C數值計算程序移植到VC開發環境

2019-11-17 05:42:26

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供稿：網友

胡金山,史亞鋒

（空軍工程大學工程學院一系飛機教研室西安710038）

如需轉載請與作者聯系

摘　要：針對C程序的特點，給出將之移植到VC集成環境下的技術，對一個常用程序集實施了改寫，并提供了C++數組和矩陣模板類，對C程序進行面向對象的封裝。

要害詞: 移植；數值計算；封裝；模板類

The Migration of Old C Code to Visual C++ IDE
Abstract: According to the character of C PRograms, this paper presents some techniques to migrate them to Visual C++ IDE, as a implemention, it reprograms a set of numerical arithmetic programs for further engineering use.

Key Words: Migration; Numerical Arithmetic, Encapsulation, Template Class

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一. 引言

由于C語言長期廣泛應用，現存有大量經過嚴格檢驗的實用C程序，它們可以用來很好地解決工程應用中的實際問題。但是舊的C程序往往有很多與現代編譯器不兼容的地方，因此我們要根據具體的代碼情況進行相應的移植處理。

本文以改寫清華大學出版社出版的C常用算法程序集(以下簡稱“程序集”)為例，說明如何將舊的C程序移植到目前普遍使用的C/C++開發環境Visual C++下。除了列舉一些移植程序的方法和技巧，本文還給出兩個C++類：數組類和矩陣模板類，以例示如何對C程序進行面向對象的包裝處理。

二。.基于C語言分析和改換

我們知道，Visual C++支持ANSI C，下面列舉源代碼影響編譯、不兼容的情況和相應解決方案，并給出基于ANSI C標準的函數的基本調用例子。

1. 函數定義參數聲明沒有采用現代風格，例如全選主元高斯消去法：

int agaus(a,b,n)

int n;

double a[],b[];

{……;}

參數聲明應改為數組形式：

int agaus(double a[],double b[],int n)

或者改為指針形式：

int agaus(double* a,double* b,int n);

調用方法：

agaus(&a[0][0],&b[0],n);

/* a二維雙精度型數組、b一維雙精度型數組，n整型變量 */

C/C++中用下標法和指針法都可以訪問一個數組，設有數組a，則a[i]和*(a+i)無條件等價。假如指針變量p指向數組中的一個元素，則p+1指向同一數組的下一個元素。若p的初值為&a[0]，則p+i和a+I都是a[i]的地址；*(p+i)和*(a+i)就是p+i或a+i所指向的數組元素，即a[i]；指向數組的指針變量也可以帶下標，如p[i]與*(p+i)等價。所以，在實際使用該函數，假如碰到數組作形參，可以將數組第一個元素地址作為實參傳值調用函數。

2. 動態存儲分配函數返回void*型指針變量，它指向一個抽象類型的數據，ANSI C標準規定在將它賦值給另一個指針變量時需要進行強制類型轉換，所以下面代碼Line1要用Line2替換：

double* v;

v=malloc(n*m*sizeof(double));/* Line1 */

v=(double*)malloc(n*m*sizeof(double));

/* Line2 */

3. 某些算法函數可能要調用一些用戶自定義函數，如最佳一致逼近的里米茲方法：

void hremz(a,b,p,n,eps)

int n;

double a,b,eps,p[];

{ extern double hremzf();

…

}

原方法使程序集與應用程序的耦合程度增加，缺乏靈活性，可以改為:

void hremz(double a,double b,

double p[],int n,double eps,

double (*hremzf)(double x))

{…

}

用函數指針作參數，調用時直接將函數名作實參即可：

hremz(a,b,p,4,eps,hremzf);

/* 假設各參數在主程序文件已定義 */

4. 有的時候需要將一些函數的控制臺輸出作為字符串值返回，比如：

printf("%c",xy[i][j]);

我們可以用形似

sprintf( buffer,"%c",xy[i][j]),

strcat( str, buffer );

的合并語句(其中str是一個足夠大的字符串數組參數)代替

printf("%c",xy[i][j]);

例如：

char* buffer;

buffer =(char*)malloc(n*sizeof(char)); /*n作為參數傳遞，例如100 */

sprintf( buffer,"%c",xy[i][j]),

strcat( str, buffer );

/*把終端輸出字符添加到str 串尾*/

…

free(buffer)

假如用到了它們，調用方法以隨機樣本分析為例：

char str[1024];

str[0]='/0';/*初始化為空串*/

irhis(x,100,x0,h,10,1,&dt[0],&g[0],&q[0],str);

現在str數組保存了終端輸出文本，可以隨意使用它，比如在控制臺程序里輸出：

puts(str);

在使用MFC類庫時，str可以直接賦值給一個CString對象的實例。

經過以上的工作，我們得到基于ANSI C標準的程序版本，可以在C和C++開發環境下使用。

三. 基于C++語言分析和改換

由于C語言本身的弱點，程序集還存在的缺陷主要有

1.異常處理機制支持較弱；

2.程序沒有對數組下標是否越界的檢測。

假如編程人員對C/C++語言很生疏，并且不熟悉該程序集，那么有可能由于編碼的失誤在調試過程中得到不可預知的荒謬結果。我們的解決方案是為程序集增加C++的異常處理機制，以及用類封裝技術，對數組進行面向對象的封裝和使用，用Array模板類對象替換一維數組，用Matrix模板類對象替換二維數組。下面給出兩個類的聲明部分，它們分別實現最基本的數組和矩陣數據結構和算法。

template <class T=double>

class TArray

{

protected:

T* pdata;

unsigned int length;

public:

TArray();

TArray(unsigned int);

TArray(TArray const&);

virtual ~TArray();

void Operator = (TArray&);

TArray<T>& operator + (TArray&);

TArray<T>& operator - (TArray&);

T const& operator [] (unsigned int)const;

T& operator [](unsigned int);

T const* GetData() const;

unsigned int GetLenght();

void SetLength(unsigned int,bool=true);

};

template <class T=double>

class TMatrix

{

protected:

unsigned int numberOfRows;

unsigned int numberOfColumns;

TArray<T> array;

public:

class Row

{

       TMatrix<T>& matrix;

       unsigned int const row;

public:

Row (TMatrix<T>& _matrix,unsigned int _row):matrix(_matrix),row(_row){}

T& operator [](unsigned int column)const

{return matrix.Select(row,column);}

};

TMatrix();

TMatrix(unsigned int, unsigned int);

TMatrix(TMatrix<T>& mat);

virtual ~TMatrix();

T& Select(unsigned int, unsigned int);

Row & operator[](unsigned int);

TMatrix<T>& operator + (TMatrix<T>& mat);

TMatrix<T>& operator - (TMatrix<T>& mat);

TMatrix<T>& operator * (TMatrix<T>& mat);

bool operator == (TMatrix<T>& mat);

TArray<T>& GetData();

unsigned int GetNumberOfRows();

unsigned int GetNumberOfColumns();

bool LoadFromArray(T [],unsigned int,unsigned int);

bool LoadFromString(char*,char,char);

bool ResetMatrix(unsigned int, unsigned int);

bool ReverseMatrix();

void ZeroMatrix();

void RandomMatrix(int max);

};

舉例說明我們關于異常機制和數組越界的檢測方法的思路。TMatrix類的operator[]返回一個嵌套類Row的引用，它用來描述某一給定二維數組的一個特定行。Row類的operator[]則返回該行一個特定位置的T類型值。最終實現還是通過Matrix<T>::Select()函數，該函數體代碼如下：

template <class T>

T& TMatrix<T>::Select(unsigned int i, unsigned int j)

{

char ch[50];

if(i>=numberOfRows)

sprintf(ch," Error -- Invalid row: %d",i), throw (ch);

if(j>=numberOfColumns)

sprintf(ch," Error -- Invalid colum: %d",

j), throw (ch);

return array[i*numberOfColumns+j];

}

應用程序實例：

unsigned int i,j;

unsigned int m=2,n=3;

TMatrix< > mat(m,n);//雙精度型矩陣

try

{

for(i=0; i<m; i++)

{

for(j=0; j<n+1; j++)// Line3

cout<<mat[i][j]<<"/t";

cout<<endl;

}

}

catch(char* str)     //捕捉異常

{cout<<str<<endl;}

終端輸出如下(注：類實例mat沒有初始化)：

-6.27744e+066   -6.27744e+066   -6.27744e+066   Error -- Invalid colum: 3

只輸出一行，根據出錯提示，把Line3改為：“for(j=0; j<n; j++)”，重新編譯運行，輸出2行3列的正確結果：

-6.27744e+066   -6.27744e+066   -6.27744e+066

-6.27744e+066   -6.27744e+066   -6.27744e+066

由于我們對operator[]進行了重載，所以數組模板類（矩陣模板類）完全兼容C/C++一維數組（二維數組）的存取操作，因此舊程序中數組變量直接可以用類實例變量替代。

上邊給出的數組和矩陣模板類簡潔高效，易于使用，并且也有較好的靈活性。但是，標準C++中提供了為數值計算優化過的valarray模板類取代數組操作，請參閱文獻[3]，在Numerics這一章中，探討了valarray，slice等技術，并給出一個在此基礎上Matrix類的實現。建議熟練的C++程序員把握這些更為權威、高級的技術。筆者已經在所附的程序集里包含了一個實現，可能有Bug哦，呵呵！

圖1是我們用Visual C++ 6開發的演示程序界面，左邊是所有算法的目錄樹，右邊是文本計算結果輸出，下部懸浮窗口是算法程序源代碼，可以拷貝粘貼,稍作修改即可重用。

圖1

四. 結論

新的程序與原程序相比較的優點

1. 遵從ISO C/C++標準，因此具有良好的可移植性。可以在大多數流行的C++開發環境下使用；

2. 利用一些技巧，改進了原程序不利于擴展和缺少靈活性的缺點；

3. 去除了原程序中幾個影響效率的Bug；

4. 增加異常處理機制和數組越界檢測，增強可調試性和健壯性；

5. 數組和矩陣操作得到了強有力的支持。

經過我們實際應用測試，新的程序集可以滿足一般工程應用的數值計算需要，并且能夠在原來的基礎上，方便地進行必要的改進和擴充。

(參考文獻)

1.徐士良. C常用算法程序集[M]. 清華大學出版社, 1996.11

2.譚浩強. C程序設計[M]. 清華大學出版社，1998

3.Bjarne Stroustrup. The C++ Programming Language: Special Edition[M]. A Pearson EdUCation Inc.

4.Stephen Prata. C++ Primer[M]，2001.10

5.Microsoft　Corporation July 2000 release of the MSDN Library

6.Brent Rector, Chris Sells. ATL Internals[M]. Addison Wesley Longman,Inc.

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