Programmierung und Angewandte Mathematik

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1 Programmierung und Angewandte Mathematik C++ /Scilab Programmierung und Einführung in das Konzept der objektorientierten Anwendungen zu wissenschaftlichen Rechnens SS 2012

2 Ziele Sie verstehen wie Polymorphismus in C++ funktioniert und welchen Einfluss dabei virtuelle Methoden haben Sie verstehen das Konzept von Dynamischen und Statischen Casts und können diese Casts selbst anwenden Sie verstehen die grundlegende Idee von Mehrfachvererbung, die potentiellen Probleme, die dabei auftauchen, und wie man mit diesen Problemen umgeht 2

3 Eines der wichtigsten Konzepte der objektorientierten Programmierung Polymorphismus: eine Variable vom Typ einer Superklasse kann irgendein Objekt vom Typ einer Subklasse beinhalten (geht umgekehrt nicht!) Anders gesagt: der statische Typ (der bei der Deklaration angegebene Typ) einer Variablen kann sich von dem dynamischen Typ (der Typ des Werts, den die Variable gerade enthält) unterscheiden Auto-Beispiel: Eine Variable vom Typ DeutschesAuto (statischer Typ)......kann eine Variable vom Typ Mercedes (dynamischer Typ) enthalten Der Zusammenhang zwischen Polymorphismus und Method Overriding ist ein wichtiger Aspekt von objektorientierten Programmiersprache In Java wird immer die Methode des dynamischen Typs angewendet In C++ wird das Verhalten durch den Programmierer bestimmt 3

4 class Auto { virtual void marke() = 0; class DeutschesAuto : public Auto{ virtual void marke(){cout << "VW" << endl;} void fahre250() {cout << "geht nicht" << endl;} class Audi : public DeutschesAuto{ virtual void marke(){ cout << "Audi" << endl;} class Mercedes : public DeutchesAuto{ virtual void marke(){ cout << "Mercesdes" << endl;} void fahre250(){ cout << "sicher!" << endl;} Identischer Methoden kopf heißt, dass sowohl Sichtbarkeit, Rückgabewert, Methodenname und die Datentypen der Methodenparameter gleich sein müssen. Beim Auto-Beispiel wird die Methode marke von Auto in DeutschesAuto überschrieben, welche dann wiederum in den Klassen Audi und Mercedes überschrieben werden. fahre250 ist zum ersten mal in Deutsches Auto definiert i und wird in der Klasse Mercedes überschrieben, nicht aber in der Klasse Audi., und ist nicht virtuell. 4

5 Polymorphismus in C++ mit Zuweisung von Objekten: Mercesdes m; m.marke(); // Mercesdes m.fahre250(); // sicher DeutschesAuto da; da = m; da.marke(); // VW da.fahre250(); // geht nicht Erklärung: Für die Variablen m und da auf dem Stack wird der Speicherplatz bereits zur Kompilierzeit bestimmt Bei der Zuweisung da = m muss also die grössere Variable m (Mercesdes ist ja eine Erweiterung von DeutschesAuto) im Speicherplatz der kleineren Variablen da abgespeichert werden Dabei wird im Wesentlichen diese Erweiterung einfach abgeschnitten (slicing), womit die neue Information von m (zum Beispiel die überschriebenen Methoden) gar nicht verwendet werden können Werden Objekte einender zugewiesen, so werden immer die Methoden des statischen Typs (DeutschesAuto) verwendet in -> diesem Fall existiert gar kein Polymorphismus Bei der Zuweisung werden keine Pointer kopiert, sondern immer die Objekte selbst Weil ein Objekt vom Typ Mercesdes in einem Objekt vom Typ DeutschesAuto keinen Platz hat, fallen die Erweiterungen der Klasse Mercesdes weg Dadurch wird das Objekt in ein DeutschesAuto konvertiert und verhält sich auch genau so 5

6 Polymorphismus in C++ mit Zuweisung von Pointern: Mercesdes m; m.marke(); // Mercesdes m.fahre250(); // sicher DeutschesAuto *da = &m; da->marke(); // Mercedes da->fahre250(); // geht nicht Erklärung: Bei der Zuweisung da = &m werden nur Pointer kopiert, da zeigt also auf den Anfang von m; und damit auf das gesamte Mercesdes -Objekt. Dadurch ist Polymorphismus prinzipiell möglich. Werden Spezifikation und Implementierung der Klasse getrennt (was man ja eigentlich immer machen sollte), so wird das Keyword virtual nur bei der Spezifikation der Klasse, nicht aber bei der Implementierung angegeben. Werden statt Objekte Pointer zugewiesen, so wird......die Methode des dynamischen Typs (Mercesdes verwendet, wenn die entsprechende Methode als virtual definiert wurde Andernfalls wird die Methode des statischen Typs (DeutschesAuto) verwendet Polymorphismus in C++ entspricht also Polymorphismus in Java, wenn: Mit Pointern gearbeitet wird Und wenn alle Methoden (die overridden werden) als virtual definiert i werden 6

7 Bei Polymorphismus spricht man auch oft von early binding und late binding Early binding: bereits während des Kompilierens weiss man, welche Methode ausgeführt werden wird (statischer Typ): da.marke(); Im diesen Fall sieht der Compiler, dass da eine Objektvariable vom Typ DeutschesAuto ist (kein Pointer, keine Referenz) und weiss damit, dass auf jeden Fall die Methode marke() von DeutschesAuto aufgerufen wird. Der Methodenaufruf kann also fix in das ausführbare Programm eingefügt werden. Late binding: erst zur Laufzeit kennt man den dynamischen Typ und dadurch die entsprechende Methode: da->marke(); Hier ist da ein Pointer auf ein DeutschesAuto (Referenz wäre identisch). Weil dieser Pointer aber auch auf einen mercedes oder einen Audi zeigen kann und die Methode marke() zudem virtual ist, kann erst zur Laufzeit anhand des dynamischen Typs entschieden werden, welche Methode zum Zug kommt. Der Aufwand für diese zusätzliche Entscheidung ist der Preis von Polymorphismus und resultiert während der Programmausführung in einem kleinen Performanceverlust. Eine Methode, die in einer Superklasse nicht virtual ist, kann in Subklassen nicht virtual gemacht werden Ebenso bleibt eine virtual Methode immer virtual, auch wenn in Subklassen das virtual Keyword nicht angegeben wird (in diesem Fall ist das Keyword virtual also optional) 7

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