10.4 Konstante Objekte

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1 10.4 Konstante Objekte Genau wie bei einfachen Datentypen (int,double,...) kann man auch Objekte als const deklarieren. Eine solche Deklaration bedeutet, daß alle Attribute so behandelt werden, als wären sie in der Klasse als const deklariert. Es dürfen nur Methoden aufgerufen werden, die die Attribute nicht ändern. Ausgenommen hiervon ist der Konstruktor, welcher genau einmal zum Initialisieren aufgerufen wird. Alle Eigenschaften und Regeln von konstanten einfachen Datentypen lassen sich auf konstante Klassen übertragen. int main () const Point p1 ( 47, 11 ); Während die Aufrufe der Methoden SetPt und AddPt sicherlich für konstante Objekte nicht sinnvoll sind, sollte der Aufruf von Print schon möglich sein, da diese Methode keine internen Daten verändert. Um dem Compiler mitzuteilen, daß eine Methode keine Attribute der Klasse ändert, sind diese mit Hilfe des Schlüsselwortes const als konstant festzulegen. Das Schlüsselwort wird dabei sowohl in der Deklaration als auch in der Definition der entsprechenden Methode hinter den Methodennamen und die Parameterliste geschrieben: class Point void Print () const; ; // Folgendes funktioniert nicht: p1.setpt ( 4, 2 ); p1.addpt ( Point ( 4, 2 ) ); p1.print (); void Point::Print() const WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 151 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite Kopieren von Objekten Es ist einfach möglich, eine Kopie eines Objektes anzulegen, indem man diesem bei der Definition ein bestehendes Objekt gleichen Typs zuweist. Folgendes Codebeispiel Point p1 ( 47, 11 ); Point p2 = p1; p2.print (); liefert die (erwartete) Ausgabe (47,11) Der Compiler sorgt in so einem Fall also dafür, daß die Werte aller Attribute von einem Objekt zu dem anderen Objekt kopiert werden. Das dies nicht immer zu den gewünschten Ergebnissen führt, zeigt das folgende Beispiel: 1 c l a s s S t r i n g 2 3 p r i v a t e : 4 unsigned l e n ; 5 char s t r i n g ; 6 7 public : 8 S t r i n g ( ) ; 9 S t r i n g ( c o n s t char s ) ; 10 ~ S t r i n g ( ) ; void DelLastChar ( ) ; 13 void P r i n t ( ) c o n s t ; 14 ; void S t r i n g : : DelLastChar ( ) i f ( l e n > 0 ) 19 s t r i n g [ l e n ] = 0 ; i n t main ( ) S t r i n g s1 ( " H a l l o " ) ; 25 S t r i n g s2 = s1 ; s1. P r i n t ( ) ; 28 s2. P r i n t ( ) ; s1. DelLastChar ( ) ; s1. P r i n t ( ) ; 33 s2. P r i n t ( ) ; 34 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 153 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 154

2 Dieses Beispielprogramm erzeugt die Ausgabe Hallo (5 Zeichen) Hallo (5 Zeichen) Hall (4 Zeichen) Hall (5 Zeichen) Wir sehen, daß die Ausgaben nach dem Aufruf der Funktion DelLastChar nicht richtig sind: Es wurden die Inhalte beider Variablen s1 und s2 verändert Die Länge der Zeichenkette wurde nur bei s1 entsprechend angepasst. Richtig wäre für uns die Ausgabe von Hallo (5 Zeichen) in der letzten Zeile gewesen. Den Grund für das unerwartete Verhalten erkennen wir, wenn wir zusätzlich noch die Adressen der Zeiger string ausgeben lassen; diese sind immer identisch. Hall (4 Zeichen) Hall (5 Zeichen) Es wird also nicht der Speicherbereich, auf den der Zeiger zeigt kopiert, sondern nur der Zeiger an sich. Der Copy-Konstruktor Um das Problem lösen zu können, benötigen wir einen speziellen Konstruktor, den sogenannten Copy-Konstruktor. Als einzigen Parameter besitzt dieser eine konstante Referenz auf ein Objekt der entsprechenden Klasse: class KLASSE public: KLASSE ( const KLASSE& s ); ; KLASSE::KLASSE ( const KLASSE& s ) // Anweisungen um das gewünschte // Objekt richtig zu kopieren. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 155 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 156 Fügen wir folgenden Copy-Konstrukter zu der Klasse string hinzu: 1 # i n c l u d e < i o s t r e a m > 2 3 c l a s s S t r i n g 4 5 / /... 6 public : 7 S t r i n g ( c o n s t S t r i n g & s ) ; 8 / /... 9 ; S t r i n g : : S t r i n g ( c o n s t S t r i n g & s ) l e n = s. l e n ; s t r i n g = new char [ l e n + 1 ] ; f o r ( unsigned i = 0 ; i < = l e n ; i ++) 18 s t r i n g [ i ] = s. s t r i n g [ i ] ; 19 so erreichen wir (ohne Änderungen in main) den gewünschten Effekt: Hallo (5 Zeichen) Hall (4 Zeichen) Zu beachten ist, daß der Copy-Konstruktor nur verwendet wird, wenn bei der Variablendeklaration dem neuen Objekt ein altes zugewiesen wird, z.b. String s2 = s1; Sobald wir eine Zuweisung unabhängig von der Deklaration verwenden, stehen wir wieder vor dem am Anfang des Abschnitts aufgeworfenen Problem: int main () String s1 ( "Hallo" ); String s2; s2 = s1; // Restlicher Code analog // zum vorherigen Beispiel liefert Hall (4 Zeichen) Hall (5 Zeichen) Eine Lösung stellen wir später vor (Zuweisungsoperator). WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 157 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 158

3 10.6 Überladen von Operatoren In Aufgabe 16 haben wir Brüche mittels Strukturen dargestellt. Dies können wir nun auch durch eine Klasse lösen und die Rechenfunktionen direkt als Methoden implementieren: private: long zaehler, nenner; void kuerze (); ; public: Bruch (); Bruch (long zaehler,long nenner=1); Bruch (const Bruch& b); ~Bruch (); Bruch add ( const Bruch& b ); Bruch sub ( const Bruch& b ); Bruch mul ( const Bruch& b ); Bruch div ( const Bruch& b ); Wir können nun schon auf relativ einfache Weise mit Brüchen arbeiten: Bruch b1 ( 47, 11 ), b2 ( 4, 2 ); b1 = b1.add ( b2 ); b1 = b2.div ( b1 ); Nun wäre es aber wünschenswert, wenn wir die Syntax für die fest eingebauten Datentypen (int, double,...) auch für eigene Klassen verwenden könnten. Dies wird möglich, indem wir Operatoren überladen, das heißt wir schreiben Funktionen, welche der Compiler aufruft, wenn der entsprechende Operator verwendet wird. Folgende Operatoren lassen sich überladen: Wertezuweisungen (=,*=,-=) Arithmetische Operatoren (+,-,*,/,%) Vergleichsoperatoren (==, <, <=) logische Operatoren (!,&&, ) Bit-Operatoren, insb. << und >> im Zusammenhang mit Streams (später) die Operatoren [], (), new, delete, new[], delete[] und -> WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 159 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 160 Es gibt zwei Möglichkeiten Operatoren zu überladen: Operatoren als Methoden eines Objektes Operatoren als Funktion außerhalb eines Objekts Beidesmal heißt die zu einem Operator gehörige Funktion operatorxxx, wobei XXX durch das entsprechende Symbol des Operators ersetzt wird. Je nach Operator benötigt die Funktion ein oder zwei Parameter. Operatoren als Methoden eines Objektes Operatoren können als Methoden innerhalb von Objekten implementiert werden. Für manche Operatoren, wie z.b. den []-Operator, ist dies sogar Pflicht. Das erste Argument des Operators ist immer das Objekt der entsprechenden Klasse. dadurch fällt der erste (und manchmal einzige) Parameter der Funktion weg. bei vielen Operatoren (z.b. Zuweisungen) ist dies immer der Fall. das schränkt aber auch den Gebrauch ein. Beispiel: Bruch operator+ (const Bruch& b); Bruch operator- (const Bruch& b); Bruch operator- (); ; Bruch Bruch::operator- (const Bruch& b) Bruch c; c.zaehler = zaehler * b.nenner - b.zaehler * nenner; c.nenner = nenner * b.nenner; return c; Bruch Bruch::operator- () Bruch c (-zaehler, nenner); return c; WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 161 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 162

4 Wir sehen neben dem Operator für die Addition + auch zwei Operatoren für die Subtraktion - : in Bruch operator- (const Bruch& b) wird der Ausdruck a-b berechnet. Bruch operator- () Liefert die Negation -a zurück. Es ist also grundsätzlich möglich, daß gleiche Operatoren unterschiedliche Bedeutungen haben, je nachdem wieviele Argumente übergeben werden. Weiterhin ist es möglich, daß sich die Operatoren in der Art ihrer Argumente unterscheiden: Bruch operator+ (const Bruch& b); Bruch operator+ (long l); ; Diese Klasse ermöglicht uns, zu einem Bruch sowohl einen anderen Bruch, als auch eine ganze Zahl zu addieren. Der Compiler erkennt anhand der Signatur, welche Methode gemeint ist. Operatoren als Funktion außerhalb eines Objekts Nicht immer ist es möglich, Operatoren direkt innerhalb der Klasse zu implementieren. Beispiel: Bruch operator+ (const Bruch& b); Bruch operator+ (long l); ; Mit Hilfe dieser Klasse können wir nun folgende Rechnungen durchführen: Bruch bruch (47, 11); long zahl = 42; bruch = bruch + zahl; WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 163 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 164 Es kann nun gewünscht sein, auch folgende Operation zuzulassen: Bruch bruch (47, 11); long zahl = 42; bruch = zahl + bruch; Die ganze Zahl steht nun links vom Operator. Dies ist mit einem Operator als Methode eines Objektes nicht möglich. Lösung: Operatoren können als Funktion außerhalb von Objekten definiert werden: ; Bruch operator+ (long zahl,const Bruch& a) int main () bruch bruch (47, 11); long zahl = 42; bruch = zahl + bruch; Wir stehen nun jedoch vor einem anderen Problem: der Compiler sollte den Operator als fehlerhaft erkennen. Dieser versucht nämlich auf als private gekennzeichnete Attribute der Klasse Bruch zuzugreifen. Es bleiben uns zwei Lösungsmöglichkeiten: Die Attribute als public zu definieren. Dem Compiler mitzuteilen, daß dieser spezielle Operator Zugriff auf die Interna der Klasse haben darf. Freunde Nachdem die erste Ansatz nicht wünschenswert ist, bietet C++ uns die Möglichkeit, sogenannte Freunde von Klassen festzulegen. Hierzu wird innerhalb der Klassendefinition mit dem Schlüsselwort friend festgelegt, welchen Funktionen oder Klassen der Zugriff auf eigentlich geschützte Bereiche erlaubt wird. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 165 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 166

5 friend Bruch operator+ (long zahl,const Bruch& a); ; // Folgender Operator darf auf die // privaten Attribute von Bruch zugreifen: Bruch operator+(long zahl,const Bruch& a); // Diese Funktion darf es nicht: Bruch operator+(const Bruch& a,long zahl); Hinter dem Schlüsselworf friend muß genau der entsprechende Funktionskopf stehen. Hierbei ist nicht nur der Name, sondern auch die Signatur, welche sich aus den Parametern ergibt, von Bedeutung. Auf gleiche Weise lassen sich andere Klassen und einzelne Methoden von Klassen als friend einer Klasse erklären: // KlasseA darf auf alles in Bruch // zugreifen friend class KlasseA; // KlasseB nicht, sondern nur die // entsprechende Methode A () friend int KlasseB::A (); Generell sollte die Anzahl der Freunde einer Klasse so klein wie möglich gehalten werden. Eine ganze Klasse als friend zu erklären spricht meist für ein fehlerhaftes Design des Programms. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 167 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 168 Zuweisungsoperatoren Wir sind bisher immer davon ausgegangen, daß Zuweisungen wie a=b für beliebige Objekte funktionieren. Obwohl das bei der Klasse Bruch immer gut funktioniert hat, geht das z.b. bei der String-Klasse nicht mehr (s. Folie 158). Wir müssen also auch die Funktion operator= für die Klasse String überladen, um ein konsistentes Verhalten zu erzielen: class String void operator= (const String& s); ; void operator= (const String& s) if (string!= NULL) delete string; len = s.len; string = new char [ len + 1 ]; for (unsigned i = 0; i <= len; i++) string [ i ] = s.string [ i ]; WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 169 Der Zeiger this Neugierige Leute probieren spätestens jetzt einmal das Folgende mit der Klasse String aus: String s1 ( "Hallo" ); s1 = s1; Es handelt sich hierbei um eine (eigentlich harmlose) Selbszuweisung. Schauen wir uns jedoch den Quelltext des Zuweisungsoperators nochmal genauer an: 1 void S t r i n g : : operator = ( c o n s t S t r i n g & s ) 2 3 i f ( s t r i n g! = NULL ) 4 d e l e t e s t r i n g ; 5 6 l e n = s. l e n ; 7 s t r i n g = new char [ l e n + 1 ] ; 8 9 f o r ( unsigned i = 0 ; i < = l e n ; i ++) 10 s t r i n g [ i ] = s. s t r i n g [ i ] ; 11 In den Zeilen 3 und 4 wird als erstes der String der Zielklasse gelöscht um Platz für die neue Zeichenkette zu schaffen. Da jedoch Quell und Zielklasse übereinstimmen wird somit auch der zu kopierende String entfernt. Das folgende Verhalten ist undefiniert. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 170

6 Aus diesem Grund sollte ein Zuweisungsoperator überprüfen, ob es sich um das gleiche Objekt handelt. Bei einem Operator als Funktion außerhalb einer Klasse kann man das folgendermaßen lösen: void operator= (const String& s1, const String& s2) if ( &s1 == &s2 ) return; Wichtig hierbei ist, daß die Zeiger auf die Objekte überprüft werden um festzustellen ob es wirklich die selben Objekte sind und nicht nur zwei Objekte, die zufällig die gleichen Dateninhalte haben. Wenn wir den Operator als Methode einer Klasse implementieren, fehlt uns der erste Parameter s1. Um diesen Vergleich trotzdem durchzuführen greifen wir auf den Zeiger this zurück. Dieses Attribut existiert zu jeder Klasse und zeigt auf das Objekt selbst. Unser Operator lautet also: void String::operator= (const String& s) if ( this == &s ) return; Rückgabewerte von Zuweisungen Unsere bisherigen Zuweisungen haben keinen Wert zurückgeliefert. Nun sind in C++ jedoch Anweisungen wie int a, b, c; a = b = c = 42; üblich und sollten auch mit eigenen Klassen funktionieren. Zuweisungsoperatoren sollten also immer eine konstante Referenz auf sich selbst zurückliefern. Da wir mit this einen Zeiger auf das entsprechende Objekt besitzen, können wir bei als Methoden implementierten Zuweisungsoperatoren immer *this als Argument von return angeben: const String& String::operator= (const String& s) if ( this == &s ) return *this; return *this; Ansonsten geben wir den ersten Parameter wieder zurück. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 171 WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite Mindestanforderungen an eine Klassenimplementation Jede Klasse sollte mindestens folgende vier Methoden besitzen um ein unerwartetes Verhalten der entsprechenden Objekte zu vermeiden: Default-Konstruktor: Um ein leeres Objekt zu erzeugen. Copy-Konstruktor: Um ein Objekt mit Hilfe eines Objekts gleichen Typs zu initialisieren (i.a. kopieren). Zuweisungsoperator: Um ein Objekt mit den Daten eines anderen Objekts gleichen Typs zu füllen. Destruktor: Damit das Objekt die Gelegenheit bekommt, aufzuräumen. Sollte eine dieser Methoden außerhalb der Klasse nicht sinnvoll einsetzbar sein, so muß man sie als private deklarieren. Dies trifft oft auf den Default-Konstruktor zu. WS 2001/02 Programmierkurs C++ Seite 173