Курс С++. Программирование на языке высокого уровня. Классы

Лекция 5. Классы
Логика объектно-ориентированного подхода. Описание классов и объектов. Основные элементы класса: поля, методы, указатель this, конструкторы, деструкторы, операции. Дружественные функции и классы. Указатели на элементы классов.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
"Programming today is a race between software
engineers striving to build bigger and better
idiot-proof programs, and the Universe trying
to produce bigger and better idiots. So far,
the Universe is winning."
Rich Cook
ООП

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Преимущества и недостатки ООП
Преимущества (при создании больших программ):
использование при программировании понятий, более близких к предметной области;
локализация свойств и поведения объекта о одном месте, позволяющая лучше структурировать и, следовательно, отлаживать программу;
возможность создания библиотеки объектов и создания программы из готовых частей;
исключение избыточного кода за счет того, что можно многократно не описывать повторяющиеся действия;
сравнительно простая возможность внесения изменений в программу без изменения уже написанных частей, а в ряде случаев и без их перекомпиляции.
Недостатки ООП:
некоторое снижение быстродействия программы, связанное с использованием виртуальных методов;
идеи ООП не просты для понимания и в особенности для практического использования;
для эффективного использования существующих ОО систем требуется большой объем первоначальных знаний.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Свойства ООП
Инкапсуляция - скрытие деталей реализации; объединение данных и действий над ними.
Наследование позволяет создавать иерархию объектов, в которой объекты-потомки наследуют все свойства своих предков. Свойства при наследовании повторно не описываются. Кроме унаследованных, потомок обладает собственными свойствами. Объект в C++ может иметь сколько угодно потомков и предков.
Полиморфизм - возможность определения единого по имени действия, применимого ко всем объектам иерархии, причем каждый объект реализует это действие собственным способом.
Класс (объект) – инкпасулированная абстракция с четким протоколом доступа

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Технология разработки ОО программ
В процесс проектирования перед всеми остальными добавляется еще один этап - разработка иерархии классов.
В предметной области выделяются понятия, которые можно использовать как классы. Кроме классов из прикладной области, обязательно появляются классы, связанные с аппаратной частью и реализацией.
Определяются операции над классами, которые впоследствии станут методами класса. Их можно разбить на группы:
- связанные с конструированем и копированем объектов;
- для поддержки связей между классами, которые существуют в прикладной области;
- позволяющие представить работу с объектами в удобном виде.
Определяются функции, которые будут виртуальными.
Определяются зависимости между классами.
Процесс создания иерархии классов - итерационный. Например, можно в двух классах выделить общую часть в базовый класс и сделать их производными.
Классы должны как можно ближе соответствовать моделируемым объектам из предметной области.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Описание класса
class <имя>{
[ private: ]
<описание скрытых элементов>
public:
<описание доступных элементов>
};
Поля класса:
могут иметь любой тип, кроме типа этого же класса (но могут быть указателями или ссылками на этот класс);
могут быть описаны с модификатором const;
могут быть описаны с модификатором static, но не как auto, extern и register.
Инициализация полей при описании не допускается.
Классы могут быть глобальными и локальными.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
внутри локального класса запрещается использовать автоматические переменные из области, в которой он описан;
локальный класс не может иметь статических элементов;
методы этого класса могут быть описаны только внутри класса;
если один класс вложен в другой класс, они не имеют каких-либо особых прав доступа к элементам друг друга
Локальные классы

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
class monstr{
int health, ammo;
public:
monstr(int he = 100, int am = 10)
{ health = he; ammo = am;}
void draw(int x, int y, int scale, int position);
int get_health(){return health;}
int get_ammo(){return ammo;}
};
void monstr::draw(int x, int y, int scale, int position)
{ /* тело метода */ }
--------
inline int monstr::get_ammo(){return ammo;}
Пример описания класса

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Описание объектов
monstr Vasia;
monstr Super(200, 300);
monstr stado[100];
monstr *beavis = new monstr (10);
monstr &butthead = Vasia;
Доступ к элементам объекта
int n = Vasia.get_ammo();
stado[5].draw;
cout << beavis->get_health();

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Константный объект:
const monstr Dead (0,0);
Константный метод:
int get_health() const {return health;}
Константный метод:
объявляется с ключевым словом const после списка параметров;
не может изменять значения полей класса;
может вызывать только константные методы;
может вызываться для любых (не только константных) объектов.
Константные объекты и методы

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
monstr & the_best(monstr &M){
if( health > M.health()) return *this;
return M;
}
void cure(int health, int ammo){
this -> health += health;
monstr:: ammo += ammo;
}
...
monstr Vasia(50), Super(200);
monstr Best = Vasia.the_best(Super);
Указатель this

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Конструкторы
Конструктор не возвращает значение, даже типа void. Нельзя получить указатель на конструктор.
Класс может иметь несколько конструкторов с разными параметрами для разных видов инициализации (при этом используется механизм перегрузки).
Конструктор, вызываемый без параметров, называется конструктором по умолчанию.
Параметры конструктора могут иметь любой тип, кроме этого же класса. Можно задавать значения параметров по умолчанию. Их может содержать только один из конструкторов.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Если программист не указал ни одного конструктора, компилятор создает его автоматически. Такой конструктор вызывает конструкторы по умолчанию для полей класса и конструкторы по умолчанию базовых классов.
Конструкторы не наследуются.
Конструкторы нельзя описывать как const, virtual и static.
Конструкторы глобальных объектов вызываются до вызова функции main.
Локальные объекты создаются, как только становится активной область их действия.
Конструктор запускается и при создании временного объекта (например, при передаче объекта из функции).
Конструкторы - продолжение

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
имя_класса имя_объекта [(список параметров)];
имя_класса (список параметров);
имя_класса имя_объекта = выражение;
monstr Super(200, 300), Vasia(50), Z;
monstr X = monstr(1000);
monstr Y = 500;
Вызов конструктора выполняется, если в программе встретилась одна из конструкций:
Вызов конструктора

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
enum color {red, green, blue};
class monstr{
int health, ammo;
color skin;
char *name;
public:
monstr(int he = 100, int am = 10);
monstr(color sk);
monstr(char * nam);
int get_health(){return health;}
int get_ammo(){return ammo;}
};
Несколько конструкторов

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
monstr::monstr(int he, int am)
{health = he; ammo = am; skin = red; name = 0;}
monstr::monstr(color sk){
switch (sk){
case red : health = 100; ammo = 10; skin = red; name = 0; break;
case green: health = 100; ammo = 20; skin = green; name = 0; break;
case blue : health = 100; ammo = 40; skin = blue; name = 0; break;
}
}
monstr::monstr(char * nam){
name = new char [strlen(nam) + 1];
strcpy(name, nam);
health = 100; ammo = 10; skin = red;
}
Реализация конструкторов

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
monstr::monstr(int he, int am):
health (he), ammo (am), skin (red), name (0){ }
Конструктор копирования
T::T(const T&) { /* Тело конструктора */ }
при описании нового объекта с инициализацией другим объектом;
при передаче объекта в функцию по значению;
при возврате объекта из функции.
при обработке исключений.
Список инициализаторов конструктора

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
monstr::monstr(const monstr &M){
if (M.name){
name = new char [strlen(M.name) + 1];
strcpy(name, M.name);}
else name = 0;
health = M.health; ammo = M.ammo;
skin = M.skin;
}
monstr Vasia (blue);
monstr Super = Vasia;
monstr *m = new monstr ("Ork");
monstr Green = *m;
Пример конструктора копирования

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Статические поля
Память под статическое поле выделяется один раз
class A {
public: static int count; /* Объявление */
};
int A::count; // Определение
// int A::count = 10; Вариант определения
поля доступны через имя класса и через имя объекта:
A *a, b; cout << A::count << a->count << b.count;
На статические поля распространяется действие спецификаторов доступа, поэтому статические поля, описанные как private, можно изменить только с помощью статических методов.
Память, занимаемая статическим полем, не учитывается при определении размера объекта с помощью операции sizeof.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Статические методы
class A{
static int count;
public:
static void inc_count(){ count++; }
};
A::int count;
void f(){
A a;
// a.count++ — нельзя
a.inc_count(); // или A::inc_count();

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Дружественные функции и классы
Дружественная функция объявляется внутри класса, к элементам которого ей нужен доступ, с ключевым словом friend.
Дружественная функция может быть обычной функцией или методом другого ранее определенного класса.
Одна функция может быть дружественной сразу нескольким классами.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
class monstr;
class hero{
public:
void kill(monstr &);
};
class monstr{
friend int steal_ammo(monstr &);
friend void hero::kill(monstr &);
};
int steal_ammo(monstr &M){return --M.ammo;}
void hero::kill(monstr &M){
M.health = 0; M.ammo = 0;
}
Дружественные функции - пример

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
class hero{
...
friend class mistress;
}
class mistress{
...
void f1();
void f2();
}
Дружественные классы - пример

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Деструкторы
Деструктор вызывается автоматически, когда объект выходит из области видимости:
для локальных объектов — при выходе из блока, в котором они объявлены;
для глобальных — как часть процедуры выхода из main;
для объектов, заданных через указатели, деструктор вызывается неявно при использовании операции delete.
Пример деструктора:
monstr::~monstr() {delete [] name;}

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Деструктор:
не имеет аргументов и возвращаемого значения;
не может быть объявлен как const или static;
не наследуется;
может быть виртуальным
Если деструктор явным образом не определен, компилятор автоматически создает пустой деструктор.
Деструктор можно вызвать явным образом путем указания полностью уточненного имени, например:
monstr *m; ...
m -> ~monstr();

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операций
. .* ?: :: # ## sizeof
при перегрузке операций сохраняются количество аргументов, приоритеты операций и правила ассоциации (справа налево или слева направо), используемые в стандартных типах данных;
для стандартных типов данных переопределять операции нельзя;
функции-операции не могут иметь аргументов по умолчанию;
функции-операции наследуются (за исключением =);
функции-операции не могут определяться как static.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Функцию-операцию можно определить:
как метод класса
как дружественную функцию класса
как обычную функцию
Формат:
тип operator операция ( список параметров) {
тело функции
}
Функции-операции

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка унарных операций
1. Внутри класса:
class monstr{
...
monstr & operator ++()
{++health; return *this;}
}
monstr Vasia;
cout << (++Vasia).get_health();

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
2. Как дружественную функцию:
class monstr{
...
friend monstr & operator ++( monstr &M);
};
monstr& operator ++(monstr &M) {++M.health; return M;}
void change_health(int he){ health = he;}
...
monstr& operator ++(monstr &M){
int h = M.get_health(); h++;
M.change_health(h);
return M;}
3. Вне класса:
Перегрузка унарных операций

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
class monstr{
...
monstr operator ++(int){
monstr M(*this); health++;
return M;
}
};
monstr Vasia;
cout << (Vasia++).get_health();
Перегрузка постфиксного инкремента

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка бинарных операций
1. Внутри класса:
class monstr{
...
bool operator >(const monstr &M){
if( health > M.get_health())
return true;
return false; }
};
2. Вне класса:
bool operator >(const monstr &M1, const monstr &M2){
if( M1.get_health() > M2.get_health())
return true;
return false;
}

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операции присваивания
операция-функция должна возвращать ссылку на объект, для которого она вызвана, и принимать в качестве параметра единственный аргумент — ссылку на присваиваемый объект
const monstr& operator = (const monstr &M){
// Проверка на самоприсваивание:
if (&M == this) return *this;
if (name) delete [] name;
if (M.name){name = new char [strlen(M.name) + 1];
strcpy(name, M.name);}
else name = 0;
health = M.health; ammo = M.ammo; skin = M.skin;
return *this;
}
monstr A(10), B, C;
C = B = A;

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операций new и delete
им не требуется передавать параметр типа класса;
первым параметром функциям new и new[] должен передаваться размер объекта типа size_t (это тип, возвращаемый операцией sizeof, он определяется в заголовочном файле
); при вызове он передается в функции неявным образом;
они должны определяться с типом возвращаемого значения void*, даже если return возвращает указатель на другие типы (чаще всего на класс);
операция delete должна иметь тип возврата void и первый аргумент типа void*;
Операции выделения и освобождения памяти являются статическими элементами класса.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
class Obj { … };
class pObj{
…
private:
Obj *p;
};
pObj *p = new pObj;
static void * operator new(size_t size);
void operator delete(void * ObjToDie, size_t size);
#include
SomeClass a = new(buffer) SomeClass(his_size);

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операции приведения типа
operator имя_нового_типа ();
monstr::operator int(){
return health;
}
...
monstr Vasia; cout << int(Vasia);

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операции вызова функции
class if_greater{
public:
int operator () (int a, int b) const {
return a > b;
}
};
if_greater x;
cout << x(1, 5) << endl; // x.operator () (1, 5))
cout << if_greater()(5, 1) << endl;

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Перегрузка операции индексирования
class Vect{
public:
explicit Vect(int n = 10);
//инициализация массивом:
Vect(const int a[], int n);
~Vect() { delete [] p; }
int& operator [] (int i);
void Print();
private:
int* p;
int size;
};

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Vect::Vect(int n) : size(n){ p = new int[size];}
Vect::Vect(const int a[], int n) : size(n){
p = new int[size]; for (int i = 0; i < size; i++) p[i] = a[i]; }
int& Vect::operator [] (int i){
if(i < 0 || i >= size){
cout << "Неверный индекс (i = " << i << ")" << endl;
cout << "Завершение программы" << endl;
exit(0); }
return p[i];
}
Перегрузка операции индексирования

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
void Vect::Print(){
for (int i = 0; i < size; i++) cout << p[i] << " ";
cout << endl; }
int main(){
int arr[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
Vect a(arr, 10);
a.Print();
cout << a[5] << endl;
cout << a[12] << endl;
return 0;
}
Перегрузка операции индексирования

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Указатели на элементы классов
Указатель на метод класса:
возвр_тип (имя_класса::*имя_указателя)(параметры);
описание указателя на методы класса monstr
int get_health() {return health;}
int get_ammo() {return ammo;}
имеет вид:
int (monstr:: *pget)();
Указатель можно задавать в качестве параметра функции:
void fun(int (monstr:: *pget)()){
(*this.*pget)(); // Вызов функции через операцию .*
(this->*pget)(); // Вызов функции через операцию ->*
}

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Правила использования указателей на методы классов:
Указателю на метод можно присваивать только адреса методов, имеющих соответствующий заголовок.
Нельзя определить указатель на статический метод класса.
Нельзя преобразовать указатель на метод в указатель на обычную функцию, не являющуюся элементом класса
Присваивание значения указателю на метод класса:
pget = & monstr::get_health;
monstr Vasia, *p; p = new monstr;
Вызов через операцию .* :
int Vasin_health = (Vasia.*pget)();
Вызов через операцию ->* :
int p_health = (p->*pget)();

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО)
Указатель на поле класса
тип_данных(имя_класса::*имя_указателя);
В определение указателя можно включить его инициализацию:
&имя_класса::имя_поля; // Поле должно быть public
Если бы поле health было объявлено как public, определение указателя на него имело бы вид:
int (monstr::*phealth) = &monstr::health;
cout << Vasia.*phealth; // Обращение через операцию .*
cout << p->*phealth; // Обращение через операцию ->*