Systemnahe Programmierung in C/C++

Transkript

1 Systemnahe Programmierung in C/C++ Peter Piehler Lehrstuhl für Datenbanken und Informationssysteme Fakultät für Mathematik und Informatik Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

2 Agenda 1 constructor/destructor 2 Operatoren 3 template Methoden 4 Aufgaben Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

3 Outline 1 constructor/destructor 2 Operatoren 3 template Methoden 4 Aufgaben Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

4 constructor Konstruktoren werden aufgerufen, sobald der Speicher für ein Objekt bereitgestellt wurde. Konstruktoren haben die Aufgabe, die Instanzen zu initialisieren. Deklaration von Konstruktoren: class numeric { int mvalue ; // Membervariable public : numeric (); // default - constructor numeric ( const numeric & n ); // copy - constructor explicit numeric ( const int i ); // convert - constructor ~ numeric (); // destructor }; default-constructor Der Defaultkonstruktor wird vom Kompiler automatisch generiert, falls er nicht deklariert wird. numeric :: numeric () : mvalue ( 0 ) // Initialisierungsliste { }; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

5 constructor default-constructor Anwendung: numeric n; copy-constructor wird verwendet, um Kopien von Instanzen anzulegen: numeric n; numeric n1( n );. Die Definition ist äquivalent zu der des Defaultkonstruktor: numeric :: numeric ( const numeric & o) : mvalue ( o. mvalue ) // Initialisierungsliste { }; Der Parameter ist als konstante Referenz zu übernehmen. Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

6 constructor convert-constructor um eine Instanz durch die Übergabe eines Parameters eines anderen Typs zu erstellen, wird ein Konvertierungskonstruktor erstellt. Die Definition ist äquivalent zu der des Defaultkonstruktor: numeric :: numeric ( int i) : mvalue ( i ) // Initialisierungsliste { }; Das Schlüsselwort explicit ist nur in Verbindung mit Konstruktoren zulässig und unterbindet die automatische Typkonvertierung des Kompilers: uint32_t ui ( 10 ); numeric n1 = ui ; // wird durch explicit untersagt, // explizieter Aufruf eines Konstruktor notwendig numeric n2 ( ui ); // Vorsicht, unsigned int wird nach // signed int konvertiert Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

7 destructor Der Destruktor wird aufgerufen, sobald die Lebenszeit eines Objektes beendet wird. Woran ist die Lebenszeit gebunden? Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

9 Operatoren In C++ lassen sich zu jedem Datentyp die bekannten Operatoren (arithmetische, logische, Bit-, Vergleichs-, Zuweisungs-, In- und Dekrement, Typwandlungs-, Index-, Dereferenzierungs-) definieren und somit die gesamte Syntax auf selbst definierte Datentypen anwenden. Im fogenden Abschnitt werden die Operatoren vorgestellt. Dazu wird das Beispiel class numeric benutzt. class numeric { protected : int mvalue ; public : }; /* Operatoren fuer den Zugriff auf mvalue */ Es wird zwischen Operatormethoden und Operatorfunktionen unterschieden. Als erstes werden die Operatormethoden betrachtet. Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

10 Typwandlung-Operatoren Es kann eine explizite Typumwandlung mit einem Typwandlungs-Operator implementiert werden. allgemein operator some-type(); Deklaration eines Typwandlung-Operator nach int: int operator int () const ; Definition eines Typwandlung-Operator nach int: int numeric :: operator int () const { return mvalue ; } Anwendung eines Typwandlung-Operator nach int: numeric n ( 5 ); int i ( 5 ); i = n; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

11 arithmetische Operatoren Als erstes die Negation: allgemein class-type class-name::operator-() const; Deklaration eines Negation-Operator: numeric operator -() const ; Definition eines Negation-Operator: numeric numeric :: operator -() const { numeric result ( -( this ->mvalue ) ); return result ; // keine Referenz auf Objekte zurueckgeben, // deren Lebenszeit an die Methode / Funktion gebunden ist } Anwendung numeric n; -n; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

12 arithmetische Operatoren Die normalen arithmetischen Operatoren: allgemein class-type class-name::operator+( const some-type& other) const; class-type class-name::operator-( const some-type& other) const; class-type class-name::operator*( const some-type& other) const; class-type class-name::operator/( const some-type& other) const; class-type class-name::operator%( const some-type& other) const; Deklaration eines Substraktion-Operator: numeric operator -( int i ) const ; Definition eines Substraktion-Operator: numeric numeric :: operator -( int i ) const { numeric result ( ( this ->mvalue )-i ); return result ; } Anwendung numeric n; n - 5; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

13 unrary binary Operator bitweise Negation-Operator: allgemein bitweise Negation: class-type class-name::operator~() const Deklaration der bitweisen Negation: numeric operator ~() const ; Definition der bitweisen Negation: numeric numeric :: operator ~() const { // direkter Zugriff auf Membervariable ohne Verwendung von this return numeric ( ~ mvalue ); } Anwendung der bitweisen Negation: numeric n1, n2; n1 = ~n2 ; // n1. operator =( n2. operator ~() ); Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

14 unary binary Operator Die normalen binären arithmetischen Operatoren: allgemein bitweise Und: class-type class-name::operator&( const some-type other) const bitweise Oder: class-type class-name::operator ( const some-type other) const exklusiv Oder: class-type class-name::operator^( const some-type other) const Linksverschiebung: class-type class-name::operator<<( const some-type other) const Rechtsverschiebung: class-type class-name::operator>>( const some-type other) const Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

15 unary binary Operator Deklaration eines left shift Operator: numeric operator < <( int leftshift ) const ; Definition eines left shift Operator: numeric numeric :: operator < <( int leftshift ) const { return numeric ( mvalue << leftshift ); } Anwendung eines left shift Operator: numeric n1, n2; n1 = n2 << 5; // n1. operator =( n2.operator < <( 5 ) ); Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

16 bitwise assignment Operator kombinierte Zuweisungsoperatoren kombinieren den Zuweisungsoperator mi einem anderen Operator: allgemein class-type& class-name::operator&=(const some-type& other) class-type& class-name::operator =(const some-type& other) class-type& class-name::operator^=(const some-type& other) class-type& class-name::operator<<=(const some-type& other) class-type& class-name::operator>>=(const some-type& other) Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

17 bitwise assignment Operator Deklaration einer Rechtsverschiebung mit Zuweisung: numeric & operator > >=( int ); Definition einer Rechtsverschiebung mit Zuweisung: // Referenz auf das eigene Objekt zurueck geben! numeric & numeric :: operator > >=( int rightshift ) { mvalue > >= rightshift ; return * this ; } Anwendung einer Rechtsverschiebung mit Zuweisung: numeric n1; n1 > >= 5; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

18 comparison Operator Die Operatoren für logische Vergleiche: allgemein bool class-name::operator==( const some-type& other) const; bool class-name::operator!=( const some-type& other) const; bool class-name::operator<=( const some-type& other) const; bool class-name::operator>=( const some-type& other) const; bool class-name::operator<( const some-type& other) const; bool class-name::operator>( const some-type& other) const; Deklaration eines Vergleichsoperator auf Gleichheit: bool operator ==( int i ) const ; Definition eines Vergleichsoperator auf Gleichheit: bool numeric :: operator ==( int i ) const { return ( mvalue == i ); } Anwendung eines Vergleichsoperator auf Gleichheit: numeric n1 ( 7 ); if ( n1 == 5 ) {... } Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

19 increment / decrement Operator Die Operatoren für das Increment und Decrement: allgemein prefix increment: class-type& class-name::operator++(); prefix decrement: class-type& class-name::operator--(); postfix increment: class-type class-name::operator++(int); postfix decrement: class-type class-name::operator--(int); Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

20 increment / decrement Operator Deklaration eines postfix increment Operator: numeric operator ++( int ); Definition eines postfix increment Operator: // postfix Operatoren sind aufwaendiger als prefix Operatoren // da sie eine Kopie des aktuellen Objektes anlegen muessen. // Die C/C ++ Kompiler optimieren bei den Standarddatentypen // so oft wie moeglich zu den entsprechenden prefix Operationen. // Die exezessive Nutzung des postfix Operator zeugt von // schlechtem bzw. studentischem Quellcode ; -) numeric numeric :: operator ++( int ) { numeric result ( * this ); ++ mvalue ; return result ; } Anwendung eines postfix increment Operator: for ( numeric n ( 0 ); n < 5; n ++ ) {... } Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

21 friend Operatorfunktionen Die Operatorfunktionen besitzen jedoch, wie jede andere Kontrollstruktur, keinen Zugriff auf den protected- und pirvate-bereich des eigens defenierten Datentyps. Um dennoch den Zugriff auf diese Bereiche zu gestatten, kann in C++ einzelnen Funktionen, Methoden oder gesamten Klassen der Zugriff auf die geschützten Bereiche gestattet werden. Dies geschieht indem in der Klassendeklaration die betreffenenden Funktionen, Methoden und Klassen als friend deklariert werden: class numeric { protected : int mvalue ; public : /* Operatoren fuer den Zugriff auf mvalue */ }; friend int operator +( const int lhs, const numeric & rhs ); friend int operator -( const int lhs, const numeric & rhs ); Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

22 spezielle Operatormethoden Indexoperator Der Indexoperator erlaubt die Verwendung der von einem C-Array bekannten Syntax (int i = array[5];). some - type operator []( int idx ) const ; Derefenzierungsoperator Der Dereferenzierungsoperatator erlaubt die Verwendung der von einem Zeiger bekannten Syntax (int = *pointer_to_integer;). some - type operator *() const ; Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

23 spezielle Operatormethoden Funktionsoperator Der Funktionsoperator erlaubt, die Verwendung der von Funktionen bekannten Syntax auf Instanzen anzuwenden. class MyCompare { public : bool operator ()( int lhs, int rhs ) const { return lhs < rhs ; }; }... MyCompare compare ;... if ( compare (5, 8) ) {... } Solche Typen werden Funktionsobjekte (engl. Functor) genannt und sind eine Basiskomponente moderner Softwareentwicklung in C++. Mehr dazu in den folgenden Vorlesungen. Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

25 template Methoden Die Fertigstellung der numeric Klasse artet in Fleiß- und Strafarbeit aus, wenn man jeden Datentyp als Parameter jedes Operator unterstützen. In C++ ist es möglich, die Logik unabhängig vom Datentyp zu hinterlegen. Der Kompiler prägt diese Logik für die einzelnen Datentypen aus. Eine solche Methode wird wie folgt deklariert: class numeric { public : template < typename T > /* (1) */ bool operator ==( const T& o ) const ; }; bool operator ==( const numeric & o ) const ; /* (2) */ Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

26 template Methoden man liest (1): Für jeden Datentyp T existiert eine Methode operator==, die eine konstante Referenz des Typs T übernimmt und einen boolschen Wert zurückgibt. man liest (2): Für den Datentyp numeric existiert eine spezielle Implementierung der Methode operator==, die eine konstante Referenz übernimmt und einen boolschen Wert zurückgibt. Der Compiler besitzt eine near-match Entscheidungslogik, um zu ermitteln, welche Definition einer template-implementation zur Anwendung kommt. Genaueres zum Umgang mit template-implementierung in den späteren Vorlesungen. Definition der template-methode: template < typename T > bool numeric :: operator ==( const T& o ) const { return mvalue == o ; } Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

28 constructor/destructor Schreiben Sie eine Klasse CSignalBlock mit den Eigenschaften: wenn eine Instanz angelegt wird, wird die Signalmaske so verändert, dass alle Signale für den Prozess blockiert werden, wenn die Lebenszeit einer Instnz beendet ist, wird die Signalmaske auf den ursprünglichen Zustand zurück setzt, die Verwendung kann dann wie folgt aussehen: void function ( void ) { // Signale nicht blockiert { CSignalBlock signalblock ; // alle Signale blockiert } // Signale nicht blockiert } Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29

29 Operatoren Schreiben Sie eine Klasse CSecureInt mit den Eigenschaften: sie verhält sich identisch zu einem standard int Datentyp, underflow- und overflow-situationen werden durch ihre Implementation erkannt und eine std::overflow error bzw. std::underflow error Ausnahme ausgelöst. Hinweise: Die Standardausnahmen werden durch die Einbindung von stdexcept verfügbar. Die Wertebereiche von Datentypen lassen sich in C++ komfortabel durch numeric limits abfragen. Beispiel: # include <limits > const int int_max ( std :: numeric_limits < int >:: max () ); const int int_min ( std :: numeric_limits < int >:: min () ); Peter Piehler (DBIS) C/C++ Programmierung / 29