Разработка класса в ООП: определение и реализация класса. Члены класса. Уровни видимости. Inline-функции.

Основные этапы разработки класса

Прежде всего, необходимо привести словесное описание разрабатываемого класса. При разработке класса нужно представить определение класса, которое включает в себя:

- определение имени класса (определяет новый тип; абстракция, с которой будем иметь дело);

- определение состояния класса (состав, типы и имена полей в классе, предназначенных для хранения информации, а также уровни их защиты); данные, определяющие состояние класса, получили название членов-данных класса;

- определение методов класса (определение прототипов функций, которые обеспечат необходимую обработку информации). На этом этапе приводится словесное описание того, что мы хотим получить от класса, не указывая, как мы этого добьемся.

Пример

Рассмотрим класс “рациональная дробь” – Rational.

Состояние класса: два поля типа “целое”, с именами num (от numerator – числитель) и den (от denominator – знаменатель). Пока ограничиваемся диапазоном представления в стандартных типах. Дополнительные требования: знаменатель не должен быть равен нулю, ни при каких условиях; знаменатель всегда положителен, знак дроби определяется знаком числителя; поля класса не должны быть доступны извне класса непредусмотренными классом способами.

Методы класса: традиционные арифметические операции (сложение, умножение и т.п.), ввод/вывод; кроме того, потребуются вспомогательные операции для выполнения арифметических операций – типа сокращения дроби и т.п.

Определение класса

Представление класса на языке программирования С++.

Для определения класса предусмотрено специальное ключевое слово class, но можно использовать и традиционное struct.

Синтаксис определения класса приведен на рис. 2-1.

Class имя_класса{ уровень_видимости: описания_полей_класса прототипы_функций-методов_класса уровень_видимости: . . . };

struct имя_класса{ уровень_видимости: описания_полей_класса прототипы_функций-методов_класса уровень_видимости: . . . };

Рис. 2-1. Определение класса

Уровень_видимости задается одним из трех ключевых слов:

- private – определяет закрытую часть класса, не доступную извне класса;

- protected – пока для нас аналогичен private; различия между ними проявляются при использовании наследования;

- public – определяет открытую часть класса, видимую и доступную извне класса.

Определение класса можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 2-2):

Рис. 2-2. Уровни видимости класса

Методы класса определены для класса, предназначены для обработки информации, определяющей состояние класса, поэтому всегда видят его (состояние).

Описания_полей_класса и прототипы_функций определяются в соответствии с обычными правилами С++ (рис. 2-3).

class X{ private: int a1; void f1(); protected: char a2; public: double a3; int f3(); };

struct X{ private: int a1; void f1(); protected: char a2; public: double a3; int f3(); };

Рис. 2-3. Пример определения класса

Объявляем экземпляр нового типа данных X – в соответствии с обычными правилами (независимо от того, определен класс с помощью struct или class):

X obj;

Тогда обращения:

obj.a1, obj.a2, obj.f1() – вызовут сообщения об ошибке (члены класса a1, a2 и f1() не видны (не доступны) извне класса;

obj.a3, obj.f3()– корректны.

Внутри функций-методов класса f1()и f3()можно без опасений использовать все имена: a1, a2, a3, f1()и f3().

Порядок следования ключевых слов, определяющих уровень видимости, произволен; они могут появляться неоднократно или отсутствовать в определении класса. Если в начале определения класса отсутствует уровень видимости, тогда для class предполагается private, а для struct – public (рис. 2-4).

определение class X{ int a1; void f1(); . . . }; эквивалентно class X{ private: int a1; void f1(); . . . }; a)

определение struct X{ int a1; void f1(); . . . }; эквивалентно struct X{ public: int a1; void f1(); . . . }; b)

Рис. 2-4. Правила умолчания для class (a) и struct (b)

В дальнейшем для определения класса будем использовать ключевое слово class.

Рекомендации по поводу использования уровней видимости при определении класса

Члены-данные класса, определяющие его состояние, как правило, помещаются в private- или protected- область класса – они не должны быть непосредственно доступны извне класса. Доступ к состоянию класса должен определяться только интерфейсом класса.

Методы класса могут размещаться в любой области видимости класса. Это определяется особенностями функционирования и использования класса с позиций прикладной задачи.

3. Конструкторы и деструктор: назначение и типы конструкторов; определение и реализация конструкторов; параметры по умолчанию. Использование конструкторов при различных способах создания экземпляров класса. Назначение и использование деструктора. Определение и реализация деструктора. [3, стр.6 - 9]

Конструкторы служат для инициализации экземпляров класса в момент их создания.

Часто конструкторы определяют как методы, предназначенные для создания экземпляров класса. Это не совсем корректно, так как экземпляр класса непосредственно создается (т.е. под него выделяется память) не конструктором, а соответствующими программными средствами, в соответствии с определением языка. Так, например, при определении локальных объектов память под них выделяется в момент вызова функции, в которой эти объекты определяются; при использовании динамических объектов память выделяется при выполнении оператора new. Конструктор непосредственно память не выделяет, но вызывается для инициализации выделенной памяти – т.е. в момент создания экземпляров класса. Однако при выполнении каких-либо вычислений может потребоваться создание временных экземпляров класса, которые уничтожаются по окончании этих вычислений; для создания таких временных экземпляров класса также используется конструктор.

При определении класса можно определить несколько конструкторов, которые можно классифицировать опять же по двум независимым критериям: каким образом конструктор инициализирует состояние класса и кем определен конструктор.

По тому, каким образом конструктор инициализирует состояние класса, конструкторы определяются как инициализирующие и копирующий.

Инициализирующие конструкторы содержат отдельные значения, используемые для инициализации состояния полей экземпляра класса. В списке параметров может быть указан нуль, один или более параметров любых типов. Один из инициализирующих конструкторов, имеющий пустой список параметров, имеет специальное наименование – пустой конструктор. Пустой конструктор также инициализирует состояние экземпляра класса, используя для этого предопределенные значения (в соответствии с требованиями задачи).

Копирующий конструктор инициализирует состояние класса значением другого экземпляра этого класса (создает копию существующего экземпляра класса). В списке параметров указывается единственный параметр, имеющий тип «ссылка на экземпляр класса».

По тому, кто определяет конструкторы, последние делятся на конструкторы по умолчанию (не требуют какого-либо упоминания в определении класса) и явно определенные программистом.

Конструкторы по умолчанию: только пустой и копирующий. Пустой конструктор по умолчанию не инициализирует состояние экземпляра класса. Копирующий конструктор по умолчанию при инициализации осуществляет побайтное копирование состояния указанного существующего экземпляра класса.

Конструкторы, определенные программистом: любые. Они осуществляют инициализацию состояния экземпляра класса в соответствии с логикой, определенной в конструкторе. Если программист определяет свои конструкторы, будут использоваться именно они. Если есть хотя бы один инициализирующий конструктор, определенный программистом, пустой конструктор по умолчанию не используется (даже если программист не определил собственный пустой конструктор).

Прототип конструктора не имеет типа возвращаемого значения (конструктор ничего не возвращает); имя конструктора совпадает с именем класса; в классе может быть определено несколько конструкторов.

Деструктор служит для разрушения экземпляра класса. Опять же, память, занятая экземплярами класса, освобождается в соответствии с используемыми средствами языка. Локальный объект уничтожается, когда осуществляется выход за пределы области видимости для этого объекта. Динамический объект уничтожается при выполнении оператора delete. Временный объект уничтожается по окончании вычислений, в которых он используется. В момент уничтожения объектов (перед уничтожением) для них вызывается деструктор.

В классе может быть определен только один деструктор. Также существует деструктор по умолчанию или явно определенный программистом. Деструктор по умолчанию не выполняет никаких действий. Деструктор, определенный программистом, выполняет действия, указанные в его определении.

Прототип деструктора также не имеет типа возвращаемого значения; имя деструктора также совпадает с именем класса, но начинается символом ~.

Правила записи прототипов конструкторов разных типов и деструктора приведены на рис. 2-5

Тип метода	Прототип	Примечания
Пустой конструктор	имя_класса();	Инициализирует состояние предопределенными значениями
Инициализирующие конструкторы	имя_класса(тип параметр, ...);	Тип – любой; инициализирует состояние значениями, заданными в списке аргументов
Копирующий конструктор	имя_класса(const имя_класса & параметр);	Инициализирует состояние значением указанного в списке аргументов экземпляра данного класса; модификатор const указывает, что для инициализации экземпляра класса можно использовать константы
Деструктор	~ имя_класса ();

Рис. 2-5. Правила записи прототипов конструкторов и деструктора

Пример определения класса Рациональная дробь (Rational) приведен ниже (рис. 2-6).

class Rational{

private:

int num, den; // состояние класса – числитель и знаменатель дроби

int gcd() const; // метод класса – селектор: нахождение наибольшего общего делителя

void reduce(); // метод класса – модификатор: сокращение дроби

void correct(); // метод класса – модификатор: коррекция дроби

protected:

/* отсутствует: можно совсем не включать данную часть класса, вместе с ключевым
словом
*/

public:

/* Конструкторы класса */

Rational(); // пустой конструктор

Rational(int num); // инициализирующий конструктор

Rational(int num, int den); // инициализирующий конструктор с 2 аргументами

/* Деструктор класса */

~Rational();

/* Методы класса: селекторы */

void print()const; // вывод значения дроби в поток

Rational add(const Rational &opd)const; // сложение дробей

/* Модификатор */

void assign(int x, int y); // присваивание дроби нового значения

};

Рис. 2-6. Пример определения класса Рациональная дробь

4. Методы класса: классификация методов, доступ к членам класса, неявный параметр this. Определение и реализация методов. Использование методов для экземпляров класса. [3, стр.6 – 7, 9-16]

Методы класса можно классифицировать по двум независимым критериям – по функциональному назначению и по их отношению к классу.

По функциональному назначению методы класса делятся на следующие категории:

- конструкторы – предназначены для инициализации состояния экземпляров класса при их создании;

- деструкторы – предназначены для выполнения каких-то дополнительных действий в момент уничтожения экземпляров класса;

- селекторы – предназначены для обработки состояния класса без его изменения;

- модификаторы – предназначены для изменения состояния класса;

- итераторы – предназначены для организации последовательного доступа к элементам данных, определяющих состояние некоторого (одного) экземпляра класса.

По отношению к классу методы делятся на следующие две категории:

- функция-член класса – функция, принадлежащая самому классу и не существующая вне класса; прототипы функций-членов класса включены в определение класса;

- функция-друг класса – внешняя по отношению к классу функция, которая может существовать вне класса, но имеет доступ к закрытой (и защищенной) части класса. Прототип функции-друга класса также включается в определение класса, но начинается специальным ключевым словом friend.

Конструкторы и деструкторы класса могут быть реализованы только функциями-членами класса и имеют специальный синтаксис. Другие методы класса имеют обычный синтаксис функций языка С++ и могут быть реализованы и функциями-членами, и функциями-друзьями класса. Мы пока ограничимся рассмотрением только функций-членов класса.

Как уже было сказано, прототипы функций-членов класса включаются в определение класса. Рассмотрим следующий пример. Пусть определен простой класс X, состояние которого – целое в формате слова. Пусть для этого класса определены две функции-члена класса: функция-селектор int get() – вернуть значение состояния, и функция-модификатор void set(int) – установить значение. Прототипы функций включаются в открытую (public) часть класса:

class X{

private:

int a;

public:

int get();

void set(int);

};

Приведенное выше определение класса, к сожалению, не позволяет определить, какая из двух функций является селектором. С точки зрения компилятора, обе функции могут изменять состояние класса, т.е. обе функции являются модификаторами. Чтобы определить функцию-селектор, необходимо явно указать, что состояние класса меняться не будет. Для этого в конце прототипа функции, перед точкой с запятой, добавляется ключевое слово const:

class X{

private:

int a;

public:

int get() const; // функция-селектор

void set(int); // функция-модификатор

};

Использование класса

В соответствии с определением языка С++, новый класс представляет собой новый тип данных, определенный пользователем. Использование этого типа, с одной стороны, определяется обычными правилами языка (действующими и для стандартных типов языка). С другой стороны, использование классов предполагает использование и новых возможностей.

Так, в соответствии с обычными правилами языка, любой объект, используемый в программе, должен быть предварительно определен с помощью предложений описания типа. Для созданного класса (нового типа) это определение выглядит следующим образом:

имя_класса имя_объекта;	// элементный объект	Rational a;
имя_класса имя_объекта [количество];	// массив объектов	Rational b[4];
имя_класса *имя_объекта;	// указатель на объект	Rational *ptr;

При определении объектов они могут быть инициализированы. При этом если конструкторы в определении класса отсутствуют, правила инициализации объектов определяются стандартными правилами инициализации структуры. Если же в определении класса включены конструкторы, тогда инициализация экземпляров класса осуществляется соответствующим конструктором в соответствии со следующими правилами:

а) элементные объекты

имя_класса имя_объекта, // пустой конструктор имя_объекта(значение), // одноаргументный инициализирующий конструктор

имя_объекта(знач1, знач2), // 2-х аргументный инициализирующий конструктор

имя_объекта1(имя_объекта2); // копирующий конструктор

Например, для класса Rational это будет выглядеть так:

Rational a1, // пустой конструктор

a2(2), // одноаргументный инициализирующий конструктор

a3(2, 5); // 2-х аргументный инициализирующий конструктор

Rational b(a1); // копирующий конструктор; эквивалентная запись –

// Rational b = a1;

При определении массива объектов для каждого элемента массива будет вызван пустой конструктор. Помимо этого, можно инициализировать значения элементов массива – в соответствии с обычными правилами языка:

имя_класса имя_объекта[количество] = {знач1, знач2, . . .};

знач1, знач2, . . . – константные значения соответствующего класса. Так как в языке не определены константы для создаваемого нового класса, в качестве таких значений используется явный вызов какого-либо конструктора. Это приведет к созданию временного объекта нового типа (класса), который после использования будет уничтожен.

Например, для класса Rational это выглядит так:

Rational mas[4] = {Rational(), // пустой конструктор

Rational(2), // одноаргументный конструктор

Rational(3, 8), // 2-х аргументный конструктор

Rational(a1) // копирующий конструктор

};

Если определен указатель на новый класс, объект может быть построен динамически с помощью оператора new. Использование оператора традиционное:

имя_класса *имя_объекта;

имя_объекта = new имя_класса; – выделяется память под один экземпляр класса; будет вызван пустой конструктор

имя_объекта = new имя_класса(арг, . . .); – также выделяется память под один экземпляр; для его инициализации будет вызван указанный конструктор

имя_объекта = new имя_класса [количество]; – выделяется память под массив экземпляров; для каждого экземпляра массива будет вызван пустой конструктор

Примеры для класса Rational:

Rational *p1, *p2, *p3;

p1 = new Rational; // инициализация пустым конструктором

p2 = new Rational(2, 3); // инициализация 2-х аргументным конструктором

p3 = new Rational[5]; // массив из 5 элементов; для каждого элемента вызывается

// пустой конструктор

Реализация класса

Реализация класса предполагает разработку и написание на языке всех функций – методов класса. Каждая функция должна быть определена (и только один раз). Определение функции имеет обычный вид:

тип_результата имя_функции (тип пар1, …)// заголовок функции

{ тело_функции }

Функцию можно определить со спецификатором inline. Такие функции называются встроенными:

inlineтип_результата имя_функции (тип пар1, …)

{ тело_функции }

Спецификатор inline указывает компилятору, что он должен пытаться каждый раз генерировать в месте вызова код, соответствующий указанной функции, а не создавать отдельно (один раз) код функции и затем вызывать его, используя обычный механизм вызова. Отличия в использовании обычных и встроенных функций приведены на рис. 2-7.

Рис. 2-7. Использование обычных и встроенных функций

Пока мы рассматриваем реализацию функций-членов класса. Как указывалось ранее, функции-члены класса являются неотъемлемой частью класса и не существуют вне класса. Так как различные классы могут иметь функции-члены с одинаковыми именами и одинаковыми списками параметров, при определении функции-члена класса необходимо указать имя этого класса (здесь используется специальный оператор языка – оператор разрешения видимости ::); в результате определение функции-члена класса будет иметь вид:

тип_результата имя_класса::имя_функции (тип пар1, …)

{ тело_функции }

Определения функций могут быть размещены вне класса или включены в определение класса; в последнем случае получаем inline-функции.

При реализации функций-членов класса необходимо обращаться к членам класса – данным и функциям. Такое обращение осуществляется в соответствии с правилами использования таких функций. В теле функции-члена класса имена членов этого же класса можно использовать без явного указания объекта. В данном случае имя относится к члену того объекта, для которого вызвана функция. Если возникают какие-либо неоднозначности (например, имя параметра функции совпадает с именем какого-либо члена класса), можно использовать полное квалификационное имя членов класса: имя_класса::имя_члена_класса (здесь может быть указано имя и данного – члена класса, и функции-члена класса).

Внутри функций-членов класса определен специальный неявный параметр this – он имеет тип “указатель на данный класс”; его значение определяет адрес конкретного объекта (экземпляра класса), которому посылается соответствующее сообщение (или для которого вызывается соответствующая функция-член класса). Возможен доступ к членам класса по этому указателю:

this->имя_члена

Если нет никаких неясностей и неопределенностей, спецификаторы имя_класса и/или this-> могут быть опущены.

Пример: реализация класса Rational

Рассмотрим реализацию класса Rational, определенного выше.

class Rational{

private:

int num, den; // состояние класса – числитель и знаменатель дроби

int gcd() const; // метод класса – селектор: нахождение наибольшего общего делителя

void reduce(); // метод класса – модификатор: сокращение дроби

void correct(); // метод класса – модификатор: коррекция дроби

protected:

public:

/* Конструкторы класса: пустой; инициализирует дробь значением 0 */

Rational(){num = 0; den = 1; }

/* Инициализирующий с 1 аргументом; инициализирует дробь целым значением */

Rational(int num){Rational::num = num; den = 1; }

/* Инициализирующий с 2 аргументами; инициализирует дробь заданным значением */

Rational(int num, int den) {num = n; den = d; correct(); }

/* Деструктор класса */

~Rational(){}

/* Методы класса: селекторы */

void print() const;

Rational add(const Rational &opd) const;

/* Модификатор */

void assign(int x, int y);

};

Инициализирующие конструкторы обычно небольшие по размерам, поэтому их определение обычно включается в определение класса. Определение методов класса также можно включить в определение класса, если оно не велико. Но лучше вынести за пределы класса, используя при необходимости указание inline.

Реализация методов класса

При реализации методов класса необходимо разработать и написать определение функции в соответствии с обычным синтаксисом:

тип имя (тип параметр1, тип параметр2, …)

{ . . . }

Но так как эта функция является функцией-членом класса и не существует вне связи с классом, принадлежность функции классу указывается в имени функции с помощью оператора разрешения видимости (::):

тип имя_класса::имя_функции ( тип параметр1, тип параметр2, …)

{ . . . }

Рассмотрим реализацию функций-членов класса Rational:

inline void Rational::correct()

{ if(!den)

den = 1;

if(den < 0)

num = -num, den = -den; }

inline void Rational::assign(int x, int y)

{ num = x;

den = y;

correct(); }

Видно, что две функции – двухаргументный конструктор и assign – имеют одинаковые коды; но это функционально разные функции: конструктор будет вызываться при объявлении и инициализации данных типа Rational, тогда как assign можно вызывать неоднократно – каждый раз, когда с помощью присваивания нужно изменить значение уже существующего экземпляра класса. Отличие такое же, как и в случае использования базовых типов: int x = 1; ... x = 1; ...

// Нахождение наибольшего общего делителя для числителя и знаменателя дроби.

// Известно, что знаменатель дроби всегда > 0

int Rational::gcd() const

{

int n = abs(num), d = den, r;

while(r = n % d) // вычисляется остаток от деления и сравнивается с 0

n = d, d = r; // переопределяются делимое и делитель

return r;

}

// Сокращение дроби

void Rational::reduce()

{ int div = gcd();

num /= div;

den /= div; }

// Сложение дробей

Rational Rational::add(const Rational &opd) const

{ Rational temp;

temp.num = num * opd.den + den * opd.num;

temp.den = den * opd.den;

temp.reduce();

return temp; }

// Вывод значения дроби в выходной поток

void Rational::print() const

{ cout << num;

if(den > 1)

cout << ’/’<< den; }

Использование класса

Конкретные объекты (экземпляры класса) создаются при локальном и внешнем объявлении данных в соответствии с обычными правилами языка. Они могут быть объявлены как простые переменные, массивы, указатели (для создания экземпляров класса в свободной памяти), члены-данные других классов, могут создаваться как временные переменные в процессе вычислений. Объявления экземпляров класса имеют специфический синтаксис только при инициализации объявляемых данных.

· Простые переменные:

Rational a, /* пустой конструктор; конструкция Rational a() определяет
обычную функцию, возвращающую значение типа Rational */

d(5), /* одноаргументный инициализирующий конструктор */

b(3,8); /* двухаргументный инициализирующий конструктор */

Возможна и традиционная инициализация экземпляров класса:

Rational c = 8, /* В результате будет создана дробь со значением 8/1 */

p = Rational(3,8); /* Так как при классической инициализации требуются значения соответствующего типа, а в языке не определены константы типа Rational, нужно построить такую константу, явно вызвав конструктор класса */

· Массивы:

Rational x[3], /* Используется пустой конструктор для создания каждого элемента
массива */

y[] = {2, 1, Rational(3,8)}; /* Обычный синтаксис при инициализации массива, обязательно используются значения соответствующего типа */

· Использование свободной памяти

Rational *ptr1, *ptr2;

ptr1 = new Rational(1,3); /* Классическое использование операции new, в которой указывается имя нового типа; при этом возможна сразу и инициализация выделенной области памяти за счет работы соответствующего конструктора */

ptr2 = new Rational[4]; /* Если выделяется память под массив, работает только пустой конструктор; инициализация памяти не выполняется */

Важное правило: если создается тем или иным способом массив экземпляров класса, класс должен иметь пустой конструктор.

Пример использования класса

main()

{ Rational a(2), b[3], x, y;

const Rational c(5,8);

// Вывод значения дроби a

a.print(); cout << endl;

// Вывод значения элемента массива b

b[1].print(); cout << endl;

// Сложение значений дробей a и c

x = a.add(c);

// Вывод результата сложения

x.print(); cout << endl;

// Сложение дроби x с дробью 3/5 и вывод результата

x.add(Rational(3,5)).print(); cout << endl;

/* Для свободной памяти */

Rational *ptr;

ptr = new Rational(3,8);

(*ptr).print(); cout << endl; /* Возможна и запись ptr->print(); */

}

Ошибки:

a.gcd()

a.reduce()

и т.п.

Еще пример – решение основной задачи (система двух уравнений с двумя неизвестными). Предполагается, что для класса Rational определены все арифметические операции: сложения (add), вычитания (sub), умножения (mul) и деления (div).

Решить систему вида:

Значения коэффициентов системы приведены в таблице:

a	b	c	d	e	f
		-1

Решение имеет вид:

определитель системы det = a * e - d * b;

x = (c * e - b * f) / det;

y = (a * f - d * c) / det;

Чтобы умножить a на e, нужно экземпляру a послать сообщение: “умножь себя (свое значение) на e”: a.mul(e);

main()

{

Rational a(2), b(3), c(-1), d(5), e(2), f(3), x, y;

Rational det;

det = (a.mul(e)).sub(d.mul(b));

x = (c.mul(e)).sub(b.mul(f)).div(det);

y = (a.mul(f)).sub(d.mul(c)).div(det);

x.print(); cout << ’,’; y.print(); cout << endl;

}