Глава 11 Наука и математика

Глава 11

Наука и математика

11.0. Введение

Язык программирования C++ хорошо подходит для решения научных и математических задач из-за своей гибкости, выразительности и эффективности. Одно из самых больших преимуществ применения C++ для выполнения численных расчетов связано с тем, что он помогает избегать избыточности.

Исторически сложилось так, что написанные на многих языках программы, реализующие численные расчеты, обычно снова и снова повторяют алгоритмы для различных числовых типов (например, для коротких чисел, для длинных чисел, для чисел с одинарной точностью, для чисел с двойной точностью, для специальных числовых типов и т.д.). В C++ проблема такой избыточности решается с помощью шаблонов. Шаблоны позволяют писать алгоритмы, которые не зависят от представления данных, — этот подход широко известен под названием «обобщенное программирование».

Нельзя сказать, что C++ не имеет недостатков, которые проявляются при реализации численных расчетов. Самым большим недостатком С++, отличающим его от специализированных математических и научных языков программирования, являются ограниченные возможности стандартной библиотеки в отношении поддержки алгоритмов и типов данных, характерных для программирования численных расчетов. Возможно, самым большим упущением стандартной библиотеки является отсутствие матричных типов и целых типов произвольной точности.

В данной главе я приведу решения распространенных задач численного программирования и продемонстрирую методы обобщенного программирования при написании эффективного программного кода, реализующего численные расчеты. В подходящих случаях я буду рекомендовать широко используемые библиотеки с открытым исходным кодом, имеющие дружественные коммерческие лицензии и подтвержденный послужной список. В этой главе рассматриваются основные методы обобщенного программирования, причем это делается постепенно, переходя от одного рецепта к другому.

Многие программисты, использующие С++, все же с недоверием относятся к шаблонам и обобщенному программированию из-за очевидной их сложности. Когда шаблоны впервые были введены в язык, они не были хорошо реализованы, а программисты и разработчики компиляторов не очень хорошо их понимали. В результате многие программисты, включая автора, избегали пользоваться обобщенным программированием на C++ в течение нескольких лет, пока эта технология не достигла зрелости.

В настоящее время обобщенное программирование рассматривается как мощная и полезная парадигма программирования, которая поддерживается в большинстве популярных языков программирования. Более того, технология разработки компиляторов C++ очень сильно усовершенствовалась, и работа современных компиляторов с шаблонами стала гораздо более эффективной и стандартизованной. В результате современный C++ стал очень мощным языком программирования научных и численных приложении.