4. Objektorientierte Programmierung mit C++

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1 4. Objektorientierte Programmierung mit C++ Einführung C++ / Entwicklung der Sprachfamilie Erweiterungen der Sprache C: Ein- und Ausgabe, Referenzen, Speicherallokation und Freigabe Grundlagen des Typkonzepts von C++ Ziele der Objektorientierung Klassen und Objekte Konstruktoren, Copy-Konstruktor, Destruktor und Wertzuweisung Verwendung und Überladen von Operatoren Elementobjekte und Elementobjektkonstruktoren Static-Elementobjekte und -Methoden Klassenhierarchien und Vererbung Polymorphie Abstrakte Klassen Templates Peter Sobe 1

2 Typ und Klassenbegriff Definition: Eine Klasse stellt aus Sicht des Programmierers die Implementierung eines Datentyps dar. Aus Nutzersicht ist eine Klasse die Implementierung eines Abstrakten Datentyps. Mit Hilfe des Klassenkonstrukts kann in C++ ein neuer Datentyp definiert werden. Eine Klasse ähnelt einer Struktur (struct). Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, dass eine Klasse zusätzliche Elementfunktionen hat und dass bei Klassen die Datenelemente standardmäßig gekapselt (privat) sind, bei einer Struktur aber öffentlich. Eine Klasse stellt einen neuen Namensraum (Gültigkeitsbereich für Namen) dar. Peter Sobe 2

3 Position der Klassendeklarationen in C++Programmen Klassen müssen in C++ Programmen stets auf globalem Gültigkeitsniveau deklariert werden, d.h. dort, wo auch Funktionen definiert werden. Eine Klassendeklaration wird mit einem Semikolon abgeschlossen. #include <iostream>... class Haustier {...}; //Klassendeklaration class Tierhalter {...};... float berechne(float a){...} //Funktionsdefinition void main() //Hauptprogramm mit Objekten { int i; Haustier Katze; Tierhalter Pauline;... } Peter Sobe 3

4 Klassen und Objekte Klassendeklaration class Haustier { }; Objekt-Erzeugung 1 Haustier Katze; Objekt-Erzeugung 2 Haustier Hund; Objekt-Erzeugung 3 Haustier Kaninchen; Die Klasse ist damit wie ein erweiterter Datentyp (vgl. typedef struct) anzusehen. Zur Programmlaufzeit können mehrere Objekte aus der Klasse erzeugt werden (Instanziierung). Peter Sobe 4

5 Klassen und Objekte: Beispiel Klassendeklaration class elektr_element { }; Objekt-Instanzierungen elektr_element q(u_quelle,5); Die Objekte können unterschiedliche Dinge repräsentieren, was u.a. durch Parameter des Konstruktors beeinflusst wird (mehr dazu später). elektr_element l1(leitung); elektr_element l2(leitung); elektr_element l3(leitung); elektr_element w(widerst,500); elektr_element v(verbraucher, 20); Die Objekte können dann in Beziehung gesetzt werden: w l1 l3 q v l3 Peter Sobe 5

6 Aufbau der Klassendeklaration in C++ Der Aufbau einer Klasse in C++ : class typname { private: public: Hier erfolgt typischerweise die Deklaration der Datenelemente Deklaration oder Definition der Elementfunktionen }; Peter Sobe 6

7 4. Objektorientierte Programmierung mit C++ Einführung C++ / Entwicklung der Sprachfamilie Erweiterungen der Sprache C: Ein- und Ausgabe, Referenzen, Speicherallokation und Freigabe Grundlagen des Typkonzepts von C++ Ziele der Objektorientierung Objekt und Klasse, Elementfunktionen (Methoden) Konstruktoren, Copy-Konstruktor, Destruktor und Wertzuweisung Verwendung und Überladen von Operatoren Elementobjekte und Elementobjektkonstruktoren Static-Elementobjekte und -Konstruktoren Klassenhierarchien und Vererbung Polymorphie Abstrakte Klassen Templates R.Grossmann / P. Sobe 7

8 4. Ziele der Objektorientierung Überblick: Unterschiede von algorithmisch-orientierten und objektorientierten Paradigma Grundbegriffe: Entität, Datenelemente Operatoren, Elementfunktionen Objekt, Algebra, Typ (Datentyp), Abstrakter Datentyp Ziele und Charakteristika der Objekttechnologie Datenabstraktion, Datenkapselung Trennung von Implementierung und Applikation Spezialisierung und Generalisierung (Vererbung) Polymorphismus Überladen von Operatoren R. Grossmann / P. Sobe 8

9 Grundlagen der Objektorientierung Bisher haben wir uns mit dem sogenannten algorithmischorientierten, prozeduralen Programmier-Paradigma auseinandergesetzt. Hierbei wird bei der Modellierung eines Realitätsausschnittes stets nach Verarbeitungsprozessen gesucht und deren Abfolge und Verflechtung als Algorithmus (Steuerfluss) entwickelt und formal beschrieben. Mit dem objektorientierten Programmier-Paradigma wird ein anderes Herangehen bei der Modellierung eines Realitätsausschnittes praktiziert. Man sucht dort Entitäten (Autos, Mitarbeiter, Rechnungen, Ströme, Impedanzen,...), die bei Verarbeitungsprozessen eine Rolle spielen. Zu einer bestimmten Zeit wird jeweils eine Menge von Entitäten einer bestimmten Sorte, wie Autos oder Personen vorhanden sein. R. Grossmann / P. Sobe 9

10 Grundlagen Entitätsbegriff - Datenelemente Entität: ist ein in der Realität existierendes und eindeutig identifizierbares Exemplar (Ding, Lebewesen, Gedankenkonstrukt) als Träger von Eigenschaften (Datenelemente), die durch bestimmte Werte beschrieben sind. Beispiel Auto als Entität: Eigenschaft Typ Wert VW-Golf, Eigenschaft Eigentümer Wert Lehmann, Eigenschaft Hubraum Wert 1943, Eigenschaft Tankinhalt Wert 60,... Jedes weitere Auto der betrachteten Menge hat die gleichen Eigenschaften, die aber mit anderen Werten belegt sind. R. Grossmann / P. Sobe 10

11 Grundlagen Methodenbegriff - Elementfunktion Sind alle relevanten Entitätsmengen im Realitätsausschnitt identifiziert, überlegt man, welche Operationen man auf den jeweiligen Entitätsmengen (Autos, Personen, Matrizen,...) benötigt. So wird man Matrizen sicher addieren und multiplizieren wollen, von Personen vielleicht das Alter bestimmen, oder ob sie in Beziehung zu anderen Entitäten stehen (Eigentümer eines Autos). Methode/Elementfunktion: ist eine wohldefinierte Operation / Funktion, die man auf Elemente einer bestimmten Entitätsmenge anwenden darf. Für jede Entitätsmenge ist eine bestimmte Menge solcher Elementfunktionen definiert und ausschließlich an die Anwendung nur auf Elemente dieser Menge gebunden. R. Grossmann / P. Sobe 11

12 Objektbegriff Die Zusammenfassung von Datenelementen und der über diesen Elementen definierten Elementfunktionen führt zum Objektbegriff. Objekt: ist eine in der Realität existierende Entität, die auf eine Menge von Elementfunktionen zurückgreifen kann. Objekte agieren, indem sie sich gegenseitig Nachrichten senden können, die durch Elementfunktionen bearbeitet werden. Den Bauplan eines jeden Objektes nennt man Typ oder Klasse. Der Typbegriff ist in der Mathematik streng gefasst und hängt mit dem Begriff der Algebra eng zusammen (siehe folgender Abschnitt). R. Grossmann / P. Sobe 12

13 Zusatzwissen: Algebra - Typ (Datentyp) Die Zusammenfassung einer Trägermenge T von Elementen mit einer auf dieser Trägermenge definierten Operation op bezeichnet man als Algebra (T,op). Z.B. ist die Definition der Addition über der Menge der natürlichen Zahlen eine Algebra (N,+). Addiert man zwei Zahlen, erhält man immer wieder ein Element von N. In der Regel sind auch sogenannte neutrale Elemente bzgl. einer Operation vorhanden, z.b. 0 є N mit 0+n=n+0, für beliebige n є N. R. Grossmann / P. Sobe 13

14 Zusatzwissen: Algebra - Typ (Datentyp) Typ: Ein Datentyp D ist eine hierarchische Algebra D = (R,VD,OP) mit: - R ist eine Repräsentantenmenge und err є R ein abstraktes Fehlerelement, - VD ist eine endliche Menge vorausgesetzter Datentypen, - OP ist eine endliche Menge von Operatoren/Operationen Für ein beliebiges f є OP gilt: f: r(d 1 )x r(d 2 )x...x r(d n ) r(d n+1 ) wobei r(d i ) ein Repräsentant des Datentyps d i ist und d i є R U VD für alle d i (i=1,2,...,n+1). Ein f є OP kann auch nullstellig sein, d.h. f: r(d i ) R. Grossmann / P. Sobe 14

15 Zusatzwissen: Algebra - Typ (Datentyp) Beispiel Ein Datentyp D = (R,VD,OP) heißt deshalb eine hierarchische Algebra, da er auf anderen Datentypen aufbaut, die bereits definiert sind. Als Beispiel sei ein Datentyp zaehler spezifiziert: R ist als Repräsentantenmenge die Menger aller denkbaren zaehler. Ein zaehler-objekt besitzt ein Datenelement w, das einen ganzzahligen, positiven Wert besitzt, in C-Notation d 1 = unsigned int. Weiterhin wird noch für Vergleiche der Typ d 2 = bool vorausgesetzt. Es sind folgende Operationen definiert: - zaehler: zaehler erzeugt ein zaehler-objekt und setzt w=0 R. Grossmann / P. Sobe 15

16 Zusatzwissen: Algebra - Typ (Datentyp) Beispiel - weiter: zaehler zaehler erhöht den Wert eines zaehler-objekts w=w+1 - < : zaehler x unsigned int bool vergleicht den Wert eines zaehler-objekts mit einer ganzen positiven Zahl auf die kleiner-beziehung (wahr oder falsch) - wert: zaehler unsigned int liefert den aktuellen Wert eines zaehler-objekts - null: zaehler zaehler setzt den Wert eines zaehler-objekts auf 0 Damit haben wir einen neuen Datentyp zaehler=( R, unsigned int U bool,{ zaehler,weiter,<,wert,null}) definiert. Dieses Beispiel wird später als C++ Klasse definiert. R. Grossmann / P. Sobe 16

17 Definition: Datentyp - Abstrakter Datentyp (ADT) Ein Abstrakter Datentyp (ADT) ist die Äquivalenzklasse aller Datentypen, die die gleichen Datenelemente (semantisch), die gleichen Operatoren (syntaktisch) und ein gleiches äußeres Verhalten haben. Das äußere Verhalten eines Datentyps wird durch die Menge der Wechselwirkungen der Operatoren (Elementfunktionen) des Datentyps auf die (inneren) Datenelemente definiert. R. Grossmann / P. Sobe 17

18 Objektorientierung Ziele / Charakteristika Es sollen kurz die Hauptziele angegeben werden, durch die die Nutzung objektorientierter Sprachen charakterisiert wird: Datenabstraktion: Definition und Verwendung anwendungsbezogener Datentypen und der auf ihnen möglichen Operationen. Datenkapselung: Vereinbarung von Daten und den Prozeduren, die diese Daten verwalten, in einer Programmeinheit. Zugriffe sind über Zugriffsspezifizierer einschränkbar. In der Regel sind die Datenelemente eines Objektes vollständig gekapselt (private) und für den Nutzer nicht einsehbar. Nur über die Elementfunktionen (public) kann der Nutzer das Objekt manipulieren. R. Grossmann / P. Sobe 18

19 Objektorientierung Ziele / Charakteristika Trennung von Implementierung und Applikation: Durch die Datenkapselung wird es möglich, dass der Programmierer Freiheiten beim Entwurf der (gekapselten) Datenelemente hat. Er ist nur an die Signatur und die äußere Wirkung der Elementfunktionen gebunden. Der Nutzer des Typs benötigt in seiner Applikation ausschließlich das Interface, das die Elementfunktionen bilden. Damit ist eine Applikation vollkommen unabhängig von konkreten internen Kodierungen. Aus Nutzersicht liegt also ein Abstrakter Datentyp (ADT) vor. Er kann nicht mehr zwischen verschieden implementierten Datentypen unterscheiden, da er nur das äußere (identische) Verhalten sieht. R. Grossmann / P. Sobe 19

20 Objektorientierung Ziele / Charakteristika 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. Der abgeleitete Datentyp erbt Datenstruktur und vererbbare Elementfunktionen vom Basisdatentyp. Es müssen folglich nur die Abweichungen (Spezialisierung) angegeben werden, was den Kodierungsaufwand und die mögliche Fehlerquote stark senkt. Polymorphismus: Das ist in Klassenhierarchien mit Vererbung die Fähigkeit, dass dieselbe Nachricht (Elementfunktion) gesendet an Objekte unterschiedlicher Typen, unterschiedliche Aktionen auslösen kann. R. Grossmann / P. Sobe 20

21 Objektorientierung Ziele / Charakteristika Überladen von Operatoren: Durch das Prinzip des Überladens von Operatoren ist es möglich, die in einem Namensraum eines Datentyps bekannten Operatoren (z.b. +,-,*,/,...) in einem anderen Datentyp mit zu benutzen, dort aber mit einer anderen Bedeutung. So könnten z.b. die aus den Datentypen int, float usw. bekannten arithmetischen Operatoren auch in einem Datentyp complex verwendet werden. Durch das Überladen des Operators müssen aber die Rechenregeln für den Operator im neuen Typ bekannt gemacht werden. R. Grossmann / P. Sobe 21