Grundlagen der Informatik Vererbung von Klassen

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1 Grundlagen der Informatik Vererbung von Klassen Prof. Dr.-Ing. Thomas Wiedemann Prof. Dr.rer.nat. Ralph Großmann Fachgebiet Informatik / Mathematik

2 Überblick zum Inhalt Klassen-2 Klassenhierarchie / Definition / Beispiel / Ziele (Vererbung) Klassenhierarchie in C++: - vererbbares und nichtvererbbares Klasseninventar - Aufbau der Klassenhierarchie (Basisklasse-abgeleitete Klasse) - Deklaration der Datenelemente / Zugriffsspezifizierer - Konstruktor, Destruktor, Copy-Konstruktor - Elementfunktionen (Deklaration / Definition / Aufruf) - Beispielklasse Punkt-Linie Elementobjekte und Elementobjektkonstruktoren Polymorphie in Klassenhierarchien 2

3 WH zu den Grundlagen der Objekttechnologie Spezialisierung und Generalisierung (Vererbung): Durch das Prinzip der Spezialisierung wird es möglich, aus einem Datentyp einen weiteren Datentyp abzuleiten, der viele Gemeinsamkeiten mit ersterem hat und nur in einigen Details abweicht, OHNE das alle Methoden neu zu definieren sind! Der abgeleitete Datentyp erbt Datenstruktur und vererbbare Elementfunktionen vom Basisdatentyp. Es müssen folglich nur die Abweichungen (=Spezialisierungen) angegeben werden, was den gesamten Kodierungsaufwand und mögliche Fehlerquote stark senkt. In umgekehrter Weise (vom speziellen zum globalen) kann eine Objekthierachie immer mehr generalisiert werden. Fahrzeug Auto PKW BMW Spezialisierung bzw. Generalisierung mit Vererbungslinie 3

4 Der Begriff Klassenhierarchie Definition: Eine Menge von Klassen deren Elemente durch die Relation Spezialisierung bzw. Generalisierung miteinander in Beziehung gesetzt sind, bezeichnet man als Klassenhierarchie, wenn jede Klasse höchstens eine Basisklasse besitzt. Basisklasse heißt eine Klasse von der durch Spezialisierung eine abgeleitete Klasse gebildet wurde. Umgekehrt kann eine Basisklasse eine beliebige Anzahl von abgeleiteten Klassen haben. 4

5 Abgeleitete Klassen in C++Programmen Abgeleitete Klassen müssen in C++ Programmen durch Angabe ihrer Basisklasse gekennzeichnet werden. Beispiel: class A {...}; class B : public A{...}; class C: public B{...}; class D : public A{...}; //Basis-Klasse // B - abgeleitete Klasse und gleichzeitig Basis-Klasse für C //abgeleitete Klasse //abgeleitete Klasse 5

6 Hinweise zur Definition von Wurzelklassen Die oberste Basisklasse wird als Wurzelklasse bezeichnet. Bei der Definition von Wurzelklassen ist auf die richtige Definition der Datenelemente zu achten, da in abgeleitete Klassen nur Daten HINZUGEFÜGT aber NICHT ENTFERNT werden können Auch die Methoden der Wurzelklassen sollten in ALLEN abgeleitete Klassen anwendbar sein. Wurzelklassen stellen i.d.r. ein Basisset an universellen Methoden wie copy / compare oder reset bereit. In großen Klassenhierarchien sind die Namen der Wurzelklassen meist sehr allgemein gehalten wie TObject / Gobject 6

7 Vererbbares und nichtvererbbares Inventar einer Klasse Alle Datenelemente einer Klasse, sowie alle Methoden mit Ausnahme der unten angegebenen werden an die abgeleitete Klasse vererbt. Nicht vererbt werden prinzipiell: - alle Konstruktoren - der Copy-Konstruktor - der Destruktor - der Zuweisungsoperator = 7

8 Zugriffsspezifizierer in Klassenhierarchien Alle privaten Datenelemente einer Klasse können nur von den Methoden der Klasse benutzt werden. Sollen diese Datenelemente auch von Methoden der abgeleiteten Klassen erreichbar sein, muss anstelle von private der Spezifizierer protected verwendet werden. Merke: Aus der Sicht der Kinder entspricht protected = public der Aussenstehenden entspricht protected = private 8

9 Konstruktoren abgeleiteter Klassen Konstruktoren werden nicht vererbt. Konstruktoren abgeleiteter Klassen müssen den Konstruktor der Basisklasse aufrufen, der für die Instantiierung der geerbten Anteile sorgt. Beispiel: class A //Basis-Klasse {private: int i; public: A(int k){i=k;} //Konstruktor }; class B : public A //abgeleitete Klasse {private: char c; public: B(char s,int j) //Konstruktor abgeleitete Klasse : A(j) {c=s;} // Aufruf Basisklassen-Konstruktor }; 9

10 Elementobjektkonstruktoren in Konstruktoren abgeleiteter Klassen Enthalten abgeleitete Klassen Elementobjekte, so müssen neben dem Konstruktor der Basisklasse auch der Elementobjekt-Konstruktor aufgerufen werden. Beispiel: class A //Basis-Klasse {private: int i; public: A(int k){i=k;} //Konstruktor }; class B : public A //abgeleitete Klasse {private: char c; A a; //Elementobjekt public: B(char s,int j,int m) //Konstruktor abgl. Klasse : a(m),a(j) {c=s;} // Aufruf Basisklassen-Konstruktor // a ist Aufruf Elementobjekt-Konstr. }; 10

11 Elementobjektkonstruktoren in Konstruktoren abgeleiteter Klassen Beachten Sie, dass unabhängig von der Notation die Rufreihenfolgen festgelegt ist: 1. Ruf des Konstruktors der Basisklasse 2. Ruf des Elementobjekt-Konstruktors 3. Ruf des Konstruktors der abgeleiteten Klasse Beispiel: class A { }; //Basis-Klasse class B : public A //abgeleitete Klasse {private:... public: B(...) : a(m), A(j) {c=s;} // zuerst wird A(), dann a() und zuletzt B() ausgeführt }; 11

12 Beispiel: Klassenhierarchie Grafikelemente Aufgabe: Definition einer Klassenhierarchie für grafische Elemente (z.b. für ein CAD-System) Frage: Welche Wurzelklasse sollte definiert werden? Lösungsansatz: Es muss eine Klasse mit Datenelementen und Methoden definiert werden, welches in allen zukünftig abgeleiteten Klassen einsetzbar ist! -> Jedes Grafikelement (Kreis, Linie, Text Bitmap hat immer einen Punkt -> Punkt als Wurzelklasse class Punkt { private: float x,y; // Koordinatendefinition (gekappselt) public: Punkt(){}; //Default-Konstruktor (öffentlich) Punkt(float x0,float y0){x=x0; y=y0;};//konstruktor void verschieben(double xv, double yv ) { x = x + xv; y = y + yv; } 12

13 Aufbau der Klassenhierarchie - Kreis -Objekt Von Punkt können nun alle weiteren Elemente abgeleitet werden: class kreis : public punkt // Vererbung aller Punkteigens. { private: double radius ; // nur die Zusatzdaten sind notw. public : kreis() { x=0; y=0; radius=1;} // Standardkon. kreis(double xx, double yy, double rr ) : punkt(xx,yy) { radius = rr; } // Die Methode verschieben kann von punkt nachgenutzt werden // und muss nicht erneut definiert werden.. } kreis : k1, k2(10,10,20) ; // Definition eines Einheitskreises und eines Kreises mit x=10, y=10 r= 20 Ein Aufruf von k2.verschieben(100,100) ruft die geerbte Methode verschieben von Punkt auf! 13

14 Aufbau der Klassenhierarchie Linie Eine Linie kann ausgehend von den math. Optionen als Punkt Punkt / Punkt Winkel+Länge / Punkt + dx/dy definiert werden. Eine Definition mit class LiniePP { private: Punkt p1, Punkt p2; // wäre möglich, würde aber keine // Vererbung erlauben Besser ist: class linie : public punkt // Vererbung aller Punkteigens. { private: double dx, dy ; // relative Längen public : linie() { dx=1; dy=10; } // Standardkon. linie(double dx1, double yy, double rr ) : punkt(xx,yy) { dx=dxx; dy=dyy: } // Die Methode verschieben kann von punkt nachgenutzt werden 14 // und muss nicht erneut definiert werden..

15 Zusammenfassung zur Vererbung Die Vererbung von Daten und Methoden ist eine der wichtigsten Vorteile der objektorientierten Programmierung. Komplexe Klassenhierarchien (z.b. die Windows-Klassen) können einige Tausend Klassen in mehreren Dutzend Ebenen haben Die Nachnutzung vordefinierter Methoden spart in Größenordnungen Entwicklungs- und Testzeit. Bei der Definition allen Ableitungen zugrunde liegenden Wurzelklasse ist sehr strategisch und vorausschauend vorzugehen, damit ein langfristiger Einsatz möglich ist. 15