Programmieren in C++ Klassen

Transkript

1 Programmieren in C++ Klassen

2 Inhalt Klassen (vertieft) Destruktor Konstruktoren Move-Semantik und Rechtswert-Referenzen (C++11) C++11 Features Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

3 Implementierung der Klasse Punkt // Datei: Punkt.h typedef int Color; class Punkt { // instance variables double m_x, m_y, m_z; Color m_color; public: // instance methods void print() const { cout << "Punkt (" << m_x << "," << m_y << "," << m_z << ") hat Farbe " << m_color << endl; ; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

4 Verwendung der Klasse Punkt #include "Punkt.h" int main() { { Punkt p; p.print(); // statisches Punktobjekt auf dem Stack anlegen // Punktobjekt auf Konsole ausgeben // Punktobjekt p wird hier automatisch zerstört // p.print(); würde hier zu einem Fehler führen Punkt *pp = nullptr; { pp = new Punkt(); pp->print(); pp->print(); delete pp; pp = nullptr; return 0; // statische Zeigervariable // dynamisches Punktobjekt auf dem Heap anlegen // Punktobjekt auf Konsole ausgeben // erlaubt // dynamisches Punktobjekt zerstören Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

5 Schlüsselwort: const bei Methodenparametern void Gerade::setEndPoints(const Punkt2& p1, const Punkt2& p2) { bei Objekten const Gerade g(1, 2, 3, 10, 2, 3); g.setendpoints(punkt2(), Punkt2()); // g darf nicht modifiziert werden // ist nicht erlaubt bei Methoden void Gerade::getEndPoints(Punkt2& p1, Punkt2& p2) const { Punkt2 p1, p2; g.getendpoints(p1, p2); // ist erlaubt, da getendpoints nur lesend // auf das Objekt g zugreift Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

6 Erzeugen einer statischen Instanz Klassenname Variable Beispiel: Punkt p; Was passiert im Hintergrund? Compiler hat aus der Definition der Klasse Punkt berechnet, wie viel Speicher eine Instanz der Klasse Punkt benötigt in unserem Beispiel sind drei Attribute vom Typ double und ein Attribut vom Typ Color bzw. int vorhanden Speicherbedarf pro Punktinstanz: 3*sizeof double + 1*sizeof int auf dem Stack wird entsprechend Platz reserviert, so dass alle vier Attribute des Punktes abgespeichert werden können die Variable p repräsentiert die Punktinstanz auf dem Stack Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

7 Erzeugen einer dynamischen Instanz Klassenname var = new Klassenname(); Beispiel: Punkt *p; p = new Punkt(); Was passiert dabei? ein neues Objekt (eine Instanz der Klasse Punkt) wird erzeugt und auf dem Heap angelegt ein Zeiger auf das neue Objekt wird zurückgegeben und in der Zeigervariablen p abgespeichert statische und dynamische Variablen p ist eine statische Variable vom Typ Zeiger auf Punkt p verweist zu einem anonymen, dynamischen Objekt der Klasse Punkt Lebensdauer von anonymen Objekten hängt nur indirekt von der Lebensdauer seiner Referenzen ab mit delete wird das dynamische Objekt auf dem Heap abgeräumt (bevor dies geschieht, wird noch der Destruktor des Objekts aufgerufen) Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

8 Destruktor wird automatisch aufgerufen, kurz bevor ein Objekt seine Gültigkeit verliert (unmittelbar vor der Zerstörung) wird üblicherweise dann gebraucht, wenn dynamisch reservierter Speicher freigegeben werden soll Dateien geschlossen werden sollen Datei-Handles freigegeben werden sollen trägt den gleichen Namen wie die Klasse, mit ~ (Tilde) davor wenn Sie keinen eigenen Destruktor definieren, dann stellt der Compiler einen vordefinierten Standard-Destruktor bereit Beispiel class Punkt { Punkt(double x, double y, double z, int color) : m_x(x), m_y(y), m_z(z), m_color(color) { ~Punkt() { cout << "Objekt ist nicht länger gültig" << endl; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

9 Vorgabeparameter (Default-Parameter) Parameter in Methoden dürfen mit Standardwerten belegt werden Default-Parameter für Default-Parameter müssen beim Methodenaufruf keine Werte angegeben werden (es dürfen aber) in der Parameterliste einer Methode müssen zuerst alle Parameter ohne Default-Wert dann alle Parameter mit Default-Wert aufgelistet werden alle Methoden und Konstruktoren dürfen Default-Parameter verwenden Beispiel Punkt(double x, double y, double z, Color color = 0) : m_x(x), m_y(y), m_z(z), m_color(color) { Anwendung Punkt *pp = new Punkt(3, 4, 5); // Farbe ist standardmässig auf 0 gesetzt Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

10 this-zeiger wird in Instanzmethoden verwendet und zeigt auf die Instanz selber Beispiel Punkt& move(double d[3]) { m_x += d[0]; m_y += d[1]; m_z += d[2]; return *this; Anwendung double delta[] = { 1, 2, 3 ; Punkt p(0, 0, 0, 7); p.move(delta).move(delta); p.print(); // ergibt (2, 4, 6) mit Farbe 7 Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

11 Klassenvariablen und -methoden Klassenvariablen werden pro Klasse und nicht pro Instanz angelegt alle Instanzen einer Klasse haben Zugriff auf die gemeinsamen Klassenvariablen dieser Klasse Modifikator static vor dem Typ der Variable Einsatzmöglichkeiten zählen der erzeugten Instanzen einer Klasse Registrierung des zuletzt erzeugten Objektes Konstanten Klassenmethoden können ohne Instanz einer Klasse aufgerufen werden werden über den Klassennamen aufgerufen dürfen nur auf Klassenvariablen zugreifen Modifikator static vor der Methoden-Deklaration Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

12 Beispiel zu Klassenvariablen h-file class Punkt { // instance variables double m_x, m_y, m_z; // class variable declaration static int s_nrofinstances; static const int s_version = 111; public: // constructor Punkt(); ; // destructor ~Punkt(); // class method static int getnrofinstances(); cpp-file // class variable definition int Punkt::s_nrOfInstances = 0; // constructor Punkt::Punkt() : m_x(0), m_y(0), m_z(0) { s_nrofinstances++; // destructor Punkt::~Punkt() { s_nrofinstances--; // methods int Punkt::getNrOfInstances() { return s_nrofinstances; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

13 Default-Methoden Klassen haben eine Reihe von Methoden, die der Compiler automatisch bei Bedarf erzeugt, falls Sie diese Methoden nicht selber deklarieren. Standard-Konstruktor C::C() nur wenn der Benutzer keinen eigenen Konstruktor deklariert Destruktor C::~C() nur wenn der Benutzer keinen eigenen Destruktor deklariert Kopieroperationen (flache Kopie) nur wenn der Benutzer keine Verschiebeoperationen deklariert Kopierkonstruktor C::C(const C&) Zuweisungsoperator C& operator=(const C&) Verschiebeoperationen (C++11) nur wenn der Benutzer keine Kopieroperationen deklariert Verschiebekonstruktor C::C(C&&) Verschiebeoperator C& operator=(c&&) Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

14 Konstruktoren (1) Primitive Datentypen besitzen keine Konstruktoren Konstruktoren heissen gleich wie die Klasse und initialisieren die Attribute eines Objekts aggregierte Objekte werden durch zugehörige Konstruktoren initialisiert primitive Attribute müssen initialisiert werden (keine automatische Initialisierung) können nur bei der Erzeugung von Objekten mit gleichzeitiger Initialisierung aufgerufen werden Beispiel class Punkt { Punkt(double x, double y, double z, int color) { m_x = x; m_y = y; m_z = z; m_color = color; Anwendung Punkt p2(1, 2, 3, 5); Punkt *p1 = new Punkt(4, 5, 6, 8); Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

15 Konstruktoren (2) Verwendung von Initialisierungslisten class Punkt { Punkt(double x, double y, double z, int color) : m_x(x), m_y(y), m_z(z), m_color(color) { // weiterer Code Standard-Konstruktor keine Übergabeparameter wenn Sie keinen eigenen Konstruktor definieren, dann stellt der Compiler einen vordefinierten Standard-Konstruktor bereit Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

16 Typkonvertierungs-Konstruktor wird zur impliziten Konvertierung herangezogen enthält üblicherweise nur ein Argument (wird mit nur einem Argument aufgerufen) soll ein Konstruktor mit einem Argument nicht als impliziter Typkonvertierungs- Konstruktor missbraucht werden können, so muss vor dem Konstruktor das Schlüsselwort explicit geschrieben werden Beispiel Punkt(double d[4]) : m_x(d[0]), m_y(d[1]), m_z(d[2]), m_color(static_cast<int>(d[3])) { Anwendung double array[4] = { 4.4, 3.3, 2.2, 5.0 ; Punkt p = array; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

17 Kopierkonstruktor wird zum Kopieren eines Objektes verwendet (flache oder tiefe Kopie) verwendet einen Parameter: Referenz auf konstantes Objekt wenn Sie keinen eigenen Kopierkonstruktor und keine Verschiebeoperation definieren, dann stellt der Compiler einen vordefinierten Kopierkonstruktor für eine flache Kopie bereit wird ein eigener Kopierkonstruktor angeboten, so sollte auch der Zuweisungsoperator angeboten werden Beispiel Punkt(const Punkt& p) : m_x(p.m_x), m_y(p.m_y), m_z(p.m_z), m_color(p.m_color) { // flache Kopie: hier wäre der automatisch generierte Kopierkonstruktor ausreichend Anwendungen Punkt p(1, 2, 3, 4); Punkt p1 = Punkt(1, 2, 3, 4); // gleichwertig zu Punkt p(1, 2, 3, 4) Punkt p2(p); // expliziter Aufruf des Kopierkonstruktors Punkt p3 = p; Punkt p4; p4 = Punkt(2, 3, 4, 5); // impliziter Aufruf des Kopierkonstruktors // schlecht: Standardkonstruktor, Konstruktor und Zuweisungsoperator Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

18 RAII: Resource Allocation is Initialization Grundsätze beim Erzeugen eines Objekts (einer Ressource) muss das Objekt initialisiert werden Aufgabe des Konstruktors beim ordentlichen Verlassen des Konstruktors immer ein gültiges Objekt zurücklassen im Fehlerfall sollte der Konstruktor mit einer Exception beendet werden, das bedeutet, dass bereits angeforderte Ressourcen wieder freigegeben werden müssen problematisches Beispiel: kann zu memory leak führen struct StereoImage { ; Image *left, *right; StereoImage() : left(new Image), right(new Image) { ~StereoImage() { delete left; delete right; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

19 RAII: Einfacher Lösungsansatz Idee wird ein Objekt infolge einer Exception nicht vollständig initialisiert, so müssen die einzelnen Teile des Objektes sich selbständig abbauen Beispiel #include <memory> // unique_ptr in C++11 struct StereoImage { std::unique_ptr<image> left, right; StereoImage() : left(new Image), right(new Image) { ~StereoImage() { delete left; delete right; ; Was passiert bei einer Exception in right(new Image)? StereoImage gilt als nicht erzeugt, daher wird der Destruktor nicht aufgerufen bereits angelegter Speicher (left) wird zurückgebaut, indem allfällige Destruktoren der bereits angelegten Attribute aufgerufen werden Speicher für das linke Bild wird freigegeben Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

20 Performance-Verbesserungen Beispiel: Fabrik mit temporären Objekten innerhalb einer (statischen) Methode werden Objekte erzeugt und über den Rückgabewert zurückgegeben (in der Fabrik werden die Objekte selber nicht benötigt) Java: in der Fabrik können nur Objekte auf dem Heap erstellt werden und die Fabrik gibt die Referenz auf das Objekt auf dem Heap zurück C++: in der Fabrik können auch Objekte auf dem Stack erstellt werden; wird ein solches Objekt zurückgegeben, so muss es per value (also durch Kopieren) zurückgegeben werden string Factory() { string tmp("text"); return tmp; // das String-Objekt liegt auf dem Stack, // die eigentliche Zeichenkette aber auf dem Heap string s = Factory(); C++11: neuerdings kann das Objekt mittels move-semantik zurückgegeben werden, d.h. der Inhalt des temporären Objektes wird von der Fabrik nach aussen verschoben und ist danach in der Fabrik nicht länger verfügbar Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

21 Verschiebeoperationen (C++11) werden zum Verschieben eines Objektes verwendet (Move-Semantik) verwenden einen Parameter: Rechtswert-Referenz auf Objekt wenn Sie keinen eigenen Verschiebekonstruktor und keine Kopieroperation definieren, dann stellt der Compiler einen vordefinierten Verschiebekonstruktor bereit wird ein eigener Verschiebekonstruktor angeboten, so sollte auch der Verschiebeoperator angeboten werden Beispiel class Vector { Punkt *m_array; int m_size; public: // benötigt eigenen Standardkonstruktor und Destruktor Vector(Vector&& v) : m_array(v.m_array), m_size(v.m_size) { v.m_array = nullptr; v.m_size = 0; Vector& operator=(vector&& v) { m_size = v.m_size; v.m_size = 0; delete[] m_array; m_array = v.m_array; v.m_array = nullptr; return *this; ; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

22 Move-Semantik Beispiel (C++11) Vector createvector() { Vector v; v.add(punkt(1,2,3)); v.add(punkt(4,5,6)); Vector v2; v2 = move(v); // ruft den Verschiebeoperator auf, falls vorhanden // v enthält keine Punkt-Objekte mehr return move(v2); // übergibt den Vektor mittels Verschiebeoperation, // wenn Verschiebeoperation vorhanden ist int main() { Vector v1(createvector()); // ruft den Verschiebekonstruktor auf, falls vorhanden Vector v2 = createvector(); // dito Vector v3; // ruft Standardkonstruktor auf v3 = createvector(); // ruft den Verschiebeoperator auf, falls vorhanden Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

23 Anonyme (temporäre) Objekte Objekte haben keinen Namen werden nur kurzfristig (temporär) benutzt nach dem Aufruf verschwinden statische, anonyme Objekte wieder kurze Lebensdauer Beispiele Punkt(1, 2, 3, 4).print(); (new Punkt(2, 3, 4, 5))->print(); // anonymes Objekt // schlecht: verwaistes, anonymes dyn. Objekt Complex c1(1, 2); Complex c2 = c1*complex(1, -2); // welche Konstruktoren werden hier aufgerufen? Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS

24 Neue C++11-Features Einheitliche Initialisierungssyntax Punkt p{1, 2, 3, 4; im Konstruktor: Punkt::Punkt() : m_x{0, m_y{0, m_z{0 { Instanzvariablen-Initialisierung (wie in Java) class Punkt { double m_x = 1, m_y(1), m_z{1; Konstruktor-Delegation besitzt eine Klasse mehrere Konstruktoren, so darf der eine Konstruktor den anderen in seiner Initialisierungsliste aufrufen Punkt::Punkt(double x, double y, double z, Color c) : m_x{x, { Punkt::Punkt() : Punkt(1, 1, 1, 0) { Automatisch generierte Konstruktoren/Zuweisungsoperatoren löschen möchte man beispielsweise die Verwendung des Kopierkonstruktors und des Zuweisungsoperators verunmöglichen, weil nur die Move-Semantik verwendet werden soll, so kann dem Compiler die Löschung dieser automatisch generierten Methoden beauftragt werden Punkt::Punkt(const Punkt&) = delete; Prof. Dr. C. Stamm Programmieren in C++, FS