C++ - Einführung in die Programmiersprache Polymorphismus und Vererbung. Eltern

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1 C++ - Einführung in die Programmiersprache Polymorphismus und Vererbung Eltern Kind Kind

2 Vererbung Definition von Klassen auf Basis von bestehenden Klassen. Implementierung von ist ein. bildet ein hierarchisches Modell ab. Das Modell sollte maximal drei Ebenen besitzen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 2

3 Regeln Es werden alle öffentlichen Attribute und Methoden von der Basisklasse geerbt. Neue Attribute und Methoden können hinzufügt werden. Vorhandene Methoden können überlagert werden. Konstruktoren und Destruktoren werden nicht vererbt. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 3

4 Beispiel Konto - kontonummer : string - pinnummer : string +abheben(float betrag) +einzahlen(float betrag) +eroeffnen +schliessen GiroKonto - dispo : float FestgeldKonto - laufzeit : int - zins : float Einführung in die C++-Programmierung, Seite 4

5 Basis- und Subklassen Basisklasse Fahrzeuge Subklasse Land Wasser Luft Schiene Motorisiert Unmotorisiert Unmoterisiert Motorisiert Flugzeug Zeppelin Heißluftballon Einführung in die C++-Programmierung, Seite 5

6 Erläuterung Die Subklasse (Unterklasse, abgeleitete Klasse) erbt von der Basisklasse alle öffentlichen Attribute und Methoden. beschreibt die speziellen Elemente einer Klasse. Die Basisklasse (Oberklasse) stellt ein Grundgerüst an Attribute und Methoden für eine bestimmte Kategorie von Klassen zur Verfügung. kann aber selber Subklasse einer anderen Basisklasse sein. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 6

7 Generalisierung und Spezialisierung Spezialisierung Fahrzeuge Generalisierung Land Wasser Luft Schiene Motorisiert Unmotorisiert Unmoterisiert Motorisiert Flugzeug Zeppelin Heißluftballon Einführung in die C++-Programmierung, Seite 7

8 Hinweise Subklassen beschreiben Attribute und Methoden, die nur eine Klasse in einer bestimmten Kategorie von Klassen besitzt. Um so weiter man in der Hierarchie der Klassen nach unten geht, um so spezieller werden die Klassen. Basisklassen ermöglichen eine Zusammenfassung von gemeinsamen, allgemeinen Eigenschaften einer bestimmten Kategorie von Klassen. Um so weiter man in der Hierarchie der Klassen nach oben geht, um so unbestimmter sind die Klassen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 8

9 Basisklasse definieren class _CKonto{ protected: std::string kontonummer; std::string pinnummer; float kontostand; public: _CKonto(){}; _CKonto(std::string kontonr, std::string pin) { kontonummer = kontonr; pinnummer = pin; kontostand = 10.0; } // Methoden }; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 9

10 Zugriffsrechte private: // Attribute Auf die Attribute kann nicht von außen zugegriffen werden. Die Subklasse kann auf diese Elemente nicht zugreifen. protected: // Attribute Nur die Subklasse sowie die Basisklasse kann auf die Elemente zugreifen. Für einen Zugriff von außen sind die Elemente gesperrt. public: // Methoden, Konstruktoren Die Methoden sind öffentlich zugänglich. Die Subklasse kann auf diese Methoden zugreifen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 10

11 Konstruktoren Der Standardkonstruktor sollte vorhanden sein. Es können allgemeine Konstruktoren definiert werden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 11

12 Subklasse definieren class _CGiroKonto : public _CKonto { private: int dispo; public: _CGiroKonto(std::string kontonr, std::string pin, int dispo=0) : _CKonto(kontoNr, pin), dispo(dispo){}; }; void setdispo(int neudispo){}; int getdispo(){ return dispo; }; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 12

13 Kopf einer Subklasse class _CGiroKonto : public _Ckonto { Jede Subklasse beginnt wie die Basisklasse mit dem Schlüsselwort class. Dem Schlüsselwort folgt der Name der Subklasse. Der Doppelpunkt trennt den Namen der abgeleiteten Klasse von der Basisklassen-Liste. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 13

14 Basisklassen-Liste class _CGiroKonto : public _Ckonto { Die Namen der Basisklassen, getrennt durch Kommata, werden aufgelistet. Die Liste wird vom Namen der abgeleiteten Klasse durch ein Doppelpunkt getrennt. Der Zugriff auf die Basisklasse wird spezifiziert. In den meisten Fällen ist der Zugriff ist öffentlich. Die Subklasse ist eine Teilmenge der Basisklasse. Die Zugriffsrechte der Basisklasse werden übernommen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 14

15 Zugriff Deklaration in der Basisklasse Zugriff auf die Basisklasse aus Sicht der Subklasse public public public public protected protected protected private private private public protected public protected protected protected protected private private private public private public private protected protected private private private private aus Sicht des Objekts Subklasse Einführung in die C++-Programmierung, Seite 15

16 Regeln für die Subklasse Jede Subklasse hat ein anonymes Objekt vom Typ Basisklasse eingebettet. Die Subklasse kann auf alle public- und protected-elemente der Basisklasse zugreifen. Die Subklasse kann eigene Methoden implementierten oder die Methoden aus der Basisklasse nutzen. Die Methoden aus einer Basisklasse können von der Subklasse überladen werden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 16

17 Regeln für die Basisklasse Die Basisklasse vererbt alle Elemente, bis auf Konstruktoren, Destruktoren und Zuweisungsoperatoren. Die Basisklasse wird nicht durch die Subklasse verändert. Es können beliebig viele Klassen von der Basisklasse abgeleitet werden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 17

18 Konstruktor public: _CGiroKonto(std::string kontonr, std::string pin, int dispo=0) : _CKonto(kontoNr, pin), dispo(dispo){}; Mit Hilfe der Initialisierungsliste werden die Anfangswerte für die verschiedenen Attribute gesetzt. In der Initialisierungsliste wird immer zuerst der Konstruktor der Basisklasse aufgerufen und anschließend die Attribute der Subklasse initialisiert. Die Reihenfolge der Attribute entspricht der Reihenfolge in den Klassen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 18

19 Polymorphie Vielgestaltigkeit, Ähnlichkeit. innerhalb einer Klasse: Methoden in einer Klasse werden überladen. bei der Vererbung von Klassen: Die Subklasse überschreibt eine Methode der Basisklasse. Die Subklasse nutzt virtuelle Methoden. Objekte einer Subklasse, die alle die gleiche Basisklasse nutzen, reagieren auf ein und dieselbe Nachricht unterschiedlich. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 19

20 Überladende Methoden... besitzen den gleichen Namen. unterscheiden sich in dem Datentyp und / oder der Anzahl der Parameter. werden nicht mit Hilfe des Funktionstyps oder von Default- Parametern unterschieden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 20

21 Methoden in einer Klasse überladen class KUNDE{ public: void setadress(string strasse, string plz, string ort); void setadress(string nachname); }; void KUNDE::setAdress(string strasse, string plz, string ort) { kundestrasse = strasse; kundeplz = plz; kundeort = ort; } void KUNDE::setAdress(string nachname){ kundename = nachname; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 21

22 Methoden überschreiben Methoden aus der Basisklasse werden überdeckt. Geerbte Methoden werden mit einer neuen Funktionalität versehen. Die Methode aus der Basisklasse und der Subklasse besitzen den gleichen Methodenkopf. Nur die Anweisungen im Methodenrumpf werden verändert. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 22

23 Methoden in der Basisklasse implementieren class _CKonto { protected: float kontostand; }; public: float hebeab(float betrag){ kontostand = kontostand - betrag; return kontostand; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 23

24 Methoden aus einer Basisklasse überschreiben class _CGiroKonto : public _CKonto{ private: int dispo; public: float hebeab(float betrag){ if ( (kontostand - betrag ) >= 0){ kontostand = kontostand - betrag; } else if ( (kontostand - betrag ) >= dispo){ kontostand = kontostand - betrag; } return kontostand; } }; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 24

25 Hinweise Jede Methode aus der Basisklasse kann überschrieben werden. Die Methode besitzt in der Basisklasse und in der Subklasse den gleichen Methodennamen. Die Parameterliste in der Basisklasse sowie in der Subklasse sind gleich. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 25

26 Aufruf der Methode // Aufruf der Methode in der Subklasse mygiro.hebeab(200); cout << "Kontostand:" << mygiro.getkontostand() << endl; // Aufruf der Methode aus der Basisklasse. mygiro._ckonto::hebeab(300); cout << "Kontostand:" << mygiro.getkontostand() << endl; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 26

27 Virtuelle Methoden werden nur in der Basisklasse implementiert. definieren eine Schnittstelle für alle Subklassen der Basisklasse. werden in der Subklasse überschrieben. Die Methode kommt mit dem gleichen Namen und gleicher Parameterliste in der Subklasse vor. sind vom Typ des Objekts abhängig. Welcher Klasse gehört das Objekt an? benötigen einen virtuellen Destruktor. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 27

28 Late Binding der virtuellen Methoden Späte Bindung oder dynamische Bindung. Beim Linken wird keine feste Sprungadresse für die Methode eingetragen. Der Methodenaufruf wird erst zur Laufzeit des Programms einer Methode zugeordnet. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 28

29 Realisierung Jede Klasse mit virtuellen Methoden hat eine Virtual Method Table, in der die Adressen der virtuellen Methoden gespeichert sind. Ein Objekt einer polymorphen Klasse hat einen Virtual Method Pointer, der auf diese Tabelle zeigt. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 29

30 in der Basisklasse implementieren class _CKonto { protected: float kontostand; }; public: virtual float hebeab(float betrag){ kontostand = kontostand - betrag; return kontostand; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 30

31 Kopf einer virtuellen Methode public: virtual float hebeab(float betrag){ beginnt immer mit dem Schlüsselwort virtual. Dem Schlüsselwort folgt der Name der virtuellen Methode. Eine virtuelle Methode hat eine Parameterliste. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 31

32 Konstruktoren und Destruktoren Konstruktoren dürfen nicht virtuell sein. Zum Erzeugen von Objekten muss die Klasse zur Compilezeit festgelegt sein. Destruktoren können virtuell sein. Die Destruktoren werden dann immer in der Reihenfolge Kind Eltern abgearbeitet. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 32

33 Virtueller Destruktor in der Basisklasse class _CKonto { Protected: // Attribute public: // Konstruktoren virtual ~_CKonto() { kontostand = 0; kontonummer = ""; pinnummer = ""; delete this; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 33

34 Aufbau eines Destruktors Ein Destruktor beginnt mit ~ (Tilde). Destruktoren nutzen wie Konstruktoren als Bezeichnung den Namen der Klasse. Destruktoren haben keinen Rückgabewert. Parameter werden an einen Destruktor nicht übergeben. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 34

35 Aufruf von Destruktoren Destruktoren werden automatisch aufgerufen, wenn ein Objekt zerstört wird. Das heißt, die Objektvariable verliert ihre Gültigkeit. delete für die dynamische Verwaltung von Objekten aufgerufen wird. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 35

36 manuell erstellen Angeforderter Speicher wird freigegeben. Verbindungen zu Datenbanken oder Dateien müssen aufgelöst werden. Virtuelle Destruktoren werden für eine Basisklasse benötigt. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 36

37 Abstrakte Klassen haben mindestens eine pure virtual Methode. definieren Schnittstellen können keine Objekte erzeugen. liefern Informationen an die abgeleitete Klasse. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 37

38 implementieren class _CKonto { protected: public: // Konstruktoren virtual ~_CKonto() { kontostand = 0; kontonummer = ""; pinnummer = ""; delete this; } // Methoden virtual float hebeab(float betrag) = 0; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 38

39 Pure virtual Methode public: virtual float hebeab(float betrag) = 0; sind virtuelle Methoden, denen der Wert 0 zugewiesen wird. sind Deklarationen einer Methode. Eine allgemeine Implementierung für diese Methode ist nicht möglich. Alle Subklassen müssen diese Methode überladen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 39

40 Methoden aus einer Basisklasse überladen class _CGiroKonto : public _CKonto{ private: public: float hebeab(float betrag, _CKonto &konto) { if ( (kontostand - betrag ) >= 0){ kontostand = kontostand - betrag; konto.zahleein(betrag); } else if ( (kontostand - betrag ) >= dispo){ kontostand = kontostand - betrag; konto.zahleein(betrag); } return kontostand; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 40

41 Hinweise Die Methode aus der Basisklasse wird überdeckt. Sobald die überladene Methode aufgerufen wird, wird zuerst in der Subklasse nach einer Methode gesucht und anschließend in der Basisklasse. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 41

42 Operatoren überladen..., um Rechenoperatoren oder Vergleichsoperatoren für benutzerdefinierte Datentypen zu implementieren...., um Klassen mit einer Funktionalität ähnlich wie Standard- Datentypen auszustatten. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 42

43 Operatoren in C++ Umgangssprachliche Schreibweise: summe = a + b Der Operator definiert eine Verknüpfungsvorschrift. Formale Schreibweise: summe = operator+ (a, b) Die Operatoren sind als Funktionen implementiert. Der Funktion Addition werden zwei Parameter übergeben. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 43

44 Nicht oder nur in Klassen überladbare Operatoren Nicht überladbare Operatoren: ::?:..* size of typei d Außerdem können die Cast-Operatoren, die Präprozessor- Kennzeichnung # oder ## sowie defined nicht überladen werden. Nur in Klassen überladbare Operatoren: = () [] -> Einführung in die C++-Programmierung, Seite 44

45 Regeln Es können keine neuen Operatoren definiert werden. Mindestens ein Operand muss eine Klasse oder eine Referenz auf eine Klasse sein. Die Funktionalität des Operators wird nicht verändert. Operanden, die aneinandergereiht werden können, müssen eine Referenz auf den linken Operator zurückgeben. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 45

46 Überladung im Klassenbereich class KUNDE{ public: KUNDE& operator= (const KUNDE quelle) { kundename = quelle.kundename; kundevorname = quelle.kundevorname; kundestrasse = quelle.kundestrasse; kundeplz = quelle.kundeplz; kundeort = quelle.kundeort; }; } return *this; Einführung in die C++-Programmierung, Seite 46

47 Überladung des Zuweisungsoperators Eine Klasse hat dynamische Eigenschaften. Ein Kopierkonstruktor wird benötigt. Ein Destruktor wird benötigt. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 47

48 Aufbau public: KUNDE& operator= (const KUNDE quelle) { return *this; } werden für Überladungen genutzt, die auf private- und protected-attribute zugreifen müssen. Der Funktionsname besteht aus dem Schlüsselwort operator und dem Operator-Zeichen. Es muss ein Objekt als erster Parameter genutzt werden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 48

49 Rückgabewert public: KUNDE& operator= (const KUNDE quelle) { return *this; } Die Funktion gibt eine Referenz auf das geänderte Objekt zurück. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 49

50 this ist ein Zeiger auf das aktuelle Objekt. ist ein konstanter Zeiger. hat als Wert die Adresse des aktuellen Zeigers. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 50

51 Überladung im Dateibereich class _CKonto { public: _CKonto operator+= (int betrag); }; _CKonto _CKonto::operator+= (int betrag) { kontostand += betrag; return *this; } Einführung in die C++-Programmierung, Seite 51

52 Aufbau _CKonto _CKonto::operator+= (int betrag) { return *this; } werden für Überladungen von arithmetischen oder relationalen Operatoren genutzt. Es kann ein beliebiges Element als erster Parameter genutzt werden. können nicht auf protected-attribute zugreifen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 52

53 Objekte als Parameter float hebeab(float betrag, _CKonto &konto){}; class _CKonto mykonto("123456", "abc12"); class _CGiroKonto mygiro("345612", "", 200); mygiro.hebeab(100, mykonto); Ein Objekt wird an eine Methode als Referenz übergeben. Es wird ein Alias für ein Objekt übergeben. Das übergebene Objekt kann mit Hilfe des Schlüsselwortes const vor Veränderungen geschützt werden. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 53

54 dynamic_cast class _CKonto *basisclassptr; class _CKonto *subclassptr; basisclassptr = dynamic_cast<_ckonto *>(&mygiro); ist nur mit Zeigern und Referenzen möglich.... benötigen Run-Time Type Information (RTTI). Einige Compiler haben diese deaktiviert! Einführung in die C++-Programmierung, Seite 54

55 nutzen Konvertierung von Basisklassen-Zeigern in Subklassen- Zeigern. Konvertierung eines Subklassen-Zeiger in einem Basisklassen- Zeigern. Diese Konvertierung kann zu einem Informationsverlust führen! Einführung in die C++-Programmierung, Seite 55

56 Wann wird die Konvertierung ausgeführt? Zur Laufzeit. Falls eine Konvertierung nicht möglich ist.... wird ein Null-Zeiger übergeben oder... bad_cast bei Referenzen. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 56

57 static_cast class _CKonto *basisclassptr; class _CKonto *subclassptr; basisclassptr = static_cast<_ckonto *>(&mygiro); Der Typ, in den konvertiert wird, muss während der Compilierung bekannt sein! Einführung in die C++-Programmierung, Seite 57

58 nutzen class _CKonto *basisclassptr; class _CKonto *subclassptr; basisclassptr = static_cast<_ckonto *>(&mygiro);... wird für die Konvertierung von Variablen von einem Datentyp in einem anderen genutzt.... wird für die Konvertierung von Basisklassen-Zeigern in Subklassen-Zeigern genutzt.... kann für die Umwandlung eines Subklassen-Zeiger in einem Basisklassen-Zeigern genutzt werden.... wandelt einen void-zeiger in jeden anderen Zeiger um. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 58

59 reinterpret_cast und const_cast const_cast... fügt const hinzu oder entfernt dieses. reinterpret_cast... konvertiert jeden Zeiger in jeden anderen Zeiger Interpretation von Bitmustern im Kontext des Ziels.... konvertiert Ganzzahl nach Zeiger. Einführung in die C++-Programmierung, Seite 59