Objektorientierte Programmierung mit C++ Zusammenfassung der wichtigsten Topics rund um die objektorientierte Programmierung mit C++11

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1 Objektorientierte Programmierung mit C++ Zusammenfassung der wichtigsten Topics rund um die objektorientierte Programmierung mit C++11

2 Wozu objektorientiertes Programmieren? Die Welt besteht für den Menschen aus Objekten, OOP ermöglicht diese Sicht der Dinge als Computerprogramm abzubilden. Komplexe Objekte in der reellen Welt bestehen meist selbst aus komplexen Objekten die wiederum aus Objekten bestehen. Am Ende dieser Kette wird die Komplexität der Objekte meist überschaubarer. Beispiel: Ein Auto besteht aus sehr vielen Objekten wie Motor, Räder, Lenkrad, Karosserie und vieles mehr, wobei z.b. der Motor auch wieder aus vielen unterschiedlichen Einzelteilen besteht. Und das Wichtigste: Objektorientierte Programmierung unterstützt wie kein anderer vorher bekannter Ansatz wiederverwendbaren Source-Code zu schreiben. Dies wird vor allem mit Mitteln wie Vererbung und Polymorphismus ermöglicht. Gut gebaute objektorientierte Programme sind gut lesbar und können meist von anderen Programmieren einfach nachvollzogen werden.

3 Die wichtigsten objektorientierten Begriffe: Klassen, Objekte Attribute, Member Methoden Konstruktor Information-hiding Überladen (von Methoden) Vererbung Überschreiben (von Methoden) Polymorphismus

4 Von C nach C++, Erweiterungen und Analogien: C++ Klassen Objekte Attribute, Member Methoden Konstruktor, Destruktor Überladen, Vererbung, Überschreiben, Polymorphismus Entsprechung in C Datentyp wie int oder char etc. (Klassen gibt es in C nicht, struct ist ein erster Schritt in Richtung Klasse) Variablen welche von einem Datentyp angelegt werden können. Daten die innerhalb einer Struktur (struct) deklariert werden. Funktionen Gibt es in C nicht, hat aber eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Anlegen und ggf. Initialisieren einer Variablen. Gibt es in C nicht

5 Klassen und Objekte Klassen sind eine Art Bauplan für neue Datentypen, bzw. für Objekte. Objekte können (wie Variablen in C) von einer Klasse angelegt und ggf. Initialisiert werden. Klassen bestehen grundsätzlich aus zwei Dingen: aus Daten (entweder Variablen von Datentypen die es auch in C gibt, wie int, float oder char etc. oder aus Objekten) und aus Methoden (Funktionen). Beispiel: Ein Rechenprogramm soll ausser mit Ganzzahlen (int) und Fliesskommazahlen (float) auch mit Brüchen die Grundrechenoperationen wie +,-,* und / ermöglichen. Es gibt aber keinen 'Variablentyp' Bruch in C oder C++. Also schreiben wir selbst den Bauplan für den Datentyp Bruch: class Bruch { int zaehler, nenner; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int ; //Methoden (Funktionen, in diesem Fall die Grundrechenoperationen) //im Moment nur angedeutet add() sub() mul() div() in einer main() Funktion, oder sonst irgendwo, könnten dann neben int oder float Variablen auch Objekte (Variable) von unserem neuen Datentyp erzeugt werden: int main() { Bruch z1, z2, a; //Objekte (Variablen) vom Typ Bruch int x; //Variable vom Typ int float y; //Variable vom Typ float

6 Member oder Attribute vs. Methoden Member oder Attribute sind quasi die Substanz eines Objekts, also das Material oder die Bestandteile, aus dem es besteht. Z.B. besteht ein Mensch aus Haut, Knochen, Organen, Augen und vieles mehr. In unserer Beispielklasse Bruch, besteht dieser aus zwei Ganzzahlen nämlich Zähler und Nenner. Wir haben es hier also mit einem extrem einfachen Bauplan zu tun, wenn wir das mit dem biologischen Bauplan eines Menschen vergleichen würden. Methoden erwecken die Bauteile (Member, Attribute) zum Leben. In prozeduralen Sprachen wie C würde man dazu Funktionen, Prozeduren oder Unterprogramme sagen, in C++ nennt man es Methoden, sofern sie innerhalb einer Klasse definiert sind. Beispiele: Wenn ein Mensch als Member zwei Augen hat, dann wäre die dazugehörende Methode (oder Funktion) sehen(). Oder, wenn eine Uhr als Member ein mechanisches Uhrwerk hat, dann könnte eine Methode z.b. ticken() heissen.

7 Konstruktor Das Beispiel mit der Klasse Bruch auf der vorigen Folie ermöglicht es zwar einen neuen Bruch anzulegen, aber noch nicht ihn mit Werten zu initialisieren, wie wir das z.b. mit einer int Variable tun könnten: int a=5; Um dies mit selbst definierten Datentypen (Klassen) zu ermöglichen, gibt es in objektorientierten Sprachen den Konstruktor. Ein Konstruktor ist eine Methode (Funktion) in der Klasse. Er hat den selben Namen wie die Klasse selbst. Er wird immer beim Anlegen eines Objekts der Klasse aufgerufen, und kann sonst nicht aufgerufen werden: class Bruch { public: int z, n; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int //Konstruktor (hat keinen Rückgabewert nicht mal void) Bruch(int zaehler, int nenner) : z(zaehler),n(nenner) { ; Nun können Bruch-Objekte auch initialisiert werden: int main() { Bruch z1(2,3); //legt den Bruch 2/3 an -> der Konstruktor von Bruch wird aufgerufen int x=4; //Variable vom Typ int wird mit 4 initialisiert float y; //Variable vom Typ float //mit dem. Operator kann ein Datenelement von z1 angesprochen werden cout << z1.z //gibt zähler von z1 aus, hier in diesem Fall wäre das 2

8 Methoden Um mit einem erstellten Objekt, d.h. mit seinen Daten (Membern, Attributen), in unserem Fall mit zaehler und nenner etwas machen zu können, z.b. rechnen, muss der Klasse Funktionalität in Form von Methoden hinzugefügt werden. Soll z.b. von einem erstellten Bruch der Fliesskommawert ermittelt werden können, muss dafür eine Methode in der Klasse Bruch geschrieben werden: class Bruch { public: int zaehler, nenner; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int //Konstruktor (hat keinen Rückgabewert nicht mal void) Bruch(int zaehler, int nenner) : zaehler(zaehler),nenner(nenner) { ; //Methoden: //tofloat() gibt den Bruch als Fliesskommawert zurück float tofloat() { return (float)zaehler/(float)nenner; Nun kann die Methode über den. Operator aufgerufen werden. (Wie in C bei Strukturen, nur dass jetzt auch Methoden angesprochen werden) int main() { Bruch z1(2,3); //legt den Bruch 2/3 an, d.h. der Konstruktor von Bruch wird aufgerufen float b=z1.tofloat(); //ruft die Methode tofloat des Obektes z1 auf, welche einen //float Wert zurückgibt.

9 Methoden Wir möchten mit unseren Bruch-Objekten rechnen können, so wie wir das von int oder float Zahlen gewohnt sind: int a=3, b=6, c=a*b+3; Ein erster Schritt in diese Richtung ist das Hinzufügen von Methoden für Rechenoperationen. Da wir als Ergebnis einer Rechenoperation mit Brüchen wiederum einen Bruch erhalten, muss einer Methode ein Bruch als Parameter übergeben werden und sie muss einen Bruch zurückgeben können: class Bruch { public: int zaehler, nenner; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int //Konstruktor (hat keinen Rückgabewert nicht mal void) Bruch(int zaehler, int nenner) : zaehler(zaehler),nenner(nenner) { ; //Methoden: //tofloat() gibt den Bruch als Fliesskommawert zurück float tofloat() { return (float)zaehler/(float)nenner; //mul() multipliziert den Bruch mit einem anderen Bruch Bruch mul(bruch b) { Bruch result(b.zaehler*zaehler,b.nenner*nenner); //hier wird ein neuer Bruch //erzeugt und direkt //mit dem Rechenergebnis initialisiert return result; Nun kann man einen Bruch multiplizieren und das Ergebnis als float Wert ausgeben: int main() { Bruch z1(1,3),z2(1,4); //legt die Brüche 1/3 und 1/4 an cout << z1.mul(z2).tofloat(); //z1 ruft mul() mit dem Parameter z2 auf. Das Ergebnis ist ein //Bruchobjekt, dessen Methode tofloat() aufgerufen wird. Der //erhaltene float Wert wird dann mit cout ausgegeben.

10 Methoden: Häufiger Denkfehler Programmierer die bisher ausschliesslich prozedural programmiert haben, stolpern im Zusammenhang mit Methoden häufig über folgendes: Wenn sie z.b. in der Klasse Bruch eine Methode zum Addieren schreiben sollen, machen sie so etwas: class Bruch { Bruch add(bruch b1, Bruch b2){ hier wird prozedural gedacht! Sie können sich nicht von der Vorstellung lösen, dass eine Methode die irgendwas mit zwei Daten machen soll, auch zwei Parameter braucht. Sie übersehen dabei, dass in der OOP, Daten und Methoden vereint sind, jedes Objekt hat seine eigenen Methoden. In unserem Fall heisst das, dass sich ein Objekt der Klasse Bruch mit einem anderen Bruch-Objekt addiert und nicht, dass es eine Methode gibt, die zwei Brüche addiert: class Bruch { Bruch add(bruch b){

11 Prozedurales Denken in der reellen Welt Würden wir Menschen prozedural funktionieren, so hätte ein Mensch nicht die Möglichkeit einem andern Menschen die Hand zu geben, sondern es müsste für zwei Menschen die sich die Hand geben wollen, eine Funktion (vielleicht eine Maschine) existieren, welche die Hand des einen Menschen nimmt und sie dem anderen Menschen reicht. Das klingt absurd, aber so werden Handlungen oder Operationen in der prozeduralen Programmierung umgesetzt.

12 Übungen Fügen Sie der Klasse Bruch folgende Methoden für die restlichen Rechenoperationen hinzu: Bruch div(bruch b) //bestehenden Bruch mit b dividieren Bruch add(bruch b) //bestehenden Bruch mit b addieren Bruch sub(bruch b) //bestehenden Bruch mit b subtrahieren Fügen Sie der Klasse Bruch eine Methode hinzu mit welcher der Bruch wie folgt ausgeben ausgegeben wird: (1/5) void ausgeben()

13 Informationhiding Bisher haben wir gesehen, dass es eine Ähnlichkeit zwischen einer Struktur struct in C, und einer Klasse class in C++ gibt. Beide können einen neuen Datentyp definieren, indem mehrere Variablen (Member) in einer Art Bauplan zusammengefasst werden, auf die dann - nachdem eine Variable (Objekt) von diesem neuen Datentyp erzeugt wurde - über den. Operator zugegriffen werden kann: Bruch b; cout << b.zaehler << '/' << b.nenner << endl; Wenn wir uns die Klasse Bruch auf den vorigen Folien anschauen gibt es dort ein Wort, public, welches bisher noch nicht erklärt wurde. Wenn dieses Wort dort nicht stünde, könnte der obige Programmtext nicht compiliert werden, weil dann alle Member und Methoden der Klasse per default private deklariert wären. Auf private gesetzte Member oder Methoden darf nur innerhalb der Klassendefinition zugegriffen werden. Wenn wir aber in main() ein Objekt von Bruch anlegen, sind wir nicht mehr innerhalb der Klasse Bruch und haben nun keinen Zugriff mehr auf Member und Methoden von Bruch. Es würde natürlich keinen Sinn machen sämtliche Member und Methoden einer Klasse private zu setzen, dann könnte man mit einem Objekt dieser Klasse nichts mehr machen. Aber es macht durchaus Sinn bestimmte Teile einer Klasse private zu setzen.

14 Informationhiding Es würde z.b. Sinn machen, nur die Member private zu setzen (und sie damit für den direkten Zugriff zu sperren), aber die Methoden mit public frei zu geben: gesperrter oder "versteckter" Bereich öffentlicher oder "sichtbarer" Bereich class Bruch { private: int zaehler, nenner; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int ; //Konstruktor (hat keinen Rückgabewert nicht mal void) Bruch(int zaehler, int nenner) : zaehler(zaehler),nenner(nenner) { public: //Methoden: //tofloat() gibt den Bruch als Fliesskommawert zurück float tofloat() { return (float)zaehler/(float)nenner; //mul() multipliziert den Bruch mit einem anderen Bruch Bruch mul(bruch b) { Bruch result(b.zaehler*zaehler,b.nenner*nenner); //hier wird ein neuer Bruch //erzeugt und direkt //mit dem Rechenergebnis initialisiert return result; Zum Nachdenken: Wieso würde es hier Sinn machen den direkten Zugriff ausserhalb der Klasse Bruch auf zaehler und nenner zu unterbinden?

15 Informationhiding: Zugriff auf private Member Will man aus bestimmten Gründen den Zugriff auf private Member ermöglichen, so kann man das über eine public Methode tun: In dieser Klasse wird der den Zugriff auf zaehler und nenner ermöglicht, aber nur lesend: int main() { Bruch b(2,7); cout << b.zaehler(); Falls ein Schreibzugriff erwünscht ist, braucht es noch Methoden, die zaehler und nenner setzen, z.b. setnenner(int n) class Bruch { private: int zaehler,nenner; public: int zaehler() { return zaehler; int nenner() { return nenner;... Übung: Fügen Sie der Klasse Methoden hinzu, die zaehler und nenner verändern können.

16 Überladen von Methoden Angenommen, wir möchten in unserer Klasse, dass ein Bruch nicht nur mit einem Bruch multipliziert werden kann, sondern auch mit einer Zahl vom Typ int. Das könnte dann in etwa so aussehen: class Bruch { public: int zaehler, nenner; //Member (Variablen) Zähler und Nenner vom Typ int //Konstruktor (hat keinen Rückgabewert nicht mal void) Bruch(int zaehler, int nenner) : zaehler(zaehler),nenner(nenner) { //Methoden: //tofloat() gibt den Bruch als Fliesskommawert zurück float tofloat() { return (float)zaehler/(float)nenner; //mul() multipliziert den Bruch mit einem anderen Bruch Bruch mul(bruch b) { Bruch result(b.zaehler*zaehler,b.nenner*nenner); //hier wird ein neuer Bruch //erzeugt und direkt //mit dem Rechenergebnis initialisiert return result; ; //mulint() multipliziert einen Bruch mit einer int Zahl Bruch mulint(int z) { Bruch result(zaehler*zahl,nenner); return result;

17 Überladen von Methoden Um nun Bruch-Objekte zu multiplizieren, muss die richtige Methode ausgewählt werden, je nachdem ob ein Bruch mit einem Bruch, oder aber mit einem int-wert multipliziert wird: int main { Bruch b(2,5), c(1,2); cout << b.mulint(3).tofloat() << endl; //Bruch wird mit int multipliziert cout << b.mul(c).tofloat() << endl; //Bruch wird mit Bruch multipliziert Wenn man sich vorstellt, dass es noch weitere Datentypen gibt mit denen ein Bruch multipliziert werden kann, wie z.b. float und double, dann muss man sich weitere Methodennamen ausdenken für jeden Typ einen, z.b. mulfloat() und muldouble(). Die Folge dieses Vorgehens: Ein Anwender der Klasse muss wissen wie die einzelnen Methoden heissen um Brüche mit allen möglichen Datentypen korrekt multiplizieren zu können.

18 Überladen von Methoden OOP bietet hier eine bessere Möglichkeit, nämlich Überladen: Die verschiedenen Methoden zur Multiplikation der verschiedenen Datentypen erhalten alle den gleichen Namen, sie unterscheiden sich nur durch die Parameter, die ihnen übergeben werden: class Bruch { Bruch mul(bruch b) { Bruch mul(int zahl) { Bruch mul(float zahl) { ;

19 Nutzen der Überladung In unserem Fall: Der Anwender eines Bruchs muss für die Multiplikation von Brüchen mit unterschiedlichen Datentypen nur noch einen Methodennamen wissen, die Auswahl der Methode für den richtigen Datentyp übernimmt der Compiler! int main() { int a=7; Bruch b(2,5); float zahl=3.6; //egal mit welchem Datentyp der Bruch multipliziert //wird, immer wird mul() aufgerufen cout << b.mul(a).tofloat() << endl; cout << b.mul(zahl).tofloat() << endl; cout << b.mul(b).tofloat() << endl;

20 Vererbung Vererbung ist eine der wichtigsten Erweiterung in der OOP gegenüber prozeduraler Programmierung. Sie ermöglicht vor allem folgendes: Die Wiederverwendung von bestehendem Source-Code. Das bedeutet, dass Teile einer bestehenden Funktions -oder besser Klassenlibrary (z.b. Qt, eine mächtige Bibliothek um graphische Benutzeroberflächen zu programmieren) beliebig für eigene Bedürfnisse angepasst werden können, ohne den bestehenden Quellcode anzurühren. Vermeidung von redundantem, d.h. gleichen oder ähnlichen Source-Code an mehreren Stellen in einem Programm. Wie funktioniert das? Beispiel: Angenommen, auf dem Internet stellt jemand eine perfekte C++ Klasse Bruch zum Download zur Verfügung, mit allen Möglichkeiten, um mit einem Bruch rechnen zu können. Wieso sollten wir so etwas (ausser zu Übungszwecken) noch mal programmieren? Beim Verwenden der Klasse sind wir begeistert, dass wir uns mit dem Download viel Arbeit gespart haben, nur leider gefällt uns die Ausgabe des Bruchs nicht. Der Bruch wird so ausgegeben: (3,4) wir hätten aber gerne dass der Bruch in der Form: 3/4 ausgeben wird.

21 Vererbung Dazu schreiben wir eine neue Klasse und erben von der bestehenden Klasse Bruch: