енекн. КМ-29-30. Наследование. Лабораторная работа 2 наследование и виртуальные функции
 Скачать 272.12 Kb.
|
16 Лабораторная работа № 2 НАСЛЕДОВАНИЕ И ВИРТУАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ Цель. Получить практические навыки создания иерархии классов и использования статических компонентов класса. Основное содержание работы Написать программу, в которой создается иерархия классов. Вклю- чить полиморфные объекты в связанный список, используя статические компоненты класса. Показать использование виртуальных функций. Краткие теоретические сведения Статические члены класса. Такие компоненты должны быть определены в классе, как статиче- ские (static). Статические данные классов не дублируются при создании объектов, т.е. каждый статический компонент существует в единственном экземпляре. Доступ к статическому компоненту возможен только после его инициализации. Для инициализации используется конструкция тип имя_класса : : имя_данного инициализатор; Например, int complex : : count = 0; Это предложение должно быть размещено в глобальной области по- сле определения класса. Только при инициализации статическое данное класса получает память и становится доступным. Обращаться к статиче- скому данному класса можно обычным образом через имя объекта имя_объекта.имя_компонента Но к статическим компонентам можно обращаться и тогда, когда объект класса еще не существует. Доступ к статическим компонентам воз- можен не только через имя объекта, но и через имя класса имя_класса : : имя_компонента Однако так можно обращаться только к public компонентам. Для обращения к private статической компоненте извне можно с по- мощью статических компонентов-функций. Эти функции можно вы- звать через имя класса. имя_класса : : имя_статической_функции Пример. #include { double x,y; static int N; // статический компонент данное : количество точек public: Практическая работа № 29 17 TPoint(double x1 = 0.0,double y1 = 0.0){N++; x = x1; y = y1;} static int& count(){return N;} // статический компонент-функция }; int TPoint : : N = 0; //инициализация статического компонента- данного void main(void) {TPoint A(1.0,2.0); TPoint B(4.0,5.0); TPoint C(7.0,8.0); cout<< \nОпределены ”< Когда функция-член класса вызывается для обработки данных кон- кретного объекта, этой функции автоматически и неявно передается указа- тель на тот объект, для которого функция вызвана. Этот указатель имеет имя this и неявно определен в каждой функции класса следующим об- разом: имя_класса *const this = адрес_объекта Указатель this является дополнительным скрытым параметром каж- дой нестатической компонентной функции. При входе в тело принадлежа- щей классу функции this инициализируется значением адреса того объекта, для которого вызвана функция. В результате этого объект становится дос- тупным внутри этой функции. В большинстве случаев использование this является неявным. В ча- стности, каждое обращение к нестатической функции-члену класса неявно использует this для доступа к члену соответствующего объекта. Примером широко распространенного явного использования this яв- ляются операции со связанными списками. Наследование Наследование это механизм получения нового класса на основе уже существующего. Существующий класс может быть дополнен или из- менен для создания нового класса. Существующие классы называются базовыми, а новые – производ- ными. Производный класс наследует описание базового класса; затем он может быть изменен добавлением новых членов, изменением существую- щих функций-членов и изменением прав доступа. С помощью наследова- ния может быть создана иерархия классов, которые совместно используют код и интерфейсы. 18 Наследуемые компоненты не перемещаются в производный класс, а остаются в базовых классах. В иерархии производный объект наследует разрешенные для насле- дования компоненты всех базовых объектов (public, protected). Допускается множественное наследование – возможность для неко- торого класса наследовать компоненты нескольких никак не связанных между собой базовых классов. В иерархии классов соглашение относи- тельно доступности компонентов класса следующее: private – член класса может использоваться только функциями – членами данного класса и функциями – “друзьями” своего класса. В про- изводном классе он недоступен. protected – то же, что и private, но дополнительно член класса с дан- ным атрибутом доступа может использоваться функциями-членами и функциями – “друзьями” классов, производных от данного. public – член класса может использоваться любой функцией, которая является членом данного или производного класса, а также к public - чле- нам возможен доступ извне через имя объекта. Следует иметь в виду, что объявление friend не является атрибутом доступа и не наследуется. Синтаксис определения производного класса: class имя_класса : список_базовых_классов {список_компонентов_класса}; В производном классе унаследованные компоненты получают статус доступа private, если новый класс определен с помощью ключевого слова class, и статус public, если с помощью struct. Явно изменить умалчиваемый статус доступа при наследовании можно с помощью атрибутов доступа – private, protected и public, которые указываются непосредственно перед именами базовых классов. Конструкторы и деструкторы производных классов Поскольку конструкторы не наследуются, при создании производно- го класса наследуемые им данные-члены должны инициализироваться конструктором базового класса. Конструктор базового класса вызывается автоматически и выполняется до конструктора производного класса. Па- раметры конструктора базового класса указываются в определении конст- руктора производного класса. Таким образом происходит передача аргу- ментов от конструктора производного класса конструктору базового класса. Например. class Basis { int a,b; 19 public: Basis(int x,int y){a=x;b=y;} }; class Inherit:public Basis {int sum; public: Inherit(int x,int y, int s):Basis(x,y){sum=s;} }; Объекты класса конструируются снизу вверх: сначала базовый, по- том компоненты-объекты (если они имеются), а потом сам производный класс. Таким образом, объект производного класса содержит в качестве подобъекта объект базового класса. Уничтожаются объекты в обратном порядке: сначала производный, потом его компоненты-объекты, а потом базовый объект. Таким образом, порядок уничтожения объекта противоположен по отношению к порядку его конструирования. Виртуальные функции К механизму виртуальных функций обращаются в тех случаях, когда в каждом производном классе требуется свой вариант некоторой компо- нентной функции. Классы, включающие такие функции, называются по- лиморфными и играют особую роль в ООП. Виртуальные функции предоставляют механизм позднего (отло- женного) или динамического связывания. Любая нестатическая функция базового класса может быть сделана виртуальной, для чего используется ключевое слово virtual. Пример. class base { public: virtual void print(){cout<<“\nbase”;} }; class dir : public base { public: void print(){cout<<“\ndir”;} }; void main() { base B,*bp = &B; 20 dir D,*dp = &D; base *p = &D; bp –>print(); // base dp –>print(); // dir p –>print(); // dir } Таким образом, интерпретация каждого вызова виртуальной функ- ции через указатель на базовый класс зависит от значения этого указателя, т.е. от типа объекта, для которого выполняется вызов. Выбор того, какую виртуальную функцию вызвать, будет зависеть от типа объекта, на который фактически (в момент выполнения программы) направлен указатель, а не от типа указателя. Виртуальными могут быть только нестатические функции-члены. Виртуальность наследуется. После того как функция определена как виртуальная, ее повторное определение в производном классе (с тем же самым прототипом) создает в этом классе новую виртуальную функцию, причем спецификатор virtual может не использоваться. Конструкторы не могут быть виртуальными, в отличие от деструкто- ров. Практически каждый класс, имеющий виртуальную функцию, должен иметь виртуальный деструктор. Абстрактные классы Абстрактным называется класс, в котором есть хотя бы одна чистая (пустая) виртуальная функция. Чистой виртуальной функцией называется компонентная функция, которая имеет следующее определение: virtual тип имя_функции (список_формальных_параметров) = 0; Чистая виртуальная функция ничего не делает и недоступна для вы- зовов. Ее назначение – служить основой для подменяющих ее функций в производных классах. Абстрактный класс может использоваться только в качестве базового для производных классов. Механизм абстрактных классов разработан для представления общих понятий, которые в дальнейшем предполагается конкретизировать. При этом построение иерархии классов выполняется по следующей схеме. Во главе иерархии стоит абстрактный базовый класс. Он используется для на- следования интерфейса. Производные классы будут конкретизировать и реализовать этот интерфейс. В абстрактном классе объявлены чистые вир- туальные функции, которые по сути есть абстрактные методы. Пример. class Base{ public: 21 Base(); // конструктор по умолчанию Base(const Base&); // конструктор копирования virtual Base(); // виртуальный деструктор virtual void Show()=0; // чистая виртуальная функция // другие чистые виртуальные функции protected: // защищенные члены класса private: // часто остается пустым, иначе будет мешать будущим разработкам }; class Derived: virtual public Base{ public: Derived(); // конструктор по умолчанию Derived(const Derived&); // конструктор копирования Derived(параметры); // конструктор с параметрами virtual Derived(); // виртуальный деструктор void Show(); // переопределенная виртуальная функ- ция // другие переопределенные виртуальные функции // другие перегруженные операции protected: // используется вместо private, если ожидается наследование private: // используется для деталей реализации }; Объект абстрактного класса не может быть формальным параметром функции, однако формальным параметром может быть указатель на абст- рактный класс. В этом случае появляется возможность передавать в вызы- ваемую функцию в качестве фактического параметра значение указателя на производный объект, заменяя им указатель на абстрактный базовый класс. Таким образом мы получаем полиморфные объекты. Абстрактный метод может рассматриваться как обобщение переоп- ределения. В обоих случаях поведение родительского класса изменяется для потомка. Для абстрактного метода, однако, поведение просто не опре- делено. Любое поведение задается в производном классе. Одно из преимуществ абстрактного метода является чисто концепту- альным: программист может мысленно наделить нужным действием абст- ракцию сколь угодно высокого уровня. Например, для геометрических фи- гур мы можем определить метод Draw, который их рисует: треугольник TTriangle, окружность TCircle, квадрат TSquare. Мы определим аналогич- ный метод и для абстрактного родительского класса TGraphObject. Однако такой метод не может выполнять полезную работу, поскольку в классе 22 TGraphObject просто нет достаточной информации для рисования чего бы то ни было. Тем не менее присутствие метода Draw позволяет связать функциональность (рисование) только один раз с классом TGraphObject, а не вводить три независимые концепции для подклассов TTriangle, TCircle, TSquare. Имеется и вторая, более актуальная причина использования абст- рактного метода. В объектно-ориентированных языках программирования со статическими типами данных, к которым относится и С++, программист может вызвать метод класса, только если компилятор может определить, что класс действительно имеет такой метод. Предположим, что програм- мист хочет определить полиморфную переменную типа TGraphObject, ко- торая будет в различные моменты времени содержать фигуры различного типа. Это допустимо для полиморфных объектов. Тем не менее компиля- тор разрешит использовать метод Draw для переменной, только если он сможет гарантировать, что в классе переменной имеется этот метод. При- соединение метода Draw к классу TGraphObject обеспечивает такую га- рантию, даже если метод Draw для класса TGraphObject никогда не вы- полняется. Естественно, для того чтобы каждая фигура рисовалась по- своему, метод Draw должен быть виртуальным. Порядок выполнения работы 1. Определить иерархию классов (в соответствии с вариантом). 2. Определить в классе статическую компоненту - указатель на нача- ло связанного списка объектов и статическую функцию для просмотра списка. 3. Реализовать классы. 4. Написать демонстрационную программу, в которой создаются объекты различных классов и помещаются в список, после чего список просматривается. 5. Сделать соответствующие методы не виртуальными и посмотреть, что будет. 6. Реализовать вариант, когда объект добавляется в список при соз- дании, т.е. в конструкторе (смотри пункт 6 следующего раздела). Методические указания 1. Для определения иерархии классов связать отношением наследо- вания классы, приведенные в приложении (для заданного варианта). Из перечисленных классов выбрать один, который будет стоять во главе ие- рархии. Это абстрактный класс. 23 2. Определить в классах все необходимые конструкторы и деструктор. 3. Компонентные данные класса специфицировать как protected. 4. Пример определения статических компонентов: static person* begin; // указатель на начало списка static void print(void); // просмотр списка 5. Статическую компоненту-данное инициализировать вне определе- ния класса, в глобальной области. 6. Для добавления объекта в список предусмотреть метод класса, т.е. объект сам добавляет себя в список. Например, a.Add() объект a добавля- ет себя в список. Включение объекта в список можно выполнять при создании объек- та, т.е. поместить операторы включения в конструктор. В случае иерархии классов, включение объекта в список должен выполнять только конструк- тор базового класса. Вы должны продемонстрировать оба этих способа. 7. Список просматривать путем вызова виртуального метода Show каждого объекта. 8. Статический метод просмотра списка вызывать не через объект, а через класс. 9. Определение классов, их реализацию, демонстрационную про- грамму поместить в отдельные файлы. Содержание отчета 1. Титульный лист: наименование работы, название дисциплины; фамилия, имя, отчество студента; дата выполнения. 2. Постановка задачи. Следует дать конкретную постановку, т.е. ука- зать, какие классы должны быть реализованы, какие должны быть в них конструкторы, компоненты-функции и т.д. 3. Иерархия классов в виде графа. 4. Определение пользовательских классов с комментариями. 5. Реализация конструкторов с параметрами и деструктора. 6. Реализация методов для добавления объектов в список. 7. Реализация методов для просмотра списка. 8. Листинг демонстрационной программы. 9. Объяснение необходимости виртуальных функций. Следует пока- зать, какие результаты будут в случае виртуальных и не виртуальных функций. 24 Приложение. Варианты заданий Перечень классов: 1) студент, преподаватель, персона, завкафедрой; 2) служащий, персона, рабочий, инженер; 3) рабочий, кадры, инженер, администрация; 4) деталь, механизм, изделие, узел; 5) организация, страховая компания, судостроительная компания, за- вод; 6) журнал, книга, печатное издание, учебник; 7) тест, экзамен, выпускной экзамен, испытание; 8) место, область, город, мегаполис; 9) игрушка, продукт, товар, молочный продукт; 10) квитанция, накладная, документ, чек; 11) автомобиль, поезд, транспортное средство, экспресс; 12) двигатель, двигатель внутреннего сгорания, дизель, турбореак- тивный двигатель; 13) республика, монархия, королевство, государство; 14) млекопитающие, парнокопытные, птицы, животное; 15) корабль, пароход, парусник, корвет. |