Vokabeln. 4.1 Benutzer definierte Datentypen. Kapitel 4. Prof. Dr. Gerhard Berendt C++ oop? SS 2002 Arbeitsblatt 4

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1 4.1 Benutzer definierte Datentypen C++ unterstützt die Einführung benutzer definierter Datentypen (auch Abstrakte Datentypen (ADT) genannt). ADTs bieten einen guten Einstieg in das Paradigma der objekt orientierten Programmierung, können aber auch ohne dieses Paradigma verwendet werden. Das ist nicht nur in C++, sondern auch in vielen anderen Programmiersprachen möglich: So kann ein ADT etwa in PASCAL oder C durch das Konstrukt der Struktur definiert werden. Die Struktur ist als struct auch in C++ verfügbar; darüber hinaus enthält C++ den neuen Begriff der Klasse als class, die eine Verallgemeinerung der Struktur in Richtung auf die objekt orientierte Programmierung darstellt. In diesem Kapitel werden wir für die Einführung von ADTs zwar das Konstrukt der Klasse verwenden, jedoch von den weitergehenden Möglichkeiten einer Klasse in Hinblick auf die objekt orientierte Programmierung noch keinen Gebrauch machen. Vokabeln Kapitel 4 ADT Klasse oder benutzer definierter Datentyp: Ein Datentyp, der aus einer Zusammenfassung unterschiedlich vieler verschiedener Basis Datentypen besteht. Er wird in C++ durch eine Klasse realisiert, in der die zu diesem Typ gehörenden Basis Datentypen und auf die entsprechenden Variablen zugreifenden Funktionen zusammengefasst werden Zusammenfassung unterschiedlich vieler verschiedener Basis Datentypen und darauf wirkenden Funktionen zu einem ADT mit differenzierten Zugriffsrechten, die durch die Schlüsselwörter private bzw. public unterschieden werden 1

2 Datenelemente Elementfunktionen Zugriffs Qualifizierer private public Konstruktor Destruktor Datenobjekte von Basis Typen in einer Klasse Funktionen in einer Klasse, die auf deren Datenelemente zugreifen können gibt den Grad der Zugriffsberechtigung der nachfolgenden Klassenelemente an Zugriffs Qualifizierer in der Deklaration einer Klasse. Die danach aufgeführten Datenelemente und/oder E- lementfunktionen sind nur innerhalb der Klasse erreichbar Zugriffs Qualifizierer in der Deklaration einer Klasse. Die danach aufgeführten Datenelemente und/oder E- lementfunktionen sind auch von außerhalb der Klasse erreichbar Spezielle Elementfunktion einer Klasse, die die Initialisierung eines Objekts dieser Klasse besorgt Elementfunktion, die ein Klassenobjekt zerstört Wie auch bei der Einführung eines Basis Datentyps in ein Programm ist als erstes die Frage zu stellen: Was soll mit den Objekten des Datentyps gemacht werden können? Darüber hinaus tritt bei benutzer definierten Datentypen die Frage auf: Wie ist der interne Aufbau dieser Objekte (aus Basis Typ Objekten)? Das Klassenkonzept beantwortet diese beiden Fragen so, dass der interne Aufbau der ADT Objekte in einem als private gekennzeichneten Teil der Klassendeklaration vorgenommen wird, während die Schnittstelle mit dem Rest der Welt in einem als public gekennzeichneten Teil der Klassendeklaration durch Elementfunktionen aufgebaut wird, die auf die internen Objekte der Klasse zugreifen. Ein direkter Zugriff von außerhalb der Klasse auf Daten, die als private eingeführt wurden, ist nicht möglich. Nach diesem Konzept richtet sich auch die Syntax für Klassen, die sich im übrigen natürlich weitgehend auf die bereits bei der Benutzung von Basis Datentypen bezieht: So müssen beispielsweise will man die Elementfunktionen nicht inline definieren auch Klassen in Header Dateien deklariert und in zugehörigen Implementierungs Dateien definiert werden. Neuartig bei der Erstellung von ADTs sind eigentlich nur die Zusammenfassung von Daten und Funktionen in einer Klasse sowie die Art der Initialisierung von Klassenobjekten mit Hilfe der Konstruktoren. 2

3 4.2 Klassen und Abstrakte Datentypen In C++ können (müssen jedoch nicht) benutzer definierte Datentypen mit Hilfe des Konstrukts der Klasse eingeführt werden. Syntax Kapitel 4 Das Konstrukt der Klasse hat in C++ die Syntax class Klassenname Deklaration der Klassenelemente Im Detail sieht das für den einfachsten Fall der Einführung eines ADT so aus: class Name public: Deklaration der öffentlichen Klassenelemente (ohne Zugriffs Qualifizierer) private: Deklaration der internen Klassenelemente (ohne Zugriffs Qualifizierer) 3

4 public: und private: Blöcke können in beliebiger Reihenfolge angeordnet und wiederholt werden. Fehlt in der Klassendefinition ein Zugriffs Qualifizierer, dann wird der anschließende Deklarationsteil ggf. also auch die gesamte Klassendeklaration als private angenommen. Eine Klasse definiert nicht nur einen neuen Datentyp, sondern auch einen eigenen Bereich (mit dem Namen der Klasse). Von außerhalb dieses Bereiches kann daher auf die (erreichbaren) Klassenelemente mit dem Bereichsoperator : : zugegriffen werden. Die Deklaration einer Elementfunktion folgt der Syntax der Deklaration einer gewöhnlichen Funktion, wobei als Datentyp für Parameter und Rückgabewert nun auch der Klassenname (als neuer Datentyp) verwandt werden darf. Eine Elementfunktion für ein Klassenobjekt kann in der Form Ausdruck. Elementfunktionsname(Parameterliste); aufgerufen werden, wobei Ausdruck sich auf ein Klassenobjekt oder eine Referenz darauf beziehen muß. Konstruktoren. Konstruktoren sind spezielle Elementfunktionen einer Klasse, die angeben, wie ein Objekt der Klasse erzeugt werden kann. Konstruktoren werden sinnvollerweise im public Bereich deklariert; sie haben den gleichen Namen wie die Klasse und keinen Rückgabetyp (also auch nicht den Typ void). Aus diesem Grunde werden sie bei ihrer Definition auch nicht mit return abgeschlossen: class Klassenname Klassenname(Parameter Deklarationsliste); Alle Elementfunktionen einer Klasse also auch Konstruktoren können wie gewöhnliche Funktionen überladen und/oder mit Default Parametern besetzt werden; 4

5 daher ist es möglich, verschiedene Initialisierungen für Objekte eines ADTs vorzugeben. Elementfunktionen können auch inline definiert werden, indem sie einfach (ohne das Schlüsselwort inline) im Rumpf der Klassendeklaration definiert werden. Da Konstruktoren häufig lediglich die Datenelemente der Klasse initialisieren, existiert eine vereinfachte Syntax, die die Implementierung des Konstruktors in die Klassendeklaration hineinnimmt: class Klassenname Klassenname(Parameter Deklarationsliste) : Initialisierungsliste Hierbei enthält die Initialisierungsliste die Initialisierungen der Datenelemente, durch Kommata getrennt. Beispiel: Wir wollen (in verschiedenen Stadien der Perfektion) den neuen Datentyp "Bruch" einführen. Im ersten Schritt soll es nur möglich sein, einen Bruch definiert durch Zähler und Nenner ein und wieder in der Form "Zähler / Nenner" auszugeben. Dazu führen wir die Klasse Bruch ein, die wir in der Header Datei Bruch.h definieren: Header Datei Bruch.h #ifndef BRUCH_H #define BRUCH_H #include <iostream.h> class Bruch 5

6 private: int zaehler; int nenner; hoffentlich nicht = 0! public: Bruch(int z, int n); void print(); #endif Konstruktor Die Implementierungsdatei Bruch.cpp muß die Definition des Konstruktors und der Ausgabefunktion print() enthalten: Implementierungs Datei Bruch.cpp #include "Bruch.h" #include <stdlib.h> fuer die exit-funktion Bruch::Bruch(int z, int n) zaehler = z; nenner = n; if (n == 0) cout << "Nulldivision verboten!\n"; exit(8); void Bruch::print() cout << "Bruch = " << zaehler << "/" << nenner; 6

7 cout << "\n"; return; Eine Quelldatei, die den neuen Datentyp testet, könnte wenn man mit nur einer Quelldatei auskommen möchte nun so aussehen: Test Datei Bruchtst.cpp #include "Bruch.cpp" #include <stdio.h> int main() int z, n; cout << "Eingabe Zaehler: "; cin >> z; cout << "Eingabe Nenner: "; cin >> n; Bruch b(z,n); b.print(); getchar(); return 0; Aufgabe: Vermeiden Sie in diesem einfachen Fall die Erstellung der Implementierungsdatei Bruch.cpp, indem Sie die Elementfunktionen der Klasse Bruch als inline Funktionen innerhalb der Klassendeklaration definieren. Prüfen Sie danach die Testdatei. Während es sicher sinnvoll ist, einen Bruch durch die explizite Angabe von Zähler und Nenner zu definieren, mag es stören, dass der Versuch, einen Bruch ohne Initiali- 7

8 sierung durch Zähler und Nenner in das Testprogramm einzugeben, zu einem Compiler Fehler führt: Während C++ implizit in jeder Klassendeklaration einen Default Konstruktor ohne Parameter einrichtet, sofern nicht explizit ausschließlich andere Konstruktoren deklariert wurden, muß ein solcher Default Konstruktor vom Benutzer eingeführt werden, wenn dieser auch andere Konstruktoren deklariert hat. In unserem Beispiel haben wir explizit nur den Konstruktor mit zwei Parametern definiert; in diesem Falle nimmt der Compiler mithin an, dass es keinen Default Konstruktor geben soll. Diese Situation kann auf zweierlei Art vermieden werden: Entweder führt der Benutzer durch Überladen einen Default Konstruktor (und vielleicht auch noch andere) explizit ein, oder er benutzt bei der Deklaration des Konstruktors die Möglichkeit von Default Parametern: a) Bruch(); Bruch(int z); Bruch(int z, int n); b) Bruch(int z=0, int n=1); Im zweiten Schritt soll mit Brüchen auch gerechnet werden; d.h. wir wollen die Grundrechenarten auch auf den neuen Datentyp Bruch anwenden können. Dazu nehmen wir zunächst zwei neue Funktionen add() und mul()in den öffentlichen Teil der Klassendefinition auf: Bruch add(bruch b); Bruch mul(bruch b); 8

9 Diese Funktionen sollen so implementiert werden, dass beispielsweise für zwei Brüche b1 und b2 b1.add(b2) die Summe der Brüche b1 und b2 (wieder als Bruch) ergibt. In der Implementierungs Datei Bruch.cpp sieht das dann so aus: Bruch Bruch::add(Bruch b) int z_res = (zaehler * b.nenner + nenner * b.zaehler); int n_res = (nenner * b.nenner); return Bruch(z_res, n_res); Bruch Bruch::mul(Bruch b) int z_res = (zaehler * b.zaehler); int n_res = (nenner * b.nenner); return Bruch(z_res, n_res); Die Testdatei könnte nun beispielsweise so aussehen: Test Datei Bruchtst.cpp #include "Bruch.cpp" #include <stdio.h> int main() int z, n; Bruch q(2,9), r(0,1); cout << "Erster Bruch ist 2/9 \n"; 9

10 cout << "Eingabe Zaehler: "; cin >> z; cout << "Eingabe Nenner: "; cin >> n; Bruch b(z,n); b.print(); r = b.add(q); r.print(); r = b.mul(q); r.print(); getchar(); return 0; 4.3 Überladen von Operator Funktionen Die Tatsache, dass in C++ Operator Funktionen überladen werden können, eröffnet die Möglichkeit, Operationen auf benutzer definierten Datentypen in vereinfachter Form zu schreiben. Die Deklarationen für überladene Operatoren sehen für einfache Funktionen und Elementfunktionen in Klassen analog aus. Für gewöhnliche Funktionen ist die Syntax: Ergebnistyp operator op(parameterliste); wobei op der zu überladende Operator ist; für Elementfunktionen lautet sie: class Klassenname Ergebnistyp operator op(parameterliste); Im ersten Fall muß die Parameterliste die "Arität" des Operators beachten; im zweiten Fall muß ihre Länge um eins geringer sein, da das Zielobjekt bereits den ersten Operanden liefert. 10

11 Die meisten Operatoren können überladen werden; natürlich können sie nicht für die eingebauten Typen umdefiniert werden. Ein überladener Operator muß daher mindestens einen Parameter eines benutzer definierten Typs enthalten. Wollte man die Operatoren "+" und "*" im Beispiel Bruch so überladen, dass Ausdrücke, die Objekte vom Typ Bruch enthalten, in der gewohnten Schreibweise angegeben werden können, dann wäre mithin die Header Datei Bruch.h (mit enthaltener Definition der Elementfunktionen) wie folgt zu ergänzen: Bruch operator+(bruch b) return add(b) Bruch operator*(bruch b) return mul(b) Additionen und Multiplikationen von Brüchen können damit durch Ausdrücke etwa der Form b1 + b2 * b3 problemlos bewältigt werden; während dabei der Ausdruck b1 * 2 korrekt ausgewertet wird, liefert der Compiler hingegen einen Fehler bei dem Ausdruck 2 * b1 (warum?). Um auch diesen Ausdruck auswerten zu können, müssen die Operator Funktionen "+" und "*" als gewöhnliche Operatorfunktionen deklariert werden. Daher wird die Header Datei Bruch.h nicht innerhalb, sondern außerhalb der Klassendefinition ergänzt: class Bruch inline Bruch operator+(bruch b1, Bruch b2) return b1.add(b2) inline Bruch operator*(bruch b1, Bruch b2) return b1.mul(b2) 11

12 Übungen: 4.1 Definieren Sie in einer modifizierten Header Datei die Elementfunktionen der Bruch Klasse inline. Verwenden Sie Initialisierungslisten für die Konstruktoren. Implementieren Sie die Operatoren für die Addition und die Multiplikation von Brüchen. Testen Sie das Programm, indem Sie 1/7 + 23/12 und 3/11 * 5/9 berechnen. 4.2 Implementieren Sie Funktionen int zae() und int nen(), die Zähler und Nenner eines Bruches zurückgeben. Führen Sie dann eine Funktion void kuerzen() ein, die einen Bruch kürzt. Verwenden Sie dazu die Funktion int ggt(int a, int b), die wie im 3. Kapitel gebildet wird. Berechnen und kürzen Sie dann (1/3 + 1/5) * 9/ Vektoren im R 3 werden durch Tripel reeller Zahlen dargestellt. Erstellen Sie eine Klasse Vektor, deren Objekte intern durch drei double Zahlen definiert werden. Benutzen Sie dazu nicht das Konstrukt eines Arrays. Definieren Sie einen Default Konstruktor, der das Tripel (0,0,0) erzeugt und einen weiteren Konstruktor, der ein Tripel aus drei double Zahlen erzeugt. Definieren Sie eine Ausgabefunktion, die einen gegebenen Vektor ausgibt und Operator Funktionen, die zwei Vektoren addieren und einen Vektor mit einer reellen Zahl multiplizieren. Schreiben Sie ein Testprogramm, in das Sie die beiden Vektoren (1, 3.2, 5) und (0.2, 12, 4.3) von der Tastatur eingeben, und das Ihnen die Summe aus dem 15 fachen des ersten und dem 3.5 fachen des zweiten Vektors ausgibt. Berechnen Sie diesen neuen Vektor. 12