Introducción a C++

Aprendiendo  C++

C++ se comenzó a desarrollar en 1980. Su autor fue B. Stroustrup, también de la ATT.  El nombre C++ es también de ese año, y hace referencia al carácter del operador incremento de C (++). Ante la gran difusión y éxito que iba obteniendo en el mundo de los programadores, la ATT comenzó a estandarizarlo internamente en 1987. En 1989 se formó un comité ANSI (seguido algún tiempo después por un comité ISO) para estandarizarlo a nivel americano e internacional.

C++ es un lenguaje versátil, potente y general. Su éxito entre los programadoresprofesionales le ha llevado a ocupar el primer puesto como herramienta de desarrollo de aplicaciones. El C++ mantiene las ventajas del C en cuanto a riqueza de operadores y expresiones, flexibilidad, concisión y eficiencia. Además, ha eliminado algunas de las dificultades y limitaciones del C original. La evolución de C++ ha continuado con la aparición de Java, un lenguaje creado simplificando algunas cosas de C++ y añadiendo otras, que se utiliza para realizar aplicaciones en Internet.

Cambio en la extensión del nombre de los ficheros

El primer cambio que tiene que conocer cualquier programador es que los ficheros fuente de C++ tienen la extensión *.cpp (de C plus plus, que es la forma oral de llamar al lenguaje en inglés), en lugar de *.c. Esta distinción es muy importante, pues determina ni más ni menos el que se utilice el compilador de C o el de C++. La utilización de nombres incorrectos en los ficheros puede dar lugar a errores durante el proceso de compilación.

Comentarios introducidos en el programa

En C los comentarios empiezan por los caracteres /* y terminan con los caracteres */. Pueden comprender varias líneas y estar distribuidos de cualquier forma, pero todo aquello que está entre el /* (inicio del comentario) y el */ (fin del comentario) es simplemente ignorado por el compilador.

Algunos ejemplos de formato de comentarios son los siguientes:

Declaración simplificada de variables tipo enumeración

Las enumeraciones (variables enum) permiten definir variables de tipo entero con un número pequeño de valores que están representados por identificadores alfanuméricos. Estos identificadores permiten que el programa se entienda más fácilmente, dando un significado a cada valor de la variable entera. Las variables tipo enum son adecuadas para representar de distintas formas valores binarios (SI o NO; VERDADERO o FALSO; EXITO o FRACASO, etc.), los días de la semana(LUNES, MARTES, MIERCOLES, ...), los meses del año (ENERO, FEBRERO, MARZO, ...), y cualquier conjunto análogo de posibles valores. En C las variables de tipo enum se hacían corresponder con enteros, y por tanto no hacían nada que no se pudiera hacer también con enteros.

En C++ las variables enum son verdaderos tipos de variables, que necesitan un cast para que un valor entero les pueda ser asignado (ellas son promovidas a enteros cuando hace falta de modo automático). Esto quiere decir que si una función espera recibir como argumento un tipo enum sólo se le puede pasar un entero con un cast. Por el contrario, si espera recibir un entero se le puede pasar un valor enum directamente.

La principal razón de ser de las variables enum es mejorar la claridad y facilidad de comprensión de los programas fuente.

Por ejemplo, si se desean representar los colores rojo, verde, azul y amarillo se podría definir un tipo de variable enum llamada color cuyos cuatro valores estarían representados por las constantes ROJO, VERDE, AZUL Y AMARILLO, respectivamente. Esto se puede hacer de la siguiente forma:

enum color {ROJO, VERDE, AZUL, AMARILLO};

Utilizar mayúsculas para los identificadores que representan constantes es una convención estilística ampliamente adoptada. En el ejemplo anterior se ha definido el tipo color, pero no se ha creado todavía ninguna variable con ese tipo.Por defecto los valores enteros asociados empiezan en 0 y van aumentando de uno en uno.

Así, por defecto, los valores asociados serán:

ROJO = 0 VERDE = 1 AZUL = 2 AMARILLO = 3

Sin embargo, el programador puede asignar el valor que desee a cada uno de esos identificadores, asignando incluso el mismo entero a varios identificadores diferentes. por ejemplo, siguiendo con el tipo color:

enum color {ROJO = 3, VERDE = 5, AZUL = 7, AMARILLO};

Lógicamente en este caso los valores enteros asociados serán:

ROJO = 3 VERDE = 5 AZUL = 7 AMARILLO = 8

Cuando no se establece un entero determinado para un identificador dado, se toma el entero siguiente al anteriormente asignado. Por ejemplo, en el caso anterior al AMARILLO se le asigna un 8, que es el número siguiente al asignado al AZUL.

Una vez que se ha definido un tipo enum, se pueden definir cuantas variables de ese tipo se desee. Esta definición es distinta en C y en C++. Por ejemplo, para definir las variables pintura y fondo, de tipo color, en C hay que utilizar la sentencia:

enum color pintura, fondo; /* esto es C */

mientras que en C++ bastaría hacer:

color pintura, fondo; // esto es C++

Así pues en C++ no es necesario volver a utilizar la palabra enum. Los valores que pueden tomar las variables pintura y fondo son los que puede tomar una variable del tipo color, es decir: ROJO, VERDE, AZUL Y AMARILLO. Se puede utilizar, por ejemplo, la siguiente sentencia de asignación:

pintura = ROJO;

Hay que recordar que al imprimir una variable enum se imprime su valor entero y no su valor asociado.

Declaración simplificada de variables correspondientes a estructuras

De modo análogo a lo que pasa con la palabra clave enum, en C++ no es necesario colocar la palabra clave struct para declarar una variable del tipo de una estructura definida por el usuario. Por ejemplo, si se define la estructura alumno del modo siguiente:

Mayor flexibilidad en la declaración de variables

La declaración de variables en C++ es similar a la de C, pero con una importante diferencia. En ANSI C las variables tenían que ser declaradas (salvo que fueran extern) al comienzo de un bloque, antes de la primera sentencia ejecutable de dicho bloque.

En C++ las variables pueden ser declaradas en cualquier lugar de un bloque4. Esto permite acercar la declaración de las variables al lugar en que se utilizan por primera vez. Las variables auto declaradas de esta forma existen desde el momento en que se declaran, hasta que se llega al fin del bloque correspondiente.

Un caso importante son los bucles for. En C++ la variable que sirve de contador al bucle puede declararse e inicializarse en la propia sentencia for. Por ejemplo, considérese el siguiente bucle para sumar los elementos de un vector:

Scope o visibilidad de variables 

La visibilidad de una variable es la parte del programa en la que esa variable está definida y puede ser utilizada. La duración hace referencia al tiempo que transcurre entre la creación de una variable y el instante en que es destruida. En general la visibilidad de una variable auto abarca desde el punto en el que se define hasta que finaliza el bloque en el que está definida. Si la declaración de una variable no se encuentra dentro de ningún bloque (variable global o extern), la visibilidad se extiende desde el punto de declaración hasta el final del fichero (otros ficheros pueden ver dicha variable sólo si la declaran como extern).

Las reglas de duración y visibilidad de C++ son similares a las de C. En C++ la visibilidad de una variable puede ser local, a nivel de fichero o a nivel de clase.

Las variables locales se crean dentro de un bloque y sólo son visibles dentro del bloque en el que han sido definidas y en sus bloques anidados, salvo que sean ocultadas por una nueva variable del mismo nombre declarada en uno de esos bloques anidados.

Las variables que tienen visibilidad a nivel de fichero –variables globales– se definen fuera de cualquier bloque, función o clase.

Una variable local declarada dentro de un bloque oculta una variable global del mismo nombre u otra variable local también del mismo nombre declarada en un bloque más exterior. Por ejemplo, puede suceder que en un bloque, hasta la declaración de una variable x se pueda estar utilizando otra variable con el mismo nombre x de otro bloque que contenga al primero. A partir de su declaración y hasta el final de su bloque, la nueva variable x será la local del bloque más interior.

Véase el ejemplo siguiente:

En C++ las variables definidas dentro de una clase –variables miembro– pueden ser declaradas como privadas o como públicas. Las variables miembro que han sido declaradas como privadas no son visibles fuera de la clase; si se declaran como públicas se puede acceder a ellas mediante los operadores punto (.) y flecha (->), con las mismas reglas que para las variables miembro de las estructuras de C.

 Las funciones miembro de una clase tienen visibilidad directa sobre todas las variables miembro de esa clase, sin necesidad de que les sean pasadas como argumento.

La duración (lifetime) de una variable esel período de tiempo en que esta variable existe durante la ejecución del programa. La duración de una variable puede ser automatic (opción por defecto) o static. En el primer caso –el caso de las variables declaradas dentro de un bloque – la variable se crea y se destruye cada vez que se pasa por el bloque. Las variables static existen hasta que termina la ejecución del programa. Su valor se conserva entre las distintas pasadas por un bloque. Para que una variable local sea static hay que declararla como tal dentro del bloque.

Debe recordarse que aunque una variable exista durante toda la ejecución de un programa, sólo puede utilizarse en la zona del programa en que esa variable es visible.

C++ dispone del operador (::), llamado operador de resolución de visibilidad (scope resolution operator). Este operador, antepuesto al nombre de una variable global que está oculta por una variable local del mismo nombre, permite acceder al valor de la variable global.

Considérese el siguiente ejemplo:

El operador (::) no permite acceder a una variable local definida en un bloque más exterior oculta por otra variable local del mismo nombre. Este operador sólo permite acceder a una variable global oculta por una variable local del mismo nombre.

Especificador const para variables

En C++ el especificador const se puede utilizar con variables y con punteros. Las variables definidas como const no son lo mismo que las constantes simbólicas, aunque evidentemente hay una cierta similitud en las áreas de aplicación. Si una variable se define como const se tiene la garantía de que su valor no va a cambiar durante toda la ejecución del programa. Si en alguna sentencia del programa se intenta variar el valor de una variable definida como const, el compilador produce un mensaje de error. Esta precaución permite detectar errores durante la compilación del programa, lo cual siempre es más sencillo que detectarlos en tiempo de ejecución.

Las variables de este tipo pueden ser inicializadas pero no pueden estar a la izquierda de una sentencia de asignación.

Las variables declaradas como const tienen importantes diferencias con las constantes simbólicas definidas con la directiva #define del preprocesador. Aunque ambas representan valores que no se puede modificar, las variables const están sometidas a las mismas reglas de visibilidad y duración que las demás variables del lenguaje.

Las variables const de C++ pueden ser utilizadas para definir el tamaño de un vector en la declaración de éste, cosa que no está permitida en C. Así las siguientes sentencias, que serían ilegales en C, son ahora aceptadas en C++:

De todas formas, nunca puede declararse ninguna variable array cuyo tamaño sea desconocido en tiempo de compilación. Si el tamaño de una variable va a ser conocido sólo en tiempo de ejecución, hay que utilizar reserva dinámica de memoria tanto en C como en C++.

Es muy frecuente que las funciones a las que por motivos de eficiencia (para no tener que sacar copias de los mismos) se les pasan los argumentos por referencia, éstos serán declarados como const en la definición y en el prototipo de la función, con objeto de hacer imposible una modificación accidental de dichos datos. Esto sucede por ejemplo con las funciones de manejo de cadenas de caracteres. El prototipo de la función strcpy() puede ser como sigue:

char *strcpy(char *s1, const char *s2);

donde s1 es la cadena copia y s2 es la cadena original. Como no tiene sentido tratar de modificar la cadena original dentro de la función, ésta se declara como const. En este caso el valor de retorno es un puntero a la cadena copia s1.

Especificador const para punteros

En el caso de los punteros hay que distinguir entre dos formas de aplicar el cualificador const:

1. un puntero variable apuntando a una variable constante y

2. un puntero constante apuntando a una variable cualquiera.

Un puntero a una variable const no puede modificar el valor de esa variable (si se intentase el compilador lo detectaría e imprimiría un mensaje de error), pero ese puntero no tiene por qué apuntar siempre a la misma variable.

En el caso de un puntero const, éste apunta siempre a la misma dirección de memoria pero el valor de la variable almacenada en esa dirección puede cambiar sin ninguna dificultad.

Un puntero a variable const se declara anteponiendo la palabra const:

En ANSI C una variable declarada como const puede ser modificada a través de un puntero a dicha variable. Por ejemplo, el siguiente programa compila y produce una salida i=3 con el compilador de C, pero da un mensaje de error con el compilador de C++:

Conversiones explícitas de tipo

Además de las conversiones implícitas de tipo que tienen lugar al realizar operaciones aritméticas entre variables de distinto tipo –promociones– y en las sentencias de asignación, el lenguaje C dispone de una conversión explícita de tipo de variables, directamente controlada por el programador, llamada cast. El cast se realiza anteponiendo al nombre de la variable o expresión el tipo al que se desea hacer la conversión encerrado entre paréntesis. Por ejemplo, pera devolver como int un cociente entre las variables double x e y:

return (int) (x/y);

El lenguaje C++ dispone de otra conversión explícita de tipo con una notación similar a la de las funciones y más sencilla que la del cast. Se utiliza para ello el nombre del tipo al que se desea convertir seguido del valor a convertir entre paréntesis. Así, las siguientes expresiones son válidas en C++:

y = double(25);

return int(x/y);

Especificador inline para funciones

C++ permite sustituir, en tiempo de compilación, la llamada a una función por el código correspondiente en el punto en que se realiza la llamada. De esta manera la ejecución es más rápida, pues no se pierde tiempo transfiriendo el control y realizando conversiones de parámetros. Como contrapartida, el programa resultante ocupa más memoria, pues es posible que el código de una misma función se introduzca muchas veces, con las repeticiones consiguientes. Las funciones inline resultan interesantes en el caso de funciones muy breves, que aparecen en pocas líneas de código pero que se ejecutan muchas veces (en un bucle for, por ejemplo). 

Existen 2 formas de definirlas:

1. Una primera forma de utilizar funciones inline es anteponer dicha palabra en la declaración de la función, como por ejemplo:

inline void permutar(int &a, int &b);

2. Otra forma de utilizar funciones inline sin necesidad de utilizar esta palabra es introducir el código de la función en la declaración (convirtiéndose de esta manera en definición), poniéndolo entre llaves { } a continuación de ésta. Este segundo procedimiento suele utilizarse por medio de ficheros header (*.h), que se incluyen en todos los ficheros fuente que tienen que tener acceso al código de las funciones inline. Considérese el siguiente ejemplo, consistente en una declaración seguida de la definición:

void permutar (int *i, int *j) { int temp; temp = *i; *i = *j; *j = temp; }

En cualquier caso, la directiva inline es sólo una recomendación al compilador, y éste puede desestimarla por diversas razones, como coste de memoria excesivo, etc.

Sobrecarga de funciones

La sobrecarga (overload) de funciones consiste en declarar y definir varias funciones distintas que tienen un mismo nombre. Dichas funciones se definen de forma diferente. En el momento de la ejecución se llama a una u otra función dependiendo del número y/o tipo de los argumentos actuales de la llamada a la función. Por ejemplo, se pueden definir varias funciones para calcular el valor absoluto de una variable, todas con el mismo nombre abs(), pero cada una aceptando un tipo de argumento diferente y con un valor de retorno diferente.

La sobrecarga de funciones no admite funciones que difieran sólo en el tipo del valor de retorno, pero con el mismo número y tipo de argumentos. De hecho, el valor de retorno no influye en la determinación de la función que es llamada; sólo influyen el número y tipo de los argumentos.

Tampoco se admite que la diferencia sea el que en una función un argumento se pasa por valor y en otra función ese argumento se pasa por referencia.

A continuación se presenta un ejemplo con dos funciones sobrecargadas, llamadas ambas string_copy(), para copiar cadenas de caracteres. Una de ellas tiene dos argumentos y la otra tres.

Cada una de ellas llama a una de las funciones estándar del C: strcpy() que requiere dos argumentos, y strncpy() que requiere tres. El número de argumentos en la llamada determinará la función concreta que vaya a ser ejecutada:

Valores por defecto de parámetros de una función

En ANSI C se espera encontrar una correspondencia biunívoca entre la lista de argumentos actuales(llamada) y la lista de argumentos formales (declaración y definición) de una función. Por ejemplo, supóngase la siguiente declaración de una función para calcular el módulo de un vector x con n elementos: 

double modulo(double x[], int n);

En C esta función tiene que ser necesariamente llamada con dos argumentos actuales que se corresponden con los dos argumentos formales de la declaración.

En C++ la situación es diferente pues se pueden definir valores por defecto para todos o algunos de los argumentos formales. Después, en la llamada, en el caso de que algún argumento esté ausente de la lista de argumentos actuales, se toma el valor asignado por defecto a ese argumento. Por ejemplo, la función modulo() podía haberse declarado del siguiente modo:

En el segundo caso se utiliza el valor por defecto n=3 incluido en la declaración.

En C++ se exige que todos los argumentos con valores por defecto estén al final de la lista de argumentos. En la llamada a la función pueden omitirse alguno o algunos de los últimos argumentos de la lista. Si se omite un argumento deben de omitirse todos aquellos que se encuentren detrás suyo.

Variables de tipo referencia

A continuación se va a recordar brevemente cómo se pasaban argumentos por referencia en ANSI C. Para ello se va a utilizar la función permutar():

La clave para pasar argumentos o parámetros por referencia en C está en el uso de punteros.

Al pasar la dirección de la variable, ésta es accesible desde dentro de la función y su valor puede ser modificado. De modo análogo, si dentro de una función hay que modificar un puntero habrá que pasar su dirección como argumento, esto es, habrá que pasar un puntero a puntero.

C++ ofrece una nueva forma de pasar argumentos por referencia a una función, que no obliga a utilizar –dentro de la función– el operador indirección (*) para acceder al valor de la variable que se quiere modificar. Esto se hace por medio de un nuevo tipo de dato –que no existe en C– llamado tipo referencia (reference).

Las variables referencia se declaran por medio del carácter (&)10. Por lo demás, son variables normales que contienen un valor numérico o alfanumérico. Antes de pasar a explicarlas con más detenimiento, se presenta de nuevo el ejemplo de la función permutar() utilizando variables referencia en lugar de punteros.

Los dos programas dan idéntico resultado, sin embargo, el segundo tiene la ventaja de que no hay que utilizar el operador indirección dentro de la función permutar(). C++ permite pasar argumentos por referencia sin más que anteponer el carácter (&) a los argumentos correspondientes, tanto en el prototipo como en el encabezamiento de la definición. En la llamada a la función los argumentos se ponen directamente, sin anteponerles ningún carácter u operador.

En C++ existe realmente un tipo llamado referencia que va más allá del paso de argumentos a funciones tal y como se acaba de explicar. Las variables de tipo referencia se declaran con el operador (&) y deben ser inicializadas a otra variable o a un valor numérico. Por ejemplo:

La variable i es una variable normal tipo int. La variable iref es una variable referencia que se asocia con i, en el sentido de que ambas variables comparten la misma posición de memoria: si se modifica i se modifica iref, y viceversa. En este sentido, iref es un alias de i. La diferencia con un puntero que apuntase a la dirección de i está en que, una vez que una variable referencia ha sido declarada como alias de i no puede ser declarada como alias de otra variable. Siempre se referirá a la misma posición de memoria. Es como un puntero a una posición de memoria fija. En la función permutar() los argumentos formales, que son referencias, se inicializan y se convierten en alias de los argumentos actuales, que son variables ordinarias.

El principal uso de las variables referencia es como valor de retorno o argumentos de funciones. Los vectores y matrices (arrays) no pueden ser declarados como variables referencia, porque ya tienen una forma propia y natural de ser pasados como argumentos a una función.

Ésta es una forma un poco extraña de utilizar una función: la llamada está a la izquierda del operador de asignación, en vez de aparecer a la derecha en una expresión aritmética o de otro tipo.

El resultado de esta llamada también es un poco extraño: el valor de retorno es una referencia, esto es un alias del argumento de valor máximo. Cuando la llamada a la función se sustituye por su valor de retorno, el resultado de la sentencia anterior es que la variable pasada como argumento que tiene mayor valor se hace igual a cero. Este mismo efecto puede conseguirse mediante punteros, pero con referencias resulta mucho más sencillo.

En C++ las referencias son muy utilizadas para pasar argumentos a funciones (y como valores de retorno), no sólo para poderlos modificar dentro de la función, sino también por motivos de eficiencia, pues es mucho más rápido pasar un puntero o un alias de una variable que una copia del valor de esa variable. Si además la variable es una estructura, las ventajas de eficiencia son todavía mucho más palpables.

Operadores new y delete para gestión dinámica de memoria

Hasta ahora sólo se han visto dos posibles tipos de duración de las variables: static,

las cuales existen durante toda la ejecución del programa, y automatic, que existen desde que son declaradas hasta que finaliza el bloque donde han sido declaradas.

Con los operadores new y delete el programador tiene entera libertad para decidir crear o destruir sus variables cuando las necesite. Una variable creada con el operador new dentro de cualquier bloque, perdura hasta que es explícitamente borrada con el operador delete. Puede traspasar la frontera de su bloque y ser manipulada por instrucciones de otros bloques.

Un aspecto diferente con la función malloc(), que es el método más utilizado para reservar dinámicamente memoria en ANSI C, es que ésta devuelve un puntero a void (*void) que es después convertido al tipo de variable que se desea. Esa conversión se evita con new, eliminando así una posible fuente de problemas.

Punteros de tipo void

Esta posibilidad ya está presente en el ANSI C pero conviene citarla aquí también. Un puntero a void es un puntero que no conoce en el momento de su definición a qué tipo de dato va a apuntar.

Un buen ejemplo de esto es el valor de retorno de la función malloc(). Esta función reserva memoria dinámicamente para cualquier tipo de dato, incluso para aquellos tipos de datos que haya definido el usuario.

Nueva forma de realizar las operaciones de entrada y salida.

En C++ además de las funciones printf() y scanf(), que siguen estando vigentes, se pueden utilizar los operadores cin y cout. Para utilizar estos nuevos operadores es necesario incluir la librería iostream.h con la instrucción #include <iostream.h>. Así en un programa en C habría que hacer algo de este estilo:

Es importante darse cuenta de que ahora ya no hace falta especificar el tipo de dato que va a ser impreso o leído, asociándolo con un formato determinado. Es el propio programa el que decide el tipo de dato en tiempo de ejecución. Estos operadores están sobrecargados de tal manera que admiten tanto los tipos predefinidos como aquellos tipos de datos definidos por el usuario.

Para poder escribir o leer desde ficheros es necesario incluir la librería <fstream.h>. A continuación se presenta un sencillo ejemplo en el que primero se escriben unas frases en un fichero y después se imprimen en la pantalla leídas desde ese fichero:

El ejemplo anterior necesita algunas explicaciones extras, aunque más adelante se incluye un capítulo dedicado a las entradas y salidas de datos en C++.

• Se declara un objeto12 del tipo ofstream llamado out. Este será un objeto que almacenará la información necesaria para llevar los datos de salida hasta un fichero llamado fichero.h.

Esto es el equivalente a utilizar la función fopen() de ANSI C para abrir un fichero de escritura de datos.

• Hay que darse cuenta de que la primera vez que se abre el fichero se abre en modo de escritura. Por eso hay que cerrarlo para después poder abrirlo en modo de lectura. Para realizar esta última operación es necesario declarar un objeto, al que se llama in, del tipo ifstream. El endl del final de las líneas de impresión en pantalla hace que se imprima un caracter de salto de línea y que se vacíe el buffer de salida de modo inmediato.

• La función getline se utiliza para leer los datos que se introduzcan desde el teclado de forma similar a la que lo haría la función scanf() leyendo una línea completa hasta el '\n'.

Funciones con número de parámetros variable

Se pueden definir, tanto en ANSI C como en C++, funciones con un número variable y desconocido a priori de argumentos. Un ejemplo de función de este tipo es la propia función main() con argumentos, y otros ejemplos, de sobra conocidos, son las funciones printf() y scanf().

Para definir estas funciones se utilizan los puntos suspensivos (...), que representan los argumentos desconocidos que puede haber. Un ejemplo de función de este tipo es el siguiente:

void mi_funcion(int i, double a, ...);

donde los argumentos i y a tendrían que estar siempre presentes. Para conocer con más detalle cómo se crean estas funciones se recomienda acudir a alguno de los textos de C++ recomiendo buscar en la web ejemplos claros.

Esta INFORMACIÓN es producto del LIBRO "Aprenda C++
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Yo soy informática y cuando puedo hago Tutos de progra, espero les gusten mi  BLOC

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