8. Exkurs in die objektorientierte Programmierung: C++

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1 8. Exkurs in die objektorientierte Programmierung: C++ Inhalt: 8.1 Objektorientierung: Prinzip und Ziele 8.2 C++ - Erweiterungen 8.3 C++ - Klassen, Objekte und Methoden 8.4 C++ - Vererbung und Polymorphie Peter Sobe Objektorientierung Objektorientierte Programmierung kann auf verschiedene Weise erfolgen: Prozedurale Sprachen in Verbindung mit s.g. abstrakten Datentypen Objektorientierte Sprachen, welche die Ziele der Objektorientierung durch eine spezielle Syntaxerweiterung und Verfahren bei der Übersetzung und Laufzeitunterstützung der Programme unterstützen R. Grossmann / P. Sobe 2

2 Objektorientierung Mit dem objektorientierten Programmier-Paradigma wird ein besonderes Herangehen bei der Modellierung eines Realitätsausschnittes praktiziert. Man sucht dort Objekte (Autos, Mitarbeiter, Rechnungen, elektr. Bauelemente, mechanische Elemente,...), die bei Verarbeitungsprozessen eine Rolle spielen. Zu einer bestimmten Zeit wird jeweils eine Menge von Objekten einer bestimmten Sorte, wie Autos oder Personen vorhanden sein. Vergleich mit imperativen, prozeduralem Programmierparadigma: Bisher wurde bei der Modellierung eines Realitätsausschnittes stets nach Verarbeitungsprozessen gesucht und deren Abfolge und Verflechtung als Algorithmus (Steuerfluss) entwickelt und formal beschrieben. R. Grossmann / P. Sobe 3 Grundlagen Methodenbegriff - Elementfunktion Sind alle relevanten Objektmengen im Betrachtungsfeld identifiziert, überlegt man, welche Operationen man auf den jeweiligen Objekten (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 Objekten stehen (Eigentümer eines Autos). Methode: ist eine wohldefinierte Operation / Funktion, die man auf Elemente einer bestimmten Objektmenge anwenden darf. Für jede Objektmenge ist eine bestimmte Menge solcher Methoden definiert und ausschließlich an die Anwendung nur auf Elemente dieser Menge gebunden. R. Grossmann / P. Sobe 4

3 Objektbegriff Objekt: ist eine über einen Bezeichner identifizierbare Zusammenfassung von Datenelementen, die auf eine Menge von Methoden zurückgreifen kann. Objekte agieren, indem sie gegenseitig Methoden anderer Objekte aufrufen. Den Bauplan eines jeden Objektes nennt man Typ oder Klasse. Die Sorte eines Objekts ist durch die Klasse bestimmt. R. Grossmann / P. Sobe 5 Ziele der Objektorientierung Datenabstraktion: Definition und Verwendung anwendungs-bezogener Datentypen und der auf ihnen möglichen Operationen. Datenkapselung: Vereinbarung von Daten und den Methoden, die diese Daten verwalten in einer Programmeinheit. Auch zur Trennung von Spezifikation und Implementierung nützlich. Vererbung: Aus einer Klasse kann eine weitere Klasse abgeleitet werden, die Erweiterungen besitzt oder zum Teil anders arbeitet. Gemeinsamkeiten werden vererbt. Senkt Programmieraufwand und Fehlerquote. Polymorphismus: Das ist in Klassenhierarchien mit Vererbung die Fähigkeit, dass dieselbe Methode bei Objekten unterschiedlicher Typen, unterschiedliche Aktionen auslösen kann. Überladen von Operatoren: Benutzung bekannter Operatoren (z.b. +,-,*,/,...) für eigene Klassen, dort aber mit einer anderen Bedeutung. R. Grossmann / P. Sobe 6

4 Ziele der Objektorientierung 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 Methoden 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 Methode bei Objekten unterschiedlicher Typen, unterschiedliche Aktionen auslösen kann. R. Grossmann / P. Sobe 7 Möglichkeiten der Programmierung mit C++ Die Ziele werden durch die Sprache C++ unterstützt. Was ist jetzt möglich? Beispiel 1: Bandmatrizen als Objekte (der Klasse Bandmatrix) Beispiel 2: Klassenhierarchie geometrischer Objekte Beispiel 3: Klassen mit Operatoren am Beispiel der Klassen Person und Verein Es entsteht ein anderer Programmierstil. Dieser wird durch Festlegung der Klassen und deren Beziehungen dominiert. Objektorientierter Entwurf statt prozeduraler Entwurf. R. Grossmann / P. Sobe 8

5 Möglichkeiten der Programmierung mit C++ Beispiel 2: Klassenhierarchie geometrischer Objekte Spezielle Klassen punkt, rechteck, kreis oder dreieck sind durch Vererbung von einer allgemeinen Klasse geofigur abgeleitet. Eine abstrakte Klasse geofigur definiert die Menge gemeinsamer Methoden für alle speziellen Objekte, zum Beispiel void zeichne(hdc &hdc); als einheitliches Interface, um das Objekt in einem Fenster zu zeichnen. Objekte anlegen: figuren[0] = new punkt(100.0, 100.0); figuren[1] = new punkt(200.0, 200.0); figuren[2] = new punkt(300.0, 300.0); figuren[3] = new kreis(punkt(400.0,400.0),10.0); figuren[4] = new rechteck(450.0,250.0,80.0,150.0); figuren[5] = new kreis(punkt(400.0, 120.0), 80.0); figuren[6] = new dreieck(200.0, 100.0, 300.0, 100.0, 250.0, ); anz_figuren=7; R. Grossmann / P. Sobe 9 Möglichkeiten der Programmierung mit C++ In der Paint-Funktion einer WIN32-Anwendung: for(int i=0; i<anz_figuren; i++) figuren[i]->zeichne(hdc); // figuren[i] ist ein geofigur* Peter Sobe 10

6 Möglichkeiten der Programmierung mit C++ Beispiel 3: Klassen mit speziellen Operatoren Person schulze( Robert, Schulze,1956, Obstgehoelzveredlung ); meier( Klaus, Meier,1976, Salat und Tomaten ); gartenfreunde = gartenfreunde+meier ; gartenfreunde = gartenfreunde+schulze; gartenfreunde.aufloesung(); Peter Sobe Erweiterungen von C++ gegenüber C C++ stellte einige Erweiterungen bereit, die auch schon bei nichtobjektorientierter Programmierung benutzt werden können. streambasierte Ein- und Ausgabe: I/O-Objekte cin, cout und cerr mit Operatoren <<, >> cout<< Eingabe i= ; cin>>i; cout<< 2*i ist << i*2<< endl; Referenzen ( & vor Variablendeklaration) benutzt zur Parameterübergabe für Call-by-Reference void doppelt_und dreifach(int a, int &doppelt, int &dreifach) { doppelt = 2*a; dreifach = 3*a; } doppelt_und_dreifach(a,b,c); // Aufruf Speicherallokation und Freigabe mit new und delete Peter Sobe 12

7 8.3 C++ - Klassen, Objekte und Methoden Klassen sind der Bauplan für Objekte und müssen definiert werden. Eine Klassendefinition ist vergleichbar mit einer Type-Definition. class klassenname { private: Später können Objekte aus der Klasse erzeugt werden, vergleichbar mit Variablen, die aus eine Typ erzeugt werden. klassenname objekt1; // statisch Deklaration der Datenelemente Deklaration oder Definition der Elementfunktionen objekt2 = new klassenname;.. delete objekt2; // dynamisch Peter Sobe 13 Deklaration / Definition / Aufruf von Methoden Methoden sind einer Klasse zugeordnet und bilden die Menge der Operationen, die mit den Objekten der Klasse ausführbar sind. Damit der Nutzer Methoden zur Manipulation der Objekte in seinem Anwendungsprogramm aufrufen kann, müssen diese in aller Regel in einem public-teil verfügbar sein. Methoden sind syntaktisch gesehen - Funktionen im Sinne von C/C++. Die Deklaration und Definition dieser Elementfunktionen genügt den Regeln für normale Funktionen. Durch die Bindung an die Klasse unterscheidet sich der Aufruf von Methoden gegenüber normalen Funktionen: normale Funktion f(x) Methode f(x) der Klasse T f(y); T a; a.f(y); R.Grossmann / P. Sobe 14

8 Definition von Elementfunktionen Beispiel Klasse vektor (1) Deklaration und Definition der Methoden: class vektor { private: float x; float y; float z; //Deklaration Datenelemente void init(float i,float j,float k) { x=i; y=j; z=k;} float betrag() {return sqrt(x*x+y*y+z*z);} R.Grossmann / P. Sobe 15 Definition von Elementfunktionen Beispiel Klasse vektor (2) Gewöhnliche Trennung von Deklaration und Definition: class vektor { private: float x; float y; float z; //Deklaration Datenelemente void init(float i,float j,float k) ; float betrag(); void vektor::init (float i,float j,float k) { x=i; y=j; z=k;} float vektor::betrag(){return sqrt(x*x+y*y+z*z);} R.Grossmann / P. Sobe 16

9 Konstruktor, Destruktor Konstruktor: eine ausgewählte Methode, die wie die Klasse benannt ist. kein Rückgabewert kann Parameter entgegen nehmen, die bei Erzeugung eines Objektes anzugeben sind mehrere Konstruktoren mit unterschiedlicher Parameterliste möglich einer der Konstruktoren wird bei Erzeugung einer Klasse automatisch ausgeführt Beispiel: class person { person(); person(char *vn, char *n, int gebj, char *hobbies); Person unbekannt;// hier wird der parameterlose Konstruktor aufgerufen person *bk = new person( Helmut, Schmidt,1918, Rauchen und Politik ); R.Grossmann / P. Sobe 17 Konstruktor, Destruktor Destruktor: eine ausgewählte Methode, die wie die Klasse mit vorangestelltem ~ -Zeichen benannt ist. kein Rückgabewert, ohne Parameter nur ein Destruktor möglich Destruktor wird bei Ende der Gültigkeit eines Objekts ausgeführt Beispiel: class person { ~person(); Hier wird Objekt tmp freigegeben und der Destruktor aufgerufen. void tausch(person &a, person &b) { person tmp; tmp=a; a=b; b=tmp; } R.Grossmann / P. Sobe 18

10 Konstruktor, Destruktor Am Beispiel der Klasse Person: #define MAX_MITGLIEDER 100 class person { protected: char name[strlen], vorname[strlen], hobby[strlen]; int gebjahr; person() {} person(char *vn, char *n, int gebj, char *h) { gebjahr = gebj; strcpy(vorname, vn); strcpy(name, n); strcpy(hobby, h); } ~person() {} void print() { cout << vorname << " " << name << endl; } R.Grossmann / P. Sobe 19 Speicherallokation und Objekte Operatoren new und delete zur Speicherallokation bzw. -freigabe für Objekte Mit dem Operator new wird Speicher im Heap-Speicher angefordert und der Zeigervariablen zugewiesen: Beispiele: int *iptr = new int; int *kptr = new int(64); int *jptr = new int[30]; // ein Speicherbereich für 30 int Werte // wird angefordert person *p = new person( Fritz, Fuchs,1967, Fahrradfahren ); Keine Initialisierung für Standardtypen Bei Objekten wird nach Bereitstellung des Speichers der passende Klassenkonstruktor aufgerufen. Peter Sobe 20

11 Speicherallokation und Objekte Wird der über new angeforderte Speicherbereich nicht mehr verwendet, so muss er per delete explizit wieder freigegeben werden. int *pint = new int; int *pintfeld = new int[64]; person *pp = new person( Fritz, Fuchs,1967, Fahrradfahren ); delete pint; delete [] pintfeld; delete pp; delete kann nur in Verbindung mit new eingesetzt werden. int i, *pint = new int; int *pint2 = &i; delete pint; delete pint2; // Fehler, da nicht per new erzeugt delete auf einen Null-Pointer hat keine Auswirkungen. Peter Sobe 21 Elementobjekte Der Begriff Elementobjekt wurde zur Bezeichnung von Datenelementen im private-teil einer Klasse eingeführt, die keinen Standardtyp, wie float, int, char usw. repräsentieren, sondern Objekte einer anderen Klasse sind. Beispiel: Sie haben eine Klasse Punkt und wollen jetzt eine Klasse Linie definieren, die von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt geht. Das wäre mit Elementobjekten leicht zu erreichen: Im Programm Punkt_1 steht die Klassendefinition für Punkt: class Punkt { private: float x,y; Punkt(float a,float b){ x=a; y=b;} Punkt(){ }... R.Grossmann / P. Sobe 22

12 Elementobjekte Wir nehmen an, es gäbe die Klasse Punkt, mit einem Konstruktor Punkt(int xpos, int ypos). Nun wird die Klassendefinition für Linie unter Nutzung von Elementobjekten hinzugefügt: class Linie { private: Punkt anfang, ende ; Linie(){ } Über sogenannte Elementobjekt-Konstruktoren können Initialisierungsparameter der Klasse an die Elementobjekte durchgereicht werden. Linie(float ax,float ay,float bx,float by) : anfang(ax,ay), ende (bx,by) { } R.Grossmann / P. Sobe 23 Elementobjekte Die Elementobjekt-Konstruktoren benutzen als Namen die Namen der Elementobjekte, in der Klasse Linie also anfang und ende. Der Konstruktor Linie muss deshalb mit Aufruf der Elementobjekt- Konstruktoren geschrieben werden: class Linie { private: Punkt anfang, ende ; Linie(float ax,float ay,float bx,float by) : anfang(ax,ay), ende (bx,by) { }... Die Elementobjekt-Konstruktoren werden automatisch bei Benutzung des Konstruktors des übergeordneten Objekts (hier Linie) aufgerufen! R.Grossmann / P. Sobe 24

13 Objekte als Parameter (1) C++ erlaubt, Objekte als Parameter von Methoden zu übergeben. Beispiel: Eine Zeichenfläche (canvas), der verschiedene geometrische Objekte übergeben werden. Die Zeichenfläche kann diese Objekte beispielsweise unter Berücksichtigung von 3D- Überdeckungen zeichnen. class geomobj { class canvas { geomobj() { } canvas() { } int register_geom_obj(geomobj &o) { } void draw_all() { } int num_vertexes(); int get_vertex( int *x, int *y, int *y); int draw_vertex { } R.Grossmann, P.Sobe 25 Objekte als Parameter (2) Bei Übergabe von Objekten an Methoden sind die Mechanismen der Parameterübergabe zu beachten. Bei der Übergabe als Wert würde der Compiler eine lokale Kopie des übergebenen Wertes erzeugen. Dazu wird der Kopierkonstruktor aufgerufen. Dies ist oft nicht wünschenswert (Ressourcenverschwendung, Nebeneffekte). Das bei der Wertübergabe erzeugte Objekt würde wie andere lokale Objekte am Ende der Funktion gelöscht und der zugehörige Destruktor aufgerufen. Das führt i.d.r. zu unerwünschten Wirkungen. Im allgemeinen ist es daher sinnvoll, Objekte als (konstante) Referenz zu übergeben. R.Grossmann, P.Sobe 26

14 Objekte als Parameter (3) Übergabe von Objekten als Referenz an Methoden: int register_geom_obj(geomobj &o) { for (int i=0; i<o.num_vertexes();i++) o.get_vertex(i, &geobj[a].v[i].x, &geobj[a].v[i].y, &geobj[a].v[i].z ); } // Kopiert Eckpunktkoordinaten von o auf lokales Objekt geobj[a] besser noch als konstante Referenz: int register_geom_obj(const geomobj &o) { R.Grossmann, P.Sobe Vererbung und Polymorphie Verschiedene Klassen sind oft in einigen grundlegenden Eigenschaften/Funktionen gleich. Gemeinsame Eigenschaften und Methoden können in einer Basisklasse definiert werden. Eine Spezialisierung erfolgt durch Erzeugung einer neuen abgeleiteten Klasse, die die Eigenschaften und Methoden der Basisklasse erbt. Die abgeleitete Klasse kann Neues hinzufügen zusätzliche Elementobjekte und zusätzliche Methoden Die abgeleitete Klasse kann Methoden und Operationen verändern (überschreiben) Objekte der Basisklasse und abgeleiteter Klassen sind zuweisungskompatibel. Es entsteht eine Klassenhierarchie Peter Sobe 28

15 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 //abgeleitete Klasse und gleich- // zeitig Basis-Klasse für C //abgeleitete Klasse //abgeleitete Klasse Alle Datenelemente einer Klasse, sowie alle Methoden mit Ausnahme der unten angegebenen werden an die abgeleitete Klasse vererbt. Nicht vererbt werden alle Konstruktoren und der Destruktor. R.Grossmann, P. Sobe 29 Konstruktoren abgeleiteter Klassen Konstruktoren werden nicht vererbt. Konstruktoren abgeleiteter Klassen müssen den Konstruktor der Basisklasse aufrufen, der für die Initialisierung der geerbten Anteile sorgt. Beispiel: class A //Basis-Klasse { private: int i; A(int k){i=k;} //Konstruktor class B : public A //abgeleitete Klasse { private: char c; B(char s,int j): A(j) {c=s;} // : A(j) ruft Basisklassen-Konstruktor auf R.Grossmann, P. Sobe 30

16 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 { private: int i; A(int k){i=k;} //Basis-Klasse //Konstruktor class B : public A //abgeleitete Klasse { private: char c; A a; //Elementobjekt B(char s,int j,int m) //Konstruktor abgl. Klasse : a(m),a(j) {c=s;} // A(j) Basisklassen-Konstruktor // a(m) ist Aufruf Elementobjekt-Konstr. R.Grossmann, P. Sobe 31 Elementobjektkonstruktoren in Konstruktoren abgeleiteter Klassen Beachten Sie, dass unabhängig von der Notation die Rufreihenfolge 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: int a, c; B(..., int m, int s, ) : a(m),a(j) {c=s;} // zuerst wird A(), dann a() und zuletzt B() ausgeführt R.Grossmann, P.Sobe 32

17 Vererbung und dynamisches Binden Durch Einfügen der Compilerdirektive virtual wird dynamisches Binden von Methoden erzwungen: class A //Basis-Klasse { virtual void Druck(){cout<< Klasse A ;} void Nachricht(){cout<< Nachricht von ; Druck() ;} class B : public A //abgeleitete Klasse { void Druck(){cout<< Klasse B ;} void main() {A a; B b; a.nachricht(); b.nachricht(); } Jetzt wird ausgegeben: Nachricht von Klasse A Nachricht von Klasse B R.Grossmann, P. Sobe 33 Beispiel für Polymorphie (1) class B { B(int n): b(n) {} virtual void f() {cout << b;} private: int b; class C: public B { C(int n1, int n2): B(n1), c(n2) {} virtual void f() {B::f(); cout << c; } private: int c; class D: public C { D(int n1, int n2, int n3): C(n1,n2), d(n3) {} virtual void f() {C::f(); cout << d;} private: int d; int main { B* b_array[3]; B b(6); C c(9,12); D d (16,18,20); b_array[0] = &b; b_array[1] = &c; b_array[2] = &d; for(int i=0;i<3;i++) b_array[i]->f(); } R.Grossmann, P. Sobe 34

18 Beispiel für Polymorphie (2) b_array Ausgabe des Programms: B b(6) C c(9,12) D d(16,18,20) Es reicht aus, den Typ der Basisklasse zu kennen und einheitliche Methodennamen für Basis- und abgleitete Klassen zu verwenden. Zur Laufzeit werden die Methoden der entsprechenden Objekte (Klassen) richtig ausgewählt, ohne dass sich der Programmierer darum kümmern muss. R.Grossmann, P. Sobe 35 Grafische Veranschaulichung von Klassen (1) Klassen können untereinander verschiedene Beziehungen eingehen: Klasse B als Elementobjekt von Klasse A allgemein kann eine Klasse viele verschiedene Elementobjekte besitzen, die möglicherweise auch Instanzen verschiedener Klassen sind. Elementobjekte können ebenfalls aus verschiedenen Elementobjekten bestehen. Es ergibt sich eine Hierarchie von Elementen, die die Beziehung enthalten sein in wiederspiegeln. Klasse B als abgeleitete Klasse von A eine Klasse wird typischerweise von einer Basisklasse abgeleitet. Die Basisklasse kann wiederum eine abgeleitete Klasse sein. Es ergibt sich eine Schichtung im Sinne von erbt von. Mehrfachvererbung ist aber auch möglich, d.h. eine Klasse kann von mehreren Basisklassen erben. Klassen können sich über Referenzen assoziieren, d.h. Beziehungen aufbauen, die nicht durch die Elementobjekt-Beziehung abgedeckt ist. Diese Assoziation ist beim Entwurf zu berücksichtigen. Die grafische Darstellung der Hierarchien und Schichtung erfolgt durch Klassendiagramme, die als Teil der UML (Unified Modeling Language) vereinheitlicht wurden. R. Grossmann, P. Sobe 36

19 Grafische Veranschaulichung von Klassen (2) Objektorientierter Entwurf als Schritt, der vor der eigentlichen Programmierung erfolgt Einzelne Klasse in UML-Notation: Name der Klasse Elementobjekte Methoden Beispiel: Person name: String vorname: String alter: unsigned int anmelden() abmelden() R.Grossmann, P.Sobe 37 Grafische Veranschaulichung von Klassen (2) Vererbung: Geometrisches Objekt X-Position: float Y-Position: float Darstellung() spezialisiert Rechteck Laenge: float Breite: float Darstellung() Ellipse Halbachse-a: float Halbachse-b: float Darstellung() Quadrat Kreis Darstellung() Darstellung() R.Grossmann, P.Sobe 38

20 Grafische Veranschaulichung von Klassen (3) Komposition (Ganzes enthält Teile) ElektrSchaltung 1 1..* Zweipol Simuliere() BerechneU() Die Komposition durch Pfeil mit ausgefüllter Raute, wobei Teile nicht ohne das Ganze existieren können. In C++ wird die Komposition z.b. durch Elementobjekte realisiert. Am Pfeil sind Multiplizitäten vermerkt, die erklären, wie viele Objekte jeweils die Beziehung eingehen. Die Aggregation ist ähnlich, wobei Teile auch ohne das Ganze existieren dürfen. Fahrgemeinschaft * Fahrgast Reise() Reise () R.Grossmann, P.Sobe 39 Grafische Veranschaulichung von Klassen (4) UML Assoziation eine inhaltliche Beziehung Konto 0.. * 1..* Kunde BucheAb() Kaufe() Klassen können Verweise (Zeiger, Referenzen) auf Objekte verwalten, um inhaltliche Beziehungen zu verwalten. R.Grossmann, P.Sobe 40

21 Vorgefertigte Klassenbibliotheken Beispiele: Klassenbibliotheken für grafische Ausgabe und Window-Systeme Microsoft MFC, Qt (Unix/Linux-Welt) Klassenbibliotheken für Datenstrukturen (Felder, Arrays, Listen), z.b. Standard Template Library.NET Klassenbibliothek, nutzbar für Programme in C#, C++, Visual Basic R.Grossmann, P. Sobe 41