4. Objektorientierte Programmierung mit C++

Transkript

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 Begriff Abstrakte Klasse Definition: Als Abstrakte Klasse wird eine Klasse bezeichnet, von der keine Objekte erzeugt werden können. Diese Klassen sind nicht vollständig genug, um Objekte zu instanziieren. Abstrakte Klassen entstehen häufig durch Generalisierung im Entwurfsprozess von Klassenhierarchien. Abstrakte Klassen werden als Basisklasse von Klassenhierarchien zur Definition von gemeinsamen Schnittstellen eingesetzt. R.Grossmann, P. Sobe 2

3 Zweck abstrakter Klassen Basis für Polymorphie: Gemeinsame Schnittstellen für verschiedene abgeleitete Klassen, die auch über Basisklassenreferenzen zugänglich sind. Bereitstellung einer Grundfunktionalität: Vorgabe von Grundfunktionen, die aber noch zu allgemein und unvollständig sind Entwurfsvorgaben: Durchsetzung einer einheitlichen Schnittstellengestaltung, wenn Programmierer eine Klassenhierarchie erweitern. R.Grossmann, P. Sobe 3

4 Begriff rein virtuelle Methode Durch Vorgabe von rein virtuellen Methoden in einer abstrakten Klasse soll erreicht werden, dass jede Klasse diese Methoden redefiniert, jeweils mit einer der Klasse angepassten Funktionalität. Definition: Als rein virtuelle Methode bezeichnet man eine Elementfunktion mit folgender Definitionsanweisung: virtual <typ> <name>(<param_liste>)=0; Bsp.: virtual void print()=0; Eine Klasse mit mindestens einer rein virtuellen Funktion ist abstrakt und kann nicht instanziiert werden. R.Grossmann, P. Sobe 4

5 Beispiel (aus Helmke/Isernhagen) (1) class Zahl { //abstrakte Klasse virtual void print() const = 0; class Integer : public Zahl { private: int z; Integer(int n) {z=n;} virtual void print() const { cout << " INT(" << z << ") "; } class Float : public Zahl { private: float z; Float(float n) {z=n;} virtual void print() const { cout << " FLOAT(" << z << ") "; } class Complex : public Zahl{ private: double re, im; Complex(double real, double imag) {re = real; im = imag; } virtual void print() const { cout << " COMPLEX(" << re << "," << im << ") "; } R.Grossmann, P. Sobe 5

6 Beispiel (aus Helmke/Isernhagen) (2) int main() { Zahl *z[10]; z[0] = new Integer(1); z[1] = new Integer(2); z[2] = new Float(3.14f); z[3] = new Complex(1.2, -1.0); for (int i=0; i<4; i++) z[i]->print(); cout << "\n"; // Freigabe z[0], z[1], return 0; } Die abstrakte Klasse Zahl dient hier ausschließlich der Definition einer Schnittstelle, die alle Klassen gemeinsam aufweisen. Alle Objekte können einem Zeiger auf die gemeinsame abstrakte Basisklasse zugewiesen werden. Für den Aufruf der zum Objekt passenden Methode sorgt die C++ Polymorphie. R.Grossmann, P. Sobe 6

7 Übungsbeispiel zu abstrakten Klassen / Polymorphie class A { virtual long f(int x) = 0; class B : public A { long f(int x) { return x*x; } class C: public A { private: B b; long f(int x) {return b.f(x)*b.f(x)/2; } main() { A *z[3]; z[0] = new B; z[1] = new B; z[2] = new C; int a = z[0]->f(2); int b = z[1]->f(-2); int c = z[2]->f(a*b); delete z[0]; delete z[1]: delete z[2]; cout << c << \n ; // was wird ausgegeben? R.Grossmann, P. Sobe 7

8 Beispiel: Geometrische Objekte Klassendiagramm Geofigur {abstract} zeichne() Die verschiedenen Klasseninstanzen können alle einheitlich verwaltet werden. Punkt Rechteck Beim Zeichnen, ruft man zeichne() für alle Objekte auf Kreis Quadrat Demonstration anhand Quellcode: Projekt Geometrie mit geofigur.h/cpp, punkt.h/cpp, kreis.h/cpp, rechteck.h/cpp R.Grossmann, P. Sobe 8

9 Fallbeispiel für eine Klassenhierarchie Es ist eine Klassenhierarchie zu entwerfen und ansatzweise zu implementieren zur Modellierung elektrischer Verbraucher, Erzeuger und einer Versorgungszentrale in einem Haus. Verbraucher: Methode leist_aufnahme() gesteuerte Verbraucher mit Methode einfluss() Weitere Methoden nach Bedarf, wie z.b. einschalten(), ausschalten() Erzeuger: Methode leist_abgabe() Zentrale: Methode anschluss() sowohl für Verbraucher und Erzeuger P. Sobe 9

10 Fallbeispiel für eine Klassenhierarchie Entscheidungen zum Aufbau der Klassenhierachie: Verbraucher und Erzeuger mit gemeinsamer Basisklasse Einheit, damit das Zentrale-Interface nicht zwischen Erzeuger und Verbraucher unterscheiden muss. Trennung der Verbraucher in steuerbaren (per Methode einfluss()) und nicht-steuerbaren Verbraucher Methode einfluss wird für Teile der Klassenhierarche als wirkungslose Funktion vorgegeben, z.b. für nicht-steuerbare Verbraucher Vorgabe einer neutralen Methode float leist_abgabe() {return 0.0;} für Verbraucher float leist_aufnahme() {return 0.0;} für Erzeuger P. Sobe 10

11 Fallbeispiel für eine Klassenhierarchie Klassenhierarchie: zentrale 1 n einheit {abstract} einheit *einh[] anschluss(einheit *e) bilanz() virtual float leist_aufnahme() = 0 virtual float leist_abgabe() = 0 virtual bool einfluss() = 0 spezialisiert erzeuger float leist_aufnahme() verbraucher_allg float leist_abgabe() windgenerator float leist_abgabe() bool einfluss() sonnenkollektor float leist_abgabe() bool einfluss() nächste Folie P. Sobe 11

12 Fallbeispiel für eine Klassenhierarchie Klassenhierarchie (Fortstezung): Grün dargestellt: abstrakte Klassen verbraucher_allg float leist_abgabe() verbraucher_ns verbraucher_s bool einfluss() lampe float leist_aufnahme() void einschalten() P. Sobe weitere, z.b. Staubsauger waschmasch float leist_aufnahme() bool einfluss() void waschen(); void bereitschaft() weitere, z.b. Geschirrspüler 12

13 Fallbeispiel für eine Klassenhierarchie Klassenhierachie: Es wurde erreicht, dass ein Objekt der Klasse zentrale alle Objekte verbraucher und erzeuger verwalten kann (Feld von als Zeigern). Durch Aufruf der Methoden leist_aufnahme() und leist_abgabe() werden die Aktionen per Polymorphie an die entsprechenden Objekte und ihre spezielle Klassenimplementation durchgereicht ohne das im Quellcode angeben zu müssen. Bestimmte Methoden wurden in eine allgemeinen Funktion an ausgewählten Positionen in der Klassenhierarchie implementiert. Meistens existieren mehrere verschiedene Möglichkeiten, eine Klassenhierarchie zu gestalten. Im Beispiel ist die Klasse verbraucher_ns nur wegen der Symmetrie vorhanden und hätte auch weggelassen werden können. 13 P. Sobe