Überblick. 1. Einführung C++ / Entwicklung / Sprachfamilie

Transkript

1 Überblick 1. Einführung C++ / Entwicklung/ Sprachfamilie 2. Nicht objektorientierte Erweiterungen von C 2.1 Das Ein-/Ausgabekonzept von C Referenzen in C Heap-Allokatoren in C++ 3. Grundlagen des Typkonzepts von C++ 4. Ziele der Objektorientierung 5. Objekt und Klasse, Elementfunktionen (Methoden) 6. Konstruktoren, Copy-Konstruktor, Destruktor und Wertzuweisung 7. Operatoren, Überladen von Operatoren 8. Elementobjekte und Elementobjektkonstruktoren 9. Klassenhierarchien und Vererbung 10. Polymorphie 11. Abstrakte Klassen Peter Sobe 1 1. Einführung C++ / Entwicklung / Sprachfamilie Die folgenden Folien (inhaltlich von Helmke / Isernhagen übernommen) zeigen: die Charakteristik von C++ im Vergleich zu C die Nachteile die Vorteile die Entwicklungsstufen der Standards von C/C++ die Sprachfamilie Peter Sobe 2

2 Sowohl als auch! C++ Fortschritt oder Chaos? C++ bietet mehr Leistungsumfang gegenüber C Objektorientierung Abstrakte Datentypen Generische Programmierung Einiges könnte man aber auch chaotisch nennen: Adressarithmetik Umgang mit Pointern Klare Nachteile von C++: nicht durchweg systematischer Aufbau, geschuldet der Abwärtskompatibilität nicht konsequent statisch typisiert zum Teil kryptische Notation Peter Sobe 3 Vorteile von C++ Argumente für C/C++: Standardisiert und weit verbreitet Verschiedene Abstraktionsebenen und Programmierparadigmen Speicher- und Laufzeiteffizient C++ ist eine bessere Sprache für große Softwaresysteme: Man kann ein kleines Programm (ca Zeilen) zum Laufen bringen selbst wenn man jeden Programmierstil außer acht lässt. Für größere Programme gilt das nicht mehr! Weshalb? Wenn die Struktur eines Zeilen-Programms schlecht ist, führt fast jede Fehlerbereinigung zu einem neuen Fehler. C++ wurde so entworfen, dass auch größere Programme vernünftig strukturiert werden können und eine einzelne Person ein weitaus größere Menge an Programmcode überblicken kann. Zusätzlich sollte eine einzelne Programmzeile in C++ weitaus ausdrucksstärker sein als eine in C oder Pascal. Peter Sobe 4

3 Entwicklungsstufen von C zu C++ ANSI/ISO-C++ K&R C ANSI/ISO-C89 ANSI/ISO-C99 Peter Sobe 5 Die Großfamilie der C-Sprachen K&R C (1972, Kerningham-/Ritchie, Entwickler von C) ANSI/ISO-C89 ANSI/ISO-C99 C++ (1985, Bjarne Stroustrup) ANSI/ISO-C++ 98 ANSI/ISO-C++ 0x Java C++-ähnliche Programmiersprache, SUN 1995 C# C++-ähnlich, Microsoft 2001 Peter Sobe 6

4 Überblick 1. Einführung C++ / Entwicklung/ Sprachfamilie 2. Nicht objektorientierte Erweiterungen von C 2.1 Das Ein-/Ausgabekonzept von C Referenzen in C Heap-Allokatoren in C++ 3. Grundlagen des Typkonzepts von C++ 4. Ziele der Objektorientierung 5. Objekt und Klasse, Elementfunktionen (Methoden) 6. Konstruktoren, Copy-Konstruktor, Destruktor und Wertzuweisung 7. Operatoren, Überladen von Operatoren 8. Elementobjekte und Elementobjektkonstruktoren 9. Klassenhierarchien und Vererbung 10. Polymorphie 11. Abstrakte Klassen Peter Sobe 7 2. Überblick zu ausgewählten Konzepten von C++ (nicht objektorientierte Erweiterungen) 2.1 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ - Unterschiede gegenüber C - Ausgabe - Eingabe - Formatierung 2.2 Referenzen in C++ - Zeigerkonzept in C und Referenzen - Gemeinsamkeiten / Unterschiede 2.3 Speicherallokation in C++ Peter Sobe 8

5 2.1 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Wir haben das E/A-Konzept von C kennen gelernt. Die Definitionsdatei <stdio.h> stellt alle notwendigen Moduln für eine formatgebundene E/A zur Verfügung. Dieses Konzept können Sie in C++ einschränkungslos auch verwenden. In C++ steht über die Definitionsdatei <iostream.h> ein weiteres E/A-Konzept zur Verfügung. Dieses Konzept realisiert eine Umwandlung zwischen einer Zeichenkettendarstellung und der internen Darstellung gemäß den bekannten Standardtypen (int, float,...), wobei Formate nicht angegeben werden müssen. Peter Sobe 9 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Besonders wichtig ist die Erweiterbarkeit der E/A für vom Nutzer neu definierte Typen (Klassen). Die Realisierung dieser E/A ist objektorientiert angelegt (Klasse basic_ ios). Analog zu den C E/A-Dateien existieren in C++ E/A-Objekte: C C++ Objekt C++ Klasse stdin cin basic_ istream stdout cout basic_ ostream stderr cerr basic_ostream Die beiden folgenden Folien von Helmke / Isernhagen stellen übersichtlich die beiden E/A-Konzepte von C und C++ gegenüber. Peter Sobe 10

6 R.Großmann 11 R.Großmann 12

7 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Nutzung des cout- und cin-objektes Der folgende Programmausschnitt zeigt die typische Nutzung der nicht-formatgebundenen E/A in C++: #include <iostream.h> void main() { int i; float f=7.5; char c[20]= i+f ist gleich ; cout<< \nprogrammstart ; cout<< \neingabe i= ; cin>>i; cout<<c<<i+f<< \n ; } Bemerkenswert ist das Fehlen von Formatierungen (es wird mit Standards gearbeitet) und die Nutzung von Operatoren >> bzw. << für die Ein- bzw. Ausgabe. Peter Sobe 13 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Nutzung der <<- bzw. >>-Operatoren Die <<- bzw >>-Operatoren wurden bewusst als Infix-Operatoren gewählt ( op1 << op2) mit der Bedeutung: cout<< operand - wandle den operand in eine Zeichenkette um und gib sie in das cout-objekt aus cin>> operand - lies eine Zeichenkette aus dem cin- Objekt und wandle sie typgemäß in die Interndarstellung von operand um Damit ist es möglich, diesen Operator für neu definierte Typen, z.b. complex zu überladen und in gleicher Weise komplexe Werte auszugeben:... complex c;... cout<<c; Peter Sobe 14

8 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Besonderheiten der Eingabe Der >> -Operator nimmt nur solche Zeichen entgegen, die für den jeweiligen Typ zugelassen sind. C-Trennzeichen: Enter, Leerzeichen, \n, \t, \r, \f und EOF(Ctrl - C) beenden eine Eingabe von cin. Damit wird die Eingabe von Zeichen und Zeichenketten ggf. problematisch.... char c;... cin>>c; Liest nächstes Zeichen ein, das von einem Trennzeichen verschieden ist. Peter Sobe 15 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Besonderheiten der Eingabe get-funktion Um auch Trennzeichen wie Enter, Leerzeichen usw. mit zu lesen, muss die Funktion get() verwendet werden. Sie liest bis EOF(Ctrl - C), was allerdings auch das Programm beendet. (vgl. cin2.cpp) Wird get() mit Parametern aufgerufen, kann eine sichere Eingabe erfolgen:... char c[100];... cin.get(c,99, \n ); Es werden alle Zeichen bis zum Zeilenende gelesen, aber max. 99 Zeichen weiter gegeben. Ein weiteres Beispiel: char i[10]; // 10.Zeichen ist Stringabschluss cout<< "\nprogrammstart \n"; cin.get(i,10,'\n'); cout<<i; cout<<"\nende"; Peter Sobe 16

9 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ formatgebundene Ein- und Ausgabe Formatgebundene Ausgaben (teilweise auch für Eingaben möglich) können über ios-funktionen und Setzen von Flags oder Nutzung von Manipulatoren (<iomanip.h>) vorgenommen werden. Wichtige ios-funktionen: width(b) Breite der Ausgabe, b Zeichen fill( # ) Füllzeichen precision(b) b gültige Ziffern werden ausgegeben Peter Sobe 17 Mit der ios-funktion: Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ ios-flags setf(ios:: flag1 ios:: flag2 ) auch nur 1 Parameter möglich können durch verschiedene Flagkombinationen z.b. Feldausrichtung (links,rechts), Ausgabeformen ganzer Zahlen (Oktal,Hexadezimal) oder Gleitkommazahlen (Dezimal oder mit Exponent) eingerichtet werden. Mit unsetf(... ) lassen sich Einstellungen rücksetzen. Peter Sobe 18

10 Das Ein-/Ausgabekonzept von C++ Manipulatoren Anstelle von ios-funktionen lassen sich zum Teil bequemer die gleichen Wirkungen mit sogenannten Manipulatoren erreichen. Manipulatoren können direkt mit << in den Ausgabestrom geschrieben werden, z.b....cout<<setw(20)<<scientific<<f; In den Beispielprogrammen kann die Wirkung der ios-flags und der Manipulatoren studiert werden. Peter Sobe 19 Beispiele ios und Manipulatoren (1) #include <iostream.h> #include <iomanip.h> #include <stdio.h> void main() { int i; // 1) Dezimal/Hexadezimal/Oktal // ============================ cout.setf(ios::showbase ios::uppercase ios::dec); for (i=0; i<=15; i++) { cout.width(4); cout << i; } cout << endl; cout.unsetf(ios::dec); cout.setf(ios::hex); for (i=0; i<=15; i++) { cout.width(4); cout << i; } cout << endl; cout.unsetf(ios::hex); cout.setf(ios::oct); for (i=0; i<=15; i++) { cout.width(4); cout << i; } cout << endl << endl; Peter Sobe 20

11 Beispiele ios und Manipulatoren (2) // 2) Ausrichtung und Fuellzeichen // =============================== cout.unsetf(ios::oct); cout.setf(ios::dec); cout.setf(ios::left); cout.fill('.'); cout.width(10); cout << 2002 << endl; cout.setf(ios.right); cout.fill('.'); cout.width(10); cout << 2003 << endl << endl; // 3) Ausgabe von Gleitkommazahlen // =============================== double x = 12.34, y = , z = 1e5; printf("festpunkt : (%12.2lf,%12.2lf,%12.2lf)\n", x, y, z); cout.fill(' '); cout.setf(ios::fixed); cout.precision(2); cout << "Festpunkt : ("; cout.width(12); cout << x << ','; cout.width(12); cout << y << ','; cout.width(12); cout << z << ')' << endl; Peter Sobe 21 Beispiele ios und Manipulatoren (3) printf("gleitpunkt : (%12.2le,%12.2le,%12.2le)\n", x, y, z); cout.unsetf(ios::floatfield ios::uppercase); cout.fill(' '); cout.setf(ios::scientific); cout.precision(2); cout << "Gleitpunkt : ("; cout.width(12); cout << x << ','; cout.width(12); cout << y << ','; cout.width(12); cout << z << ')' << endl; } Peter Sobe 22

12 2.2 Referenzen in C++ Eine Referenz ist ein alternativer Name (Alias) für ein Objekt. Die Hauptanwendungen in C++ sind: die Angabe von Argumenten (Parameterkonzept) und Rückkehrwerten bei Funktionen und beim Überladen von Operatoren in Klassen In C++ ist die Schreibweise X& und bedeutet Referenz auf Typ X. Beispiel:... int i=1; int& r =i; // r ist ein zweiter Name für i Peter Sobe 23 Initialisieren und Ändern von Referenzvariablen in C++ Eine Referenz muss stets initialisiert werden. Eine Referenz stellt so etwas wie einen konstanten Zeiger dar. Beispiel: int i=2; int& ri=i; // ri ist Referenz auf i ri++; // es wird der Wert von i auf 3 erhöht! ri=55; // auch das geht, i ist danach 55 const int& rc=2; // rc ist Referenz auf eine Konstante, // nur mit const möglich ri = rc; // danach bekommt rc und auch i den Wert 2 Falsch: rc = 42, rc++; // falsch, da rc eine Konstante // referenziert Peter Sobe 24

13 Referenzen bei der Parametervermittlung in C++ Aus C sind die beiden Parametervermittlungsarten: call by value und call by reference bekannt. Call by reference wird dabei über Zeiger realisiert. Das ist auch in C++ so möglich. Eine weitere Form des call by reference ist aber die Verwendung von Referenzen anstelle von Zeigern (vgl. Demo-Programme). Peter Sobe 25 Beispielcode für Referenzen void main() { int n1=2, n2, n3; int& r=n2; n2=n3=0; plus_minus(n1, n2, n3); cout <<"\n1="<<n1<<" n2="<<n2<<" n3="<<n3<<endl; //mit Referenz r das gleiche Resultat n2=n3=0; plus_minus(n1, r, n3); cout <<"\n1="<<n1<<" n2="<<n2<<" n3="<<n3<<endl; } void plus_minus(int a, int& b, int& c) { b=a+1; c=b-1; } Peter Sobe 26

14 2.3 Heap-Allokation in C++ Durch Allokation wird dynamisch zur Programmlaufzeit Speicher in einem speziellen Teil des Arbeitsspeichers, der Halde (Heap) reserviert. In C haben Sie die Funktionen malloc(...), calloc(...),... und die Freigabefunktion free(...) kennengelernt. In C++ stehen dafür die Operatoren new und delete zur Verfügung. Die folgenden Folien (inhaltlich von Helmke und Isernhagen übernommen) geben einen kurzen Einblick in das Wesen der Werte- und Zeigersemantik in C und C++ sowie die Syntax und Semantik der Operatoren new und delete! Peter Sobe 27 Zeigersemantik in C und C++ In C/C++ hat der Programmierer zwei verschiedene Möglichkeiten, auf Daten zuzugreifen Er kann direkt mit den Werten oder Variablen arbeiten (Wertesemantik) Er kann indirekt über einen Zeiger auf den Wert zugreifen (Zeigersemantik) Bei der Wertesemantik werden die Daten vom Laufzeitsystem auf den Programmstack verwaltet Bei der Zeigersemantik muss der Programmiere explizit auf dem Heap Speicherplatz reservieren und später auch wieder freigeben Peter Sobe 28

15 Zeigersemantik in C und C++ Wertesemantik in C/C++ Zeigersemantik in C Zeigersemantik in C++ int a,b; a = 123; b = a; int *a,*b; a = (int*)malloc(sizeof(int)); b = (int*)malloc(sizeof(int)); *a = 123; *b = *a; free(a); free(b); int *a, *b; a = new int; b = new int; *a = 123; *b = *a; delete a; delete b; Peter Sobe 29 Operator new (1) Mit dem Operator new wird Speicher im Heap-Speicher angefordert und der Zeigervariablen zugewiesen: Beispiele: int *iptr = new int; int *kptr = new int(64); int *jptr = new int[30]; // ein Speicherbereich für 30 int Werte // wird angefordert Keine Initialisierung für Standardtypen Wenn eine C++ Speicheranforderung nicht erfüllt werden kann, wird ein Ausnahmeobjekt vom Typ bad_alloc erzeugt, auf das dann im Rahmen der Ausnahmebehandlung reagiert werden kann. Peter Sobe 30

16 Operator new (2) In C++ gibt es auch die alternative Möglichkeit, die konventionelle Fehlerbehandlung wie in C zu benutzen #include <new> using namespace std; int vector = new (nothrow) int[20]; If (!vector) { } // kein Speicherplatz mehr verfügbar else { } // alles in Ordnung! Peter Sobe 31 Operator delete Wird der über new angeforderte Speicherbereich nicht mehr verwendet, so muss er per delete explizit wieder freigegeben werden. int *pint = new int; int *pintfeld = new int[64]; delete pint; delete [] pintfeld; delete kann nur in Verbindung mit new eingesetzt werden. int i, *pint = new int; int *pint2 = &i; delete pint; delete pint2; // Fehler, da nicht per new erzeugt delete auf einen Null-Pointer hat keine Auswirkungen. Peter Sobe 32