Objektorientiertes Programmieren in C++

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1 Nicolai Josuttis Objektorientiertes Programmieren in C++ Von der Klasse zur Klassenbibliothek D Darmstadt ADDISON-WESLEY PUBLISHING COMPANY Bonn Paris Reading, Massachusetts Menlo Park, California NewYork Don Mills, Ontariö* Wokingham, England Amsterdam Milan Sydney Tokyo Singapore Madrid San Juan Seoul Mexico City Taipei, Taiwan

2 Vorwort 1 1 Über dieses Buch Warum dieses Buch? Voraussetzungen Systematik Wie liest man dieses Buch? Zugriff auf die Quellen zu den Beispielen Anregungen und Kritik 6 2 Einleitung: C, C++ und objektorientierte Programmierung Die Voraussetzung: C Aufbau eines C-Programms Einfache Datentypen Zeiger Zusammengesetzte Datentypen Kontrollstrukturen Operatoren Präprozessor Standard-Funktionen Die verschiedenen C-Versionen Die Sprache C Designkriterien Sprach-Versionen C++ als objektorientierte Programmiersprache Objekte, Klassen und Instanzen 26

3 vi Inhaltsverzeichnis Klassen in C Datenkapselung Vererbung r Polymorphie Typen als Parameter v Exception-Handling Namensgebung 39 3 Programmieren mit Klassen Vorbemerkungen zum Programmieren mit C Kommentare in C Vordefinierte Datentypen Dateinamen Übersetzen von C++-Programmen Die erste Klasse: Bruch Vorüberlegungen zur Implementierung Deklaration der Klasse Bruch Die Klassenstruktur Elementfunktionen Konstruktoren Überladen von Punktionen Implementierung der Klasse Bruch Anwendung der Klasse Bruch Explizite Typumwandlungen Einbindung von C-Code Zusammenfassung Operatoren für Klassen Deklaration von Operator-Funktionen Implementierung von Operator-Funktionen Das Schlüsselwort this Anwendung ypn Operator-Funktionen Globale Operator-Funktionen 82

4 vii Grenzen bei der Definition eigener Operatoren Besonderheiten spezieller Operatoren Zusammenfassung Laufzeit- und Codeoptimierungen Die Klasse Bruch mit ersten Optimierungen Default-Argumente Inline-Funktionen Deklarationen zwischen Anweisungen Copy-Konstruktoren Zusammenfassung Referenzen und Konstanten Copy-Konstruktor und Parameterübergabe Referenzen Konstanten Konstanten-Elementfunktionen Die Klasse Bruch mit Referenzen Zeiger auf Konstanten und Zeiger-Konstanten Zusammenfassung Ein- und Ausgabe mit Streams Streams Umgang mit Streams Zustand von Streams I/O-Operatoren für eigene Datentypen Zusammenfassung Freunde und andere Typen Automatische Typumwandlungen....^ Friend-Funktionen Konvertierungsfunktionen Probleme bei der automatischen Typumwandlung Andere Anwendungen des Schlüsselworts friend Friend kontra objektorientierte Programmierung Zusammenfassung 148

5 viii Inhaltsverzeichnis 3.8 Dynamische Speicherverwaltung Der Operator new Der Operator delete Dynamische Speicherverwaltung für Arrays New-Handler, Überladen von new und delete Zusammenfassung Dynamische Komponenten Motivation Implementierung der Klasse String Konstruktoren bei dynamischen Komponenten Implementierung eines Copy-Konstruktors Destruktoren Implementierung des Zuweisungsoperators Weitere Operatoren Einlesen eines Strings Kommerzielle String-Klassen Weitere Anwendungsmöglichkeiten dynamischer Komponenten Zusammenfassung Weitere Aspekte dynamischer Komponenten Dynamische Komponenten bei konstanten Objekten Konvertierungsfunktionen für dynamische Komponenten Konvertierungsfunktionen für Bedingungen Konstanten werden zu Variablen Default-Funktionen verbieten Zusammenfassung Klassen verwenden Klassen Objekte als Komponenten anderer Klassen Implementierung der Klasse Person Initialisierungslisten Zusammenfassung 207

6 ix 3.12 Statische Komponenten und Hilfstypen Statische Klassenkomponenten Typdeklarationen innerhalb von Klassen Aufzählungstypen als statische Klassen-Konstanten Eingebettete und lokale Klassen.."' Namensbereiche Zusammenfassung Funktions- und Komponentenzeiger Funktionszeiger Komponentenzeiger Zusammenfassung Templates Template-Funktionen Template-Klassen Andere Template-Argumente Templates in der Praxis Zusammenfassung Exception-Handling Motivation für Exception-Handling Konzept des Exception-Handlings Exception-Handling am Beispiel der Klasse Bruch Behandlung unterschiedlicher Exceptions Fehlerklassen mit Komponenten Weitergabe von Fehlern T Behandlung nicht aufgefangener Exceptions Exceptions in Schnittstellen-Deklarationen Hierarchien von Fehlerklassen Design;ron Fehlerklassen Zusammenfassung 273

7 4 Vererbung und Polymorphie Einfache Vererbung Die Klasse Bruch als Basisklasse Vorüberlegungen zur abgeleiteten Klasse KBruch Deklaration der abgeleiteten Klasse KBruch Vererbung und Konstruktoren Implementierung von abgeleiteten Klassen Anwendung von abgeleiteten Klassen Konstruktoren für Objekte der Basisklasse Zusammenfassung Virtuelle Funktionen Probleme beim Überschreiben von Basis-Funktionen Statisches und dynamisches Binden von Funktionen Überladen kontra Überschreiben Zugriff auf Parameter der Basisklasse Virtuelle Destruktoren Vererbung richtig angewendet Weitere Fallen beim Überschreiben von Funktionen Private Vererbung und reine Zugriffsdeklarationen Zusammenfassung Vererbung von Klassen mit dynamischen Komponenten Die Klasse String als Basisklasse Die abgeleitete Klasse FarbString Überschreiben von Friend-Funktionen Ableiten der Funktionen für dynamische Komponenten Zusammenfassung < Design-Fallen bei Vererbung Vererbung kontra Verwendung Design-Fehler: Einschränkende Vererbung Design-Fehler: Wertverändernde Vererbung Design-Fehler: Wertinterpretierende Vererbung Zusammenfassung 334

8 xi 4.5 Mehrfachvererbung Beispiel für Mehrfachvererbung Virtuelle Basisklassen Das Problem der Identität Dieselbe Basisklasse mehrfach ableiten Zusammenfassung Polymorphie Was ist Polymorphie? Polymorphie in C Polymorphie in C++ am Beispiel Die abstrakte Basisklasse GeoObj Anwendung von Polymorphie in Klassen Polymorphie ist keine feste Fallunterscheidung Rückumwandlung eines Objekts in seine Klasse Zusammenfassung Klassenbibliotheken Die Beispiel-Klassenbibliothek BXCL Design-Ansatz Die abstrakte Basisklasse bxobject Die abgeleitete Klasse bxlnteger Die abgeleitete Klasse bxstring Ein erstes Anwendungsbeispiel für die BXCL Eine Klasse für die Klassen Der Trick mit den Makros Container- und Mengenklassen Einführung und Namensgebung Klassifikation von Mengen Die Mengenklasse bxunordcoll Zugriff auf die Elemente von Mengenklassen Zugriff.über Iteratoren Zugriff über Funktionszeiger 435

9 xii Inhaltsverzeichnis Zugriff über den Operator [ ] Das Problem des Verlusts des Datentyps Weitere Aspekte von Container- und Mengenklassen Konstante Elemente, Mengenklassen als Templates, Verweise ohne Bezugspunkt Verweiszyklen Design von Mengenklassen-Hierarchien Kopien statt Verweise Kopieren und Vergleichen Formen von Gleichheit Tiefe und flache Kopien Persistenz Persistenz als Konzept Implementierungsüberlegungen von Persistenz Abspeichern von Objekten Laden von Objekten Dynamisches Laden und Speichern Versionsverwaltung Fehlerbehandlung Die Standard-I/O-Bibliothek I/O-Klassen und -Objekte Fehlerzustände, Stream-Status Standard-Operatoren Standard-Funktionen Manipulatoren Formatdefinitionen Dateizugriff Umleiten der Standard-Kanäle String-Stream-Klassen Zusammenfasung 517

10 xiii 6 Zusammenfassung Hierarchie der C++-Operatoren Klassenspezifische Eigenschaften von Operationen Regeln zur automatischen Typumwandlung Sinnvolle Programmier-Richtlinien 524 Literaturverzeichnis 527 Glossar 529 Index 537