Mapra: C++ Teil 6. Felix Gruber, Sven Groß. IGPM, RWTH Aachen. 13. Juni 2017

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1 Mapra: C++ Teil 6 Felix Gruber, Sven Groß IGPM, RWTH Aachen 13. Juni 2017 Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

2 Was bisher geschah Klassen I Attribute und Methoden Konstruktoren und Destruktor Zugriffskontrolle Klassendesign Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

3 Wie es heute weiter geht Klassen II 1 Initialisierungsliste in Konstruktoren 2 Statische Elemente 3 Zugriffskontrolle: protected 4 Vererbung 5 Polymorphie Virtuelle Methoden Abstrakte Basisklassen Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

4 Initialisierungslisten für Attribute im Konstruktor Beispiel: Konstruktor der Vektor-Klasse: Vektor :: Vektor ( size_t l) // hier wird das Attribut std :: vector < double > Vek // per Default - Konstruktor erzeugt { // noch ist Vek ein leerer Vektor this -> ReDim (l); } besser: statt leerem Vektor Vek direkt Vektor der Länge l mit entsprechendem vector-konstruktor erzeugen Initialisierungsliste Vektor :: Vektor ( size_t l) : Vek ( l) // Init. liste {} Reihenfolge der Initialisierungsliste = Reihenfolge der Attribute in der Klasse! Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

5 Impl. Typecast durch expliziten Konstruktor verhindern Konstruktoren mit einem Argument werden auch zur impliziten Typumwandlung benutzt. Beispiel: Bruch-Konstruktor Bruch( int z, int n=1); Bruch b (4,3); // b = 4/3 Bruch c= 2* b; // impl. Cast : 2 -> Bruch // dann operator * fuer Bruch * Bruch Wenn das nicht gewollt ist, explicit benutzen! Beispiel: Vektor-Konstruktor explicit Vektor(size_t l); Vektor x (7); // 7- elementiger Vektor x= x +3; // Compiler - Fehler dank explizitem Konstr. Verhalten ohne explicit: x= x +3; // impl. Cast : 3 -> Vektor // dann operator + fuer Vektor + Vektor Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

6 Statische Elemente Statische Elemente ex. 1 pro Klasse, unabhängig vom einzelnen Objekt Initialisierung statischer Attribute außerhalb des Konstruktor Statische Methoden dürfen nur auf statische Attribute zugreifen class Counter { // Diese Klasse zaehlt alle ihre Objekte private : static int Anzahl ; public : Counter () { ++ Anzahl ; } Counter ( const Counter &) { ++ Anzahl ; } ~ Counter () { -- Anzahl ; } }; static int Wieviele () { return Anzahl ; } int Counter :: Anzahl = 0; // Init. bei Programmstart Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

7 Statische Elemente (2) Counter a; cout << a. Wieviele () << endl ; // 1 { Counter b, c; cout << b. Wieviele () << endl ; // 3 } cout << Counter :: Wieviele (); // Aufruf ohne Objekt // 1 Weil statische Methoden keinem bestimmten Objekt zugeordnet sind, können sie auch ohne Objekt aufgerufen werden: Counter::Wieviele(); enthalten sie keinen this-zeiger dürfen sie nicht auf nicht-statische Elemente zugreifen können sie nicht mit const qualifiziert werden Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

8 Zugriffskontrolle: protected class Form2D { private : int farbe ; protected : double hoehe, breite ; public : Form2D ( double h =0, double b =0); // Konstruktor void setzegroesse ( double h, double b) { hoehe = h; breite = b; } }; protected markiert geschützten Bereich der Klasse weitere Stufe zwischen private und public: Zugriff public protected private eigene Methoden + Friends abgeleitete Methoden alle anderen Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

9 Vererbung class Rechteck : public Form2D { public : double Flaeche () const { return hoehe * breite ; } }; class Dreieck : public Form2D { double winkel ; public : double Flaeche () const { return hoehe * breite /2; } }; Klassen Rechteck und Dreieck sind von Klasse Form2D abgeleitet und erweitern diese. Form2D ist gemeinsame Basisklasse. abgeleitete Klassen erben Methoden und Attribute der Basisklasse, z.b. Dreieck hat Methoden setzegroesse, Flaeche und Attribute winkel, breite, hoehe (sowie farbe ohne Zugriff). Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

10 Vererbung (2) Form2D f( 1, 2); Rechteck r; // Rechteck r( 1, 2); nicht erlaubt, // Konstruktor nicht geerbt Dreieck d; f. setzegroesse ( 3, 4); r. setzegroesse ( 3, 4); d. setzegroesse ( 3, 4); cout << r. Flaeche () << endl ; // 12 cout << d. Flaeche () << endl ; // 6 Form2D * fzeiger = & d; fzeiger - > setzegroesse ( 4, 4); cout << d. Flaeche () << endl ; // 8 Konstruktoren, Destruktor, Zuweisungsoperator und Friends werden nicht vererbt Dreieck ist eine Form2D: abgeleitete Klasse kann aus Sicht der Basisklasse angesprochen werden Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

11 Vererbung ist-ein vs. hat-ein Vererbung bildet Ist-ein-Relation ab: Ein Dreieck ist eine Form2D weitere Vererbungen denkbar: z.b. Quadrat ist ein Rechteck, Kugel ist eine Form3D class Quadrat : public Rechteck {...}; class Kugel : public Form3D {...}; kennen schon: ifstream ist ein istream Form Form2D Rechteck Quadrat Form3D Dreieck Aber: SudokuSolver ist kein Sudoku, sondern hat ein Sudoku Hat-ein-Relation durch Attribut ausdrücken SudokuSolver besitzt ein Sudoku-Objekt als Attribut Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

12 Vererbung und Konstruktoren Konstruktoren in abgeleiteten Klassen erzeugen nur eigene Attribute, geerbte Attribute werden durch Basisklasse erzeugt! Reihenfolge: erst Basisklassen-Attribute, dann die eigenen Attribute Dreieck :: Dreieck ( double b, double h, double w) : Form2D ( b, h), winkel ( w) {} oder ohne Initialisierungsliste: Dreieck :: Dreieck ( double b, double h, double w) { // Basisklassen - Atrribute wurden per // Default - Konstruktor Form2D () erzeugt winkel = w; breite = b; hoehe = h; } Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

13 Vererbung und implizite Elemente Konstruktoren, Destruktor, Zuweisungsoperator werden nicht vererbt implizit definiert, falls nichts anderes angegeben Destruktoren in abgeleiteten Klassen kümmern sich um eigene Attribute, danach wird automatisch Destruktor der Basisklasse gerufen Dreieck ::~ Dreieck () { cout << " Dreieck wird zerstoert... " << endl ; } // hier wird automatisch ~ Form () aufgerufen impliziter Kopierkonstruktor ruft Kopierkonstruktor der Basisklasse auf, anschließend werden Kopien der eigenen Attribute erzeugt impliziter Zuweisungsoperator ruft Zuweisungsoperator der Basisklasse auf, anschliesend werden eigene Attribute zugewiesen Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

14 Vererbung Zugriffsklassen fast immer public-vererbung: Zugriffsklassen der geerbten Elemente bleiben erhalten z.b. Dreieck::setzeGroesse Dreieck::hoehe Dreieck::breite // farbe ohne Zugriff in Dreieck selten: protected-vererbung: alle geerbten public-elemente werden protected public protected protected class Rechteck : protected Form2D { public : double Flaeche () const { return hoehe * breite ; } }; Rechteck::setzeGroesse ist protected selten: private-vererbung: alle geerbten public- und protected-elemente werden private Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

15 class Dreieck : public Form2D { double winkel ; public : double Flaeche () const { return hoehe * breite /2; } }; Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22 Beispiel Vererbung class Form2D { private : int farbe ; protected : double hoehe, breite ; public : Form2D ( double h =0, double b =0); // Konstruktor void setzegroesse ( double h, double b); double Flaeche () const { return -1; } }; class Rechteck : public Form2D { public : double Flaeche () const { return hoehe * breite ; } };

16 Beispiel Vererbung (2) Form2D f( 1, 2); Rechteck r; // Rechteck r( 1, 2); nicht erlaubt, // Konstruktor nicht geerbt Dreieck d; r. setzegroesse ( 3, 4); d. setzegroesse ( 3, 4); cout << r. Flaeche () << endl ; // 12 cout << d. Flaeche () << endl ; // 6 Form2D * fzeiger = & d; fzeiger - > setzegroesse ( 4, 4); cout << d. Flaeche () << endl ; // 8 cout << fzeiger - > Flaeche () << endl ; // -1 Dreieck ist eine Form2D: abgeleitete Klasse kann aus Sicht der Basisklasse angesprochen werden Schön wäre, wenn fzeiger->flaeche() Fläche des Dreiecks liefern würde möglich mit virtuellen Methoden Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

17 Virtuelle Methoden und Polymorphie class Form2D {... public :... virtual double Flaeche () const { return -1; } }; Virtuelle Methoden ermöglichen Zugriff auf abgeleitete Methoden via Basisklasse Polymorphie: Basisklasse kann verschiedene Gestalten annehmen, verhält sich wie abgeleitete Klassen Klassen mit virtuellen Methoden heißen polymorph Form2D * fzeig = &f, * rzeig = &r, * dzeig = &d; cout << fzeig - > Flaeche () << endl ; // -1 cout << rzeig - > Flaeche () << endl ; // 12 dank Polymorphie cout << dzeig - > Flaeche () << endl ; // 8 dank Polymorphie Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

18 Polymorphie und virtueller Destruktor Normaler Destruktor führt zu Problemen: Form2D * zeig = new Dreieck ; // Dreieck - Konstruktor... // -> Form2D - Konstruktor delete zeig ; // nur Form2D - Destruktor!!! Polymorphie benötigt i.d.r. virtuellen Destruktor der Basisklasse: virtual ~Form2D(); delete bewirkt Aufruf des Dreieck-Destruktors im obigen Beispiel Besonders wichtig bei dynamischer Speicherverwaltung, sonst Speicherlecks Best Practice: polymorphe Klassen immer mit virtuellem Destruktor Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

19 Späte Bindung und vtables normale Methoden: Aufruf bekannt zur Compile-Zeit, frühe Bindung virtuelle Methoden: Aufruf erst zur Laufzeit bekannt, späte Bindung Wie funktioniert das? Polymorphe Klasse speichert intern Zeiger vptr auf Tabelle vtable mit Funktionszeigern vtable wird durch Konstruktor der abgeleiteten Klasse automatisch richtig initialisiert Aufruf virtueller Methoden indirekt über vptr statt direkt, daher etwas teurer passiert automatisch im Hintergrund Objekte Dreieck d Form2D vptr Rechteck r Form2D vptr vtable &Dreieck::Flaeche &Dreieck::~Dreieck &Rechteck::Flaeche &Rechteck::~Rechteck elix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

20 Abstrakte Basisklassen Rein virtuelle Methoden (pure virtual) gekennzeichnet durch = 0 class Form2D {... public :... virtual double Flaeche () const = 0; }; Klassen mit rein virtuellen Methoden heißen abstrakt können keine Objekte bilden einziger Zweck: Schnittstellen-Definition Abgeleitete Klassen müssen rein virtuelle Methoden überschreiben (Implementierung der Schnittstelle), um Objekte bilden zu können // Form2D f; // nicht erlaubt, da abstrakte Basisklasse Rechteck r; // Rechteck nicht abstrakt, // da Methode Flaeche () ueberschrieben wird Form2D * zeig = &r; // ok Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

21 Abstrakte Basisklassen Beispiel 1 class Form2D { // als abstrakte Klasse 2 protected : 3 double hoehe, breite ; 4 public : 5 Form2D ( double h, double b) { setztegroesse ( h, b); } 6 void setzegroesse ( double h, double b); 7 virtual double Flaeche () const = 0; // rein virtuell 8 virtual string Name () const { return " Form2D "; } 9 virtual ~ Form2D () {} // best practice 10 }; class Dreieck : public Form2D { // nicht abstrakt 13 public : 14 Dreieck ( double h, double b) : Form2D ( h, b) {} 15 double Flaeche () const { return hoehe * breite /2; } 16 string Name () const { return " Dreieck "; } 17 }; class Rechteck : public Form2D { // nicht abstrakt 20 public : 21 Rechteck ( double h, double b) : Form2D ( h, b) {} 22 double Flaeche () const { return hoehe * breite ; } 23 string Name () const { return " Rechteck "; } 24 }; class Quadrat : public Rechteck { // nicht abstrakt 27 public : 28 Quadrat ( double b) : Rechteck ( b, b) {} 29 string Name () const { return " Quadrat "; } 30 }; Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22

22 Abstrakte Basisklassen Beispiel (2) void Info ( const Form2D & f) { // funktioniert dank Polymorphie cout << f. Name () << " hat Flaeche " << f. Flaeche () << endl ; } int main () { Dreieck d( 2, 3); Rechteck r( 2, 3); Quadrat q( 4); } Info ( d); // Dreieck hat Flaeche 3 Info ( r); // Rechteck hat Flaeche 6 Info ( q); // Quadrat hat Flaeche 16 return 0; Felix Gruber, Sven Groß (IGPM, RWTH Aachen) Mapra: C++ Teil Juni / 22