Что такое классы и методы
Классы в C++ — урок 10
Весь реальный мир состоит из объектов. Города состоят из районов, в каждом районе есть свои названия улиц, на каждой улице находятся жилые дома, которые также состоят из объектов.
Основные понятия
Классы в программировании состоят из свойств и методов. Свойства — это любые данные, которыми можно характеризовать объект класса. В нашем случае, объектом класса является студент, а его свойствами — имя, фамилия, оценки и средний балл.
Функция calculate_average_ball() просто делит сумму всех промежуточных оценок на их количество.
Модификаторы доступа public и private
Обычно, приватными делают все свойства класса, а публичными — его методы. Все действия с закрытыми свойствами класса реализуются через его методы. Рассмотрим следующий код.
Мы не можем напрямую обращаться к закрытым данными класса. Работать с этими данными можно только посредством методов этого класса. В примере выше, мы используем функцию get_average_ball() для получения средней оценки студента, и set_average_ball() для выставления этой оценки.
Программа учета успеваемости студентов
Теперь создайте файл main.cpp со следующим содержимым.
Объект класса Students характеризует конкретного студента. Если мы захотим выставить оценки всем ученикам в группе, то будем создавать новый объект для каждого из них. Использование классов очень хорошо подходит для описания объектов реального мира.
Скомпилируйте и запустите программу.
Отделение данных от логики
Вынесем реализацию всех методов класса в отдельный файл students.cpp.
А в заголовочном файле students.h оставим только прототипы этих методов.
Такой подход называется абстракцией данных — одного из фундаментальных принципов объектно-ориентированного программирования. К примеру, если кто-то другой захочет использовать наш класс в своем коде, ему не обязательно знать, как именно высчитывается средний балл. Он просто будет использовать функцию calculate_average_ball() из второго примера, не вникая в алгоритм ее работы.
Создание объекта через указатель
При создании объекта, лучше не копировать память для него, а выделять ее в в куче с помощью указателя. И освобождать ее после того, как мы закончили работу с объектом. Реализуем это в нашей программе, немного изменив содержимое файла main.cpp.
При создании статического объекта, для доступа к его методам и свойствам, используют операция прямого обращения — « . » (символ точки). Если же память для объекта выделяется посредством указателя, то для доступа к его методам и свойствам используется оператор косвенного обращения — « -> ».
Конструктор и деструктор класса
Конструктор класса — это специальная функция, которая автоматически вызывается сразу после создания объекта этого класса. Он не имеет типа возвращаемого значения и должен называться также, как класс, в котором он находится. По умолчанию, заполним двойками массив с промежуточными оценками студента.
Мы можем исправить двойки, если ученик будет хорошо себя вести, и вовремя сдавать домашние задания. А на «нет» и суда нет 🙂
Деструктор класса вызывается при уничтожении объекта. Имя деструктора аналогично имени конструктора, только в начале ставится знак тильды
Программирование на C, C# и Java
Уроки программирования, алгоритмы, статьи, исходники, примеры программ и полезные советы
ОСТОРОЖНО МОШЕННИКИ! В последнее время в социальных сетях участились случаи предложения помощи в написании программ от лиц, прикрывающихся сайтом vscode.ru. Мы никогда не пишем первыми и не размещаем никакие материалы в посторонних группах ВК. Для связи с нами используйте исключительно эти контакты: vscoderu@yandex.ru, https://vk.com/vscode
Что такое класс в ООП
Класс – это ключевое понятие в объектно-ориентированном программировании. Не до конца понимая, что такое класс, невозможно успешно программировать в рамках парадигмы ООП. Данная статья посвящена понятию класса и его базовым элементам, таким как поля, методы и конструкторы.
Когда Вы переходите от процедурных языков (Си, Pascal, Basic) к объектно-ориентированным (C#, Java, C++), первое, что вам нужно сделать – это сломать своё мышление относительно того, что программирование – это написание функций и их последовательный вызов в некоторой главной (main). В рамках ООП вам придётся мыслить более абстрактно и работать с классами, которые являются воплощением объектов реального мира. Казалось бы, почему мыслить в рамках реальных объектов – это значит мыслить более абстрактно?
В программировании, которое изначально было процедурным, переход в объектам – это переход на один уровень абстракции выше. Парадоксально, но новичкам на первых порах довольно сложно перейти к мышлению в рамках реальных объектов при написании кода. Но освоив объектно-ориентированное программирование, вы, несомненно, останетесь довольны, потому что его мощь позволит вам создавать сложные программы значительно быстрее. Мы же со своей стороны постараемся на примерах доходчиво объяснить, что такое класс, и как его использовать. Приступим.
Что такое класс?
В объектно-ориентированном программировании (ООП) – класс это основной элемент, в рамках которого осуществляется конструирование программ. Класс содержит в себе данные и код, который управляет этими данными.
Класс зачастую описывает объект реального мира. Как и реальный объект, класс содержит свой набор параметров и характеристик. Каждый такой параметр называется поле класса (очень похоже на обычные переменные). Также класс способен манипулировать своими характеристиками (полями) с помощью методов класса (похожи на функции в процедурных языках). Рассмотрим такой объект, как автомобиль.
Оговоримся, что данная статья исключительно для начинающих. В ней не рассматривается наследование, абстрактные классы и т.д.
Создание класса
Что имеет автомобиль? В частности, это:
Напишем класс Car (автомобиль) на C# (аналогично на Java):
Урок №113. Классы, Объекты и Методы
Обновл. 13 Сен 2021 |
Хотя язык C++ предоставляет ряд фундаментальных типов данных (например, char, int, long, float, double и т.д.), которых бывает достаточно для решения относительно простых проблем, для решения сложных проблем функционала этих простых типов может не хватать.
Классы
Одной из наиболее полезных особенностей языка C++ является возможность определять собственные типы данных, которые будут лучше соответствовать в решении конкретных проблем. Вы уже видели, как перечисления и структуры могут использоваться для создания собственных пользовательских типов данных. Например, структура для хранения даты:
Перечисления и структуры — это традиционный (не объектно-ориентированный) мир программирования, в котором мы можем только хранить данные. В C++11 мы можем создать и инициализировать структуру следующим образом:
Для вывода даты на экран (что может понадобиться выполнить и не раз, и не два) хорошей идеей будет написать отдельную функцию, например:
Результат выполнения программы:
В объектно-ориентированном программировании типы данных могут содержать не только данные, но и функции, которые будут работать с этими данными. Для определения такого типа данных в языке C++ используется ключевое слово class. Использование ключевого слова class определяет новый пользовательский тип данных — класс.
В языке C++ классы очень похожи на структуры, за исключением того, что они обеспечивают гораздо большую мощность и гибкость. Фактически, следующая структура и класс идентичны по функционалу:
Единственным существенным отличием здесь является public — ключевое слово в классе (о нем мы поговорим детально на соответствующем уроке).
Так же, как и объявление структуры, объявление класса не приводит к выделению какой-либо памяти. Для использования класса нужно объявить переменную этого типа класса:
В языке C++ переменная класса называется экземпляром (или «объектом») класса. Точно так же, как определение переменной фундаментального типа данных (например, int x ) приводит к выделению памяти для этой переменной, так же и создание объекта класса (например, DateClass today ) приводит к выделению памяти для этого объекта.
Методы классов
Помимо хранения данных, классы могут содержать и функции! Функции, определенные внутри класса, называются методами. Методы могут быть определены, как внутри, так и вне класса. Пока что мы будем определять их внутри класса (для простоты), как определить их вне класса — рассмотрим несколько позже.
Класс Date с методом вывода даты:
Результат выполнения программы:
Обратите внимание, как эта программа похожа на вышеприведенную программу, где используется структура. Однако есть несколько отличий. В версии DateStruct нам нужно было передать переменную структуры непосредственно в функцию print() в качестве параметра. Если бы мы этого не сделали, то функция print() не знала бы, какую переменную структуры DateStruct выводить. Нам тогда бы пришлось явно ссылаться на члены структуры внутри функции.
Рассмотрим определение метода print() еще раз:
По сути, связанный объект неявно передается методу. По этой причине его часто называют неявным объектом.
Детально о том, как передается неявный объект методу, мы поговорим на соответствующем уроке. Ключевым моментом здесь является то, что для работы с функциями, не являющимися членами класса, нам нужно передавать данные в эту функцию явно (в качестве параметров). А для работы с методами у нас всегда есть неявный объект класса!
Использование префикса m_ (англ. «m» = «members») для переменных-членов помогает различать переменные-члены от параметров функции или локальных переменных внутри методов класса. Это полезно по нескольким причинам:
Обычно программисты пишут имена классов с заглавной буквы.
Правило: Пишите имена классов с заглавной буквы.
Вот еще один пример программы с использованием класса:
Результат выполнения программы:
В отличие от обычных функций, порядок, в котором определены методы класса, не имеет значения!
Примечание о структурах в C++
В языке Cи структуры могут только хранить данные и не могут иметь связанных методов. После проектирования классов (используя ключевое слово class) в языке С++, Бьёрн Страуструп размышлял о том, нужно ли, чтобы структуры (которые были унаследованы из языка Си) имели связанные методы. После некоторых размышлений он решил, что нужно. Поэтому в программах, приведенных выше, мы также можем использовать ключевое слово struct, вместо class, и всё будет работать!
Многие разработчики (включая и меня) считают, что это было неправильное решение, поскольку оно может привести к проблемам, например, справедливо предположить, что класс выполнит очистку памяти после себя (например, класс, которому выделена память, освободит её непосредственно перед моментом уничтожения самого класса), но предполагать то же самое при работе со структурами — небезопасно. Следовательно, рекомендуется использовать ключевое слово struct для структур, используемых только для хранения данных, и ключевое слово class для определения объектов, которые требуют объединения как данных, так и функций.
Правило: Используйте ключевое слово struct для структур, используемых только для хранения данных. Используйте ключевое слово class для объектов, объединяющих как данные, так и функции.
Заключение
Оказывается, Стандартная библиотека C++ полна классов, созданных для нашего удобства. std::string, std::vector и std::array — это всё типы классов! Поэтому, когда вы создаете объект любого из этих типов, вы создаете объект класса. А когда вы вызываете функцию с использованием этих объектов, вы вызываете метод:
ООП – Организация Освобождения Палестины.
Аббревиатура.
Резонный вопрос – почему так поздно приступаем к знакомству с ООП? Я тоже считаю, что некоторые главы книги только бы выиграли от их изложения в объектно-ориентированной нотации. Но, сказавши «а», следовало бы сказать и «б», т.е. пришлось бы полностью изложить принципы ООП, а это было бы не совсем правильно:
эта технология ориентирована на создание уже достаточно больших проектов, хотя отдельные части проекта (например, методы классов) все равно разрабатываются в рамках традиционной технологии структурного программирования. Поэтому, на мой консервативный взгляд, чтобы почувствовать преимущества технологии ООП, надо иметь опыт разработки проектов определенной сложности в традиционной технологии;
многие механизмы объектно-ориентированного Си прекрасно иллюстрируются средствами классического Си, чтобы понимать первое, нужно знать второе;
все предыдущие главы иллюстрированы небольшими по объему программами, для которых объектно-ориентированная нотация (именно как для примеров) не обязательна;
ООП – это постановка процесса программирования «с ног на голову», (или с головы на ноги), а это лучше сделать не в середине изложения материала;
И, наконец, такой «монстр» как Си++, пытающийся сочетать в себе все и вся, имеет не совсем удобную, излишне открытую и довольно громоздкую объектно-ориентированную нотацию. Поэтому данный материал следует рассматривать как приглашение к знакомству с тотальными средами ООП, например, Java или C#.
10.1 Объекты и классы
Объект, метод, класс: определения и свойства
«Классами называются большие группы людей, различающиеся по их месту в исторически определенной системе общественного производства, по их отношению) к средствам производства, по их роли в общественной организации труда, а следовательно, по способам получения и размерам той доли общественного богатства, которой они располагают» Ленинское определение классов.
Строго говоря, реализовать идеи ООП можно в классической среде программирования, соблюдая дух, а не букву технологии. Например, библиотека функций, работающая на общую структуру данных, может в первом приближении считаться классом.
Прописные истины объектно-ориентированного подхода
Объектно-ориентированный подход не ограничен синтаксисом. Следует соблюдать не только букву, но и дух ООП. Но даже в самой реализации понятий класса и объекта в языке программирования имеется много очевидных, но не всегда упоминаемых вещей, которые следует помнить. Попробуем их здесь перечислить.
для каждого объекта создается экземпляр данных;
методы класса, с которыми работает объект, представляют собой единственный экземпляр программного кода в сегменте команд, который одинаково выполняется для всех объектов (разделяется ими);
при вызове метода объект, для которого он выполняется, идентифицируется указателем текущего объекта this, задающим контекст текущего объекта.
Таким образом, связка «объект-метод» преобразуется в традиционную последовательность действий: «вызов функции – метода класса с фактическим параметром – указателем на текущий объект».
public: void F() < a++; >// void A::F(A *this) < this->a++; >
если элементы данных класса имеют взаимосвязанные значения, то класс должен поддерживать установленные для них соглашения;
если объект данных класса ссылается на внешние структуры данных, то при синтаксическом копировании объекта необходимо обеспечить независимость связанной структуры данных в объекте-копии (создать ее копию или обеспечить разделение – см. «конструктор копирования»;
если объект содержит идентификаторы каких-либо внешних ресурсов (например, номер коммуникационного порта), то действия класса должны быть аналогичными.
рис. 101-1. Объект: граница ответственности транслятора и программы
double * pd ; // Внутренняя СД – дин. массив коэффициентов
public : void add ( double D 2[], int n 2)<> // Нарушение закрытости – параметр – внутренняя СД
void add ( poly & T )<> // Правильно: параметр – объект того же класса
По отношению к методам это означает, что интерфейс класса (набор методов) должен быть максимально разнообразен, методы должны сочетаться в любых комбинациях, давая широкое разнообразие возможностей работы с объектом.
Полезный совет: желательно избегать многообразия форм представления внутренних данных объекта. Чем их меньше, тем проще обеспечить его целостность и корректность. Например, лучше иметь фиктивный динамический массив, чем NULL-указатель. В примере с классом степенного полинома «пустой» полином лучше представить динамическим массивом с единственным нулевым коэффициентом.
double * pd ; // Внутренняя СД – дин. массив коэффициентов
public : poly () < n =0; pd = NULL ; >// Нежелательно: NULL – отсутствие массива
«Ложась спать, программист ставит рядом два стакана: один полный – если захочет пить, и один пустой – если не захочет». Анекдот в тему.
// Класс степенного полинома – заголовок класса (объявление)
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
double & get ( int k ); // получение ссылки на коэффициент
void add ( poly & T ); // сложение объектов (1=1+2)
void mul ( poly & T ); // умножение объектов объектов (1=1+2)
Целостность объекта. Конструктор. Деструктор
Требование целостности и корректности объекта означают, что объект – это нечто большее, чем просто переменная. При создании переменной ее инициализация вовсе не обязательна, в то время как создание объекта должно сопровождаться установлением его начального состояния (инициализация данных, резервирование памяти, ресурсов, установление связей и т.д.). Аналогичные обратные действия необходимо выполнить при его уничтожении перед освобождением памяти. С этой целью в классе вводятся специальные методы – конструкторы и деструктор. Их имена совпадают с именем класса. Конструкторов для данного класса может быть сколь угодно много, они отличаются формальными параметрами, деструктор же всегда один и имеет имя, предваренное символом «
«. Если конструктор имеет формальные параметры, то в определении переменной-объекта после ее имени должны присутствовать в скобках значения фактических параметров.
// Класс степенного полинома – конструкторы и деструктор
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
n=0; // с нулевым коэффициентом
n=m; // с нулевыми коэффициентами
load(n0,p); > // используется вспомогательный метод load
load(T.n, T.pd); > // (конструктор копирования)
Момент вызова конструктора и деструктора определяется временем создания и уничтожения объектов:
В Си++ возможно определение массива объектов класса. При этом конструктор и деструктор автоматически вызываются в цикле для каждого элемента массива и не должны иметь параметров. При выполнении оператора delete для указателя на массив объектов его необходимо предварять скобками.
poly a,b(6), c (3, D ); // Статические объекты – конструкторы
// пустой полином, заданной размерности и из массива
poly *p,* q ; // Указатели на объект
poly c,d( c ); // Автоматические объекты
p = new poly ; // Динамический объект
q = new poly [ n ]; // Динамический массив объектов
delete p; // Уничтожение динамического объекта
delete [] q ; // Уничтожение динамического массива объектов
> // Уничтожение автоматических объектов
Замечание: процесс конструирования «вложен» в процесс выделением памяти под переменную. Конструктор вызывается сразу же после выделения памяти, а деструктор – перед ее освобождением.
A(int a1)
Класс – структурированный тип с ограниченным доступом
«Настоящий» классы в Си++ отличается от структурированного типа одной единственной мелочью: в классе вводятся ограничения доступа. Естественно, это синтаксические ограничения, и при желании их можно исключить простым редактированием заголовка класса. Это «дисциплинирующие» ограничения, позволяющие установить зоны ответственности программистов – разработчика класса и пользователя класса, обеспечить необходимую закрытость.
В процессе программирования класса участвуют два действующих лица с различной компетенцией: разработчик класса, пишущий его внутренний код, и пользователь класса – программист, создающий объекты этого класса и вызывающий для них его методы. Но ограничения касаются не самих программистов, а кода, который они создают. Внутреннее программирование класса – это разработка программного кода, который находится в теле разрабатываемого класса (точнее, в теле его методов). Внешнее программирование – это разработка кода вне тела проектируемого класса, который создает объекты класса, работает с данными этих объектов и вызывает методы.
Формально класс отличается от структурированного типа ключевым словом class (вместо struct ) и наличием двух областей доступа в теле класса:
закрытая (личная) часть, допускает только внутреннее программирование и закрыта при доступе через объект вне класса. По правилам синтаксиса закрытая часть начинается сразу же вслед за заголовком класса. Она также может быть обозначена меткой private;
открытая (общая) часть класса допускает любой доступ, в том числе и внешний. Она всегда явно обозначается меткой public.
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
public:… // метка открытой части
Другие варианты размещения данных и методов в личной и общей части класса встречаются реже, но тоже обоснованы:
в общей части класса могут быть размещены данные, изменение которых пользователем класса не может привести к катастрофическим последствиям (например, цвет фигуры). Естественно, что класс будет учитывать изменение этих данных только при вызове методов (например, при перерисовке фигуры);
в личной части класса может быть размещен внутренний метод, необходимый для работы самого класса. Это могут быть вспомогательные действия, вынесенные за пределы конкретных методов, либо такие операции, корректное выполнение которых требует дополнительных действий.
Иногда требуется ввести исключения из правил доступа, когда некоторой функции или классу требуется разрешить доступ к личной части объекта класса. Тогда в определении класса, к объектам которого разрешается такой доступ, должно быть объявление функции или другого класса как «дружественных». Это согласуется с тем принципом, что сам класс определяет права доступа к своим объектам «со стороны».
Объявление дружественной функции представляет собой прототип функции, переопределяемой операции или имя класса, которым разрешается доступ, предваренное ключевым словом friend.
// Классы и функции, дружественные классу A
int x; // Личная часть класса
. // Все «друзья» имеют доступ к x
friend void C::operator+( А &);
«Друг – это тот, кто имеет исключительное право лезть тебе в душу (личную часть) в любое время».
Возвращаясь к классу полиномов, сразу же заметим, что в нем можно по большей части обойтись без дружественности. Закрытость же касается только данных (размерность и указатель на динамический массив), а также методов, связанных с управлением динамической памятью при изменении размерности полинома.
Задача управления динамической памятью должна быть решена раз и навсегда в начале проектирования класса, чтобы в дальнейшем к ней не возвращаться. Удобнее всего сделать это в виде внутренних методов управления размерностью объекта. Предпочтительнее также создавать дополнительные локальные объекты требуемой размерности, нежели создавать в явном виде динамические структуры данных.
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
void load(int n0, double p[])<
n=n0; // закрытый метод загрузки массива
double *pd1=new double[n1+1];
for (; i n 1; i ++) pd 1[ i ]=0;// прописать старшие коэффициенты нулями
delete []pd; // удалить старый массив
pd=pd1; // считать новый за старый
> // память не перераспределяется
public :… // метка открытой части
Рассмотрим еще один метод, интересный с точки зрения требований закрытости. Метод возвращает ссылку на выбранный коэффициент полинома, что позволяет работать с ним как по чтению, так и по записи. Хотя это «приоткрывает» доступ к внутренним данным объекта, но реальное использование этой ссылки «во вред объекту» и доступ через нее к другим коэффициентам требует большого искусства и не может быть произведено несознательно (по ошибке). Поэтому такую операцию можно считать безопасной.
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
if ( k k > n ) return foo ; // на «левую» статическую переменную
Взаимодействие данных и алгоритма в ООП
В технологии ООП взаимоотношения данных и алгоритма имеют более регулярный характер: во-первых, класс объединяет в себе данные и методы (функции). Во-вторых, схема взаимодействия функций и данных принципиально иная. Метод (функция), вызываемый для одного объекта, как правило, не вызывает другую функцию непосредственно. Для начала он должен иметь доступ к другому объекту (создать, получить указатель, использовать внутренний объект в текущем и т.д.), после чего он уже может вызвать для него один из известных методов. Следовательно, структура программы определяется взаимодействием объектов различных классов между собой, а процесс выполнения программы выражается фразой «объект-метод-объект».
рис.101-4. Программирование в цепочке «объект-метод-объект»
Особенности модульного проектирования в технологии ООП
· заголовочный файл не должен содержать конструкций языка, порождающих программный код, он должен целиком состоять из определений типов, объявлений переменных и функций и заголовка класса;
· в заголовке класса может присутствовать объявление метода – заголовок со списком типов параметров (прототип), ограниченный точкой с запятой. Это означает, что в заголовочнике упоминается только факт его наличия (с заданным именем и интерфейсом). Тогда в файле тела класса должно быть определение метода, содержащее его заголовок и тело. Заголовок повторяет объявление с одним маленьким отличием: имя метода дается в полной форме в виде имя_класса::имя_метода;
· файл тела класса должен подключать свой заголовочный файл директивой include ;
· для того, чтобы другой класс или main могли создавать объекты некоторого класса и применять к ним методы, необходимо подключать заголовочный файл директивой include ;
· все имена заголовочных файлов и файлов тела класса должны быть включены в проект;
int a; // Данные класса
void add ( A &); // Объявление (прототип) метода
A mul ( A &); // Объявление (прототип) метода
Естественно, никто не запрещает «свалить все классы в одну кучу», не используя проекта. Для небольших программ это простительно, но не эстетично.
Лабораторный практикум
1. Правильная дробь, представленная целой частью, числителем и знаменателем.
4. Целое положительное число, представленное в виде массива его простых множителей (произведение которых дает это число).
5. Целое положительное число, представленное в виде массива остатков от деления на первые n 6. Вектор на плоскости, представленный в полярной системе координат (длина, угол поворота).
8. Матрица переменной размерности, представленная динамическим массивом указателей на строки матрицы (линейные динамические массивы).
9. Матрица переменной размерности, представленная динамическим массивом, в котором строки матрицы расположены последовательно друг за другом.
10. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены динамическим массивом с элементами (x,y,v) координаты, значение.
11. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены односвязным списком с элементами (x,y,v) координаты, значение.
12. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены двусвязным циклическим списком с элементами (x,y,v) координаты, значение.
13. Множество, элементами которого являются целые числа. Операции объединения и пересечения множеств, добавления элемента, проверки на вхождение, разности множеств.
14. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в прямом коде. Знак представлен отдельным элементом данных.
15. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в прямом коде. Знак представлен старшей цифрой (0 /1).
16. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в дополнительном коде.
17. Целые произвольной длины во внутреннем двоичном представлении (динамический массив байтов) в прямом коде. Знак представлен отдельным элементом данных.
18. Целые произвольной длины во внутреннем двоичном представлении (динамический массив байтов) в дополнительном коде.