Programowanie obiektowe w języku C++

Transkrypt

1 Programowanie obiektowe w języku C++ Roman Simiński roman.siminski@us.edu.pl Funkcje wirtualne Wskaźniki do obiektów Polimorfizm

2 Wczesne i późne wiązanie Funkcje wirtualne 2

3 Rozpoczynamy od przykładu Runner raz jeszcze class Runner Jedna z kilku omawianych wersji klasy Runner public: Runner( int startx = 1, int starty = 1, char startshape = '*' ); void setx( int newx ); void sety( int newy ); void setshape( char newshape ); int getx(); int gety(); char getshape(); void show(); void hide(); void moveup(); void movedown(); void moveleft(); void moveright(); private: int x, y; char shape; bool isxonscreen( int x ); bool isyonscreen( int y ); ; 3

4 Implementacje wybranych funkcji klasy Runner void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void Runner::moveDown() hide(); if( y < 24 ) ++y; show(); 4

5 Problem chcemy aby Runner zostawiał swój ślad Chcemy aby ruchomy punkt ekranowy pozostawiał ślad. Dotychczasowa implementacja klasy Runner wymazuje znak na pozycji poprzedniej przed umieszczeniem znaku na nowej pozycji. Zobaczmy jak to wygląda w kodzie klasy Runner. 5

6 Dlaczego Runner nie zostawia śladu? void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void Runner::moveDown() hide(); if( y < 24 ) ++y; show(); 6

7 Dlaczego Runner nie zostawia śladu? void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void Runner::moveDown() hide(); if( y < 24 ) ++y; show(); Aby Runner zostawiał ślad wystarczy przerobić jego funkcję hide(), tak aby nie wymazywała znaku na pozycji poprzedniej.... 7

8 Dlaczego Runner nie zostawia śladu? void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void Runner::moveDown() hide(); if( y < 24 ) ++y; show(); Nie przerabiamy klasy! Klasę Runner zostawiamy w spokoju. Ona jest dobra i niech sobie taka jest. Jeżeli zachowanie obiektu pewnej klasy nam nie odpowiada, staramy się stworzyć nową klasę wykorzystując dziedziczenie a następnie zmienić zachowanie obiektu nowej klasy poprzez redefinicję nieodpowiadających nam funkcji składowych. 8

9 Obiektowe podejście do zmian zachowania obiektu class Runner redefinicja public: Runner( int startx = 1, int starty = 1, char startshape = '*' ); void setx( int newx ); void sety( int newy ); void setshape( char newshape ); int getx(); int gety(); char getshape(); void show(); void hide(); void moveup(); void movedown(); void moveleft(); void moveright(); private: int x, y; char shape; bool isxonscreen( int x ); bool isyonscreen( int y ); ; class RunnerWithTrace : public Runner public: RunnerWithTrace( int startx = 1, int starty = 1, char startshape = '*' ); ; void hide(); Runner zostawiający ślad to dobry kandydat na nową klasę niech ona nazywa się RunnerWithTrace. Tworzymy ją wykorzystując dziedziczenie. W klasie RunnerWithTrace dokonujemy redefinicji funkcji składowej hide(). Spodziewamy się, że obiekt klasy pochodnej będzie reagował po swojemu na komunikat hide. 9

10 Dwie implementacje funkcji hide() void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Implementacja funkcji hide() klasy Runner Klasa RunnerWithTrace inaczej reaguje na komunikat hide posiada własną wersję funkcji reagującej na ten komunikat. W innych przypadkach obiekty klasy RunnerWithTrace będą zachowywały się tak samo jak obiekty klasy Runner, dziedziczą przecież pozostałe składowe tej klasy. Implementacja funkcji hide() klasy RunnerWithTrace 10

11 Wywołanie funkcji show() oraz hide() dla obiektu klasy Runner void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); Sprawdźmy, jak to wszystko działa dla obiektu klasy Runner. Zgodnie z oczekiwaniami wszystko działa jak poprzednio wprowadzenie klasy RunnerWithTrace niczego nie zmienia. void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Runner runner( 40, 12, '*' ); runner.show(); runner.hide(); 11

12 Wywołanie funkcji show() oraz hide() dla obiektu klasy RunnerWithTrace void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); Sprawdźmy, jak to wszystko działa dla obiektu klasy RunnerWithTrace. Zgodnie z oczekiwaniami obiekt klasy RunnerWithTrace reaguje po swojemu na komunikat hide. Reakcja polega na wywołaniu funkcji właściwej dla klasy obiektu, do którego został przesłany komunikat. void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! RunnerWithTrace runner( 40, 12, '*' ); runner.show(); runner.hide(); 12

13 Funkcja moveup() dla obiektu klasy Runner void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Poprzednio wywoływaliśmy funkcję hide() bezpośrednio, zobaczmy jak będzie w przypadku wywołania pośredniego np. via funkcja moveup(). Sprawdźmy, jak to działa dla obiektu klasy Runner. Podobnie jak poprzednio, wszystko działa bez zmian. Runner runner( 40, 12, '*' ); runner.moveup(); 13

14 Funkcja moveup() dla obiektu klasy RunnerWithTrace void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() wywołanie wersji przedefiniowanej hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! RunnerWithTrace runner( 40, 12, '*' ); runner.moveup(); Sprawdzamy wywołanie pośrednie funkcji hide() via funkcja moveup() tym razem dla obiektu klasy RunnerWithTrace. Oczekujemy, że dla obiektu klasy RunnerWithTrace wywołana zostanie jego własna wersja funkcji hide() a nie wersja klasy bazowej Runner. Kompilujemy, uruchamiamy i... nic. Obiekt klasy RunnerWithTrace nie pozostawia śladu, zachowuje się tak, jakby był obiektem klasy Runner. Dlaczego? 14

15 Klasyczna kompilacja wywołania funkcji Kompilacja void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Kompilując funkcję moveup() klasy Runner, kompilator jeszcze nic nie wie o dziedziczeniu i generuje kod maszynowy, wywołujący funkcję hide() klasy Runner. Klasa RunnerWithTrace dziedziczy tak skompilowany kod funkcji moveup(), który wywołuje zawsze funkcję hide() klasy Runner. Takie opracowanie wywołania funkcji występowało od zawsze w kompilowanych językach programowania wysokiego poziomu. 15

16 Klasyczna kompilacja wywołania funkcji Kompilacja void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); Chciejstwo: void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); została wywołana? void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Kompilując funkcję moveup() klasy Runner, kompilator jeszcze nic nie wie o dziedziczeniu i generuje kod maszynowy, wywołujący funkcję hide() klasy Runner. Chciejstwo: Czy istnieje możliwość takiego skompilowania Klasa funkcji RunnerWithTrace dziedziczy moveup() klasy Runner, aby wywoływała ona tak odpowiednią skompilowany kod funkcji funkcję hide() w zależności od tego, dla jakiego moveup(), obiektu który wywołuje zawsze została wywołana? funkcję hide() klasy Runner. Chcemy zatem wariantowości: Takie opracowanie wywołania funkcji gdy funkcja moveup() wywoływana jest dla obiektu występowało klasy Runner, od niech zawsze wywołuje on funkcję hide() klasy Runner; w kompilowanych językach gdy funkcja moveup() wywoływana jest dla wysokiego obiektu klasy poziomu. RunnerWithTrace, niech wywołuje ona funkcję hide() klasy RunnerWithTrace. 16

17 Klasyczne wywołanie funkcji nie daje rady Kompilacja void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Skąd kompilator ma wiedzieć, że czasem chcemy wywołać wersję funkcji hide() klasy RunnerWithTrace? W przypadku klasycznego wywołania kompilator musi podjąć jednoznaczną decyzję, która funkcję wywołać. Ta decyzja zapisywane jest w kodzie maszynowym. Ponieważ kompiluje kod klasy Runner, do kodu maszynowego trafi wywołanie funkcji hide() tej właśnie klasy. Kompilując kod funkcji moveup() kompilator nie wie, dla jakiego obiektu będzie kiedyś wywoływana, nie potrafi spełnić naszego oczekiwania wariantowości. 17

18 Rodzaje wiązania: wywołanie konkretna funkcja Przypisanie konkretnej funkcji do wywołania nazywa się wiązaniem (ang. binding). W języku C++ występują dwa rodzaje wiązania: Wczesne wiązanie (ang. early binding) polega na przypisaniu każdemu wywołaniu funkcji jednoznacznie określonej, konkretnej funkcji już na etapie kompilacji programu. Inna nazwa wiązanie statyczne (ang. static binding). Późne wiązanie (ang. late binding) polega na przypisaniu każdemu wywołaniu funkcji jednoznacznie określonej, konkretnej funkcji dopiero na etapie wykonania programu, w zależności od typu obiektu, którego wywołanie dotyczy. Inna nazwa dynamiczne wiązanie (ang. dynamic binding). Wczesne wiązanie jest charakterystyczne dla języków kompilowanych, realizacja późnego wiązania wymaga od kompilatora stosowania złożonych mechanizmów. Późne wiązanie jest charakterystyczne dla języków interpretowanych, realizacja późnego wiązania jest zwykle dla interpretera łatwa. 18

19 Wiązanie statyczne i dynamiczne Wczesne wiązanie jest od lat stosowne we większości języków kompilowanych, występuje np. w językach Pascal czy C, w których późne wiązanie oficjalnie nie występuje. We większości nowoczesnych, obiektowych języków programowania, występuje możliwość wyboru sposobu wiązania realizowane jest to poprzez różne słowa kluczowe (virtual, override, final, overridable, overrides ). Domyślny sposób wiązania zależy od języka, np. C++ i C# domyślnie wiązanie wczesne a Java, Ruby, Python domyślnie wiązanie późne. Uwaga na temat późnego wiązania pojawia się wiele niespójnych informacji. Może ono być realizowane na wiele sposobów, w zależności od języka programowania, trybu translacji i wsparcia ze strony biblioteki czasu wykonania. Niezależnie od przyjętej koncepcji realizacji, późne wiązanie jest zwykle wolniejsze od wczesnego konieczne jest bowiem ustalenie w czasie działania programu, która wersja funkcji ma być wywołana. 19

20 Późne wiązania pozwoli rozwiązać problem wywołania funkcji hide() Kompilacja void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); void Runner::moveUp() hide(); if( y > 1 ) --y; show(); void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Runner runner( 40, 12, '*' ); runner.moveup(); RunnerWithTrace runner( 40, 12, '*' ); runner.moveup(); Jeżeli funkcja hide() będzie wywoływana na zasadzie późnego wiązania to: dla obiektów klasy Runner wywołana zostanie wersja hide() klasy Runner a dla obiektów klasy RunnerWithTrace wywołana zostanie wersja hide() klasy RunnerWithTrace. 20

21 W jaki sposób uzyskać dynamiczne wiązanie w C++? class Runner public: Runner( int startx = 1, int starty = 1, char startshape = '*' ); void setx( int newx ); void sety( int newy ); void setshape( char newshape ); int getx(); int gety(); char getshape(); void show(); virtual void hide(); void moveup(); void movedown(); void moveleft(); void moveright(); private: int x, y; char shape; bool isxonscreen( int x ); bool isyonscreen( int y ); ; Dynamiczne wiązanie w języku C++ uzyskuje poprzez wykorzystanie funkcji wirtualnych. Słowo kluczowe virtual w deklaracji funkcji oznacza, że każde wywołanie tej funkcji ma odbywać się na zasadzie późnego wiązania. Wprowadzenie tej jednej modyfikacji spowoduje, że klasa RunnerWithTrace zacznie działać zgodnie z oczekiwaniami. Słowo virtual występuje w deklaracji (prototypie) funkcji. To jest funkcja wirtualna, kompilator C++ wygeneruje kod w taki sposób, aby konkretna wersja wywoływanej funkcji została ustalona w trakcie wykonania programu. 21

22 Funkcje wirtualne są wiązane dynamicznie class Runner public: virtual void hide(); ; class RunnerWithTrace : public Runner public: void hide(); ; void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); Od tego momentu funkcja hide() jest funkcją wirtualną, podlegającą późnemu wiązaniu. Redefinicja funkcji hide() w dowolnej klasie pochodnej jest również funkcją wirtualną, niezależnie czy słowo virtual wystąpi, czy nie. W definicjach funkcji umieszczanych poza ciałem klasy słowa virtual się nie używa. void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! 22

23 Jak działa dynamiczne wiązanie w C++? Dynamiczne wiązanie jest łatwe w realizacji dla języków interpretowanych, interpreter tłumaczy kolejne fragmenty kodu i nadzoruje ich wykonanie. Kompilator tłumaczy kod przed wykonaniem programu, musi zatem tak wygenerować kod wywołań funkcji wirtualnych, aby w trakcie wykonania programu wszystko odbyło się automatycznie. W języku C++ osiąga się to poprzez tablicę funkcji wirtualnych. Tablica funkcji wirtualnych zawiera adresy funkcji wirtualnych danej klasy, dla każdej klasy występuje jedna taka tablica, wspólna dla wszystkich obiektów takiej klasy. Każdy obiekt posiada ukryte pole, będące wskaźnikiem na tablicę funkcji wirtualnych swojej klasy. Wskaźnik tablicy funkcji wirtualnych (ang. virtual table pointer vptr, vpointer, vtp) jest zwykle albo pierwszym albo ostatnim polem klasy. 23

24 Jak działa dynamiczne wiązanie w C++? Załóżmy, że funkcja show() klasy Runner jest również wirtualna i nie została ponownie zdefiniowana w klasie RunnerWithTrace: class Runner public: virtual void show(); virtual void hide(); ; void moveup(); void movedown(); void moveleft(); void moveright(); class RunnerWithTrace : public Runner public: void hide(); ; // Kilka obiektów obu klas Runner r1( 1, 1, '*' ), r2( 10, 10, '#'); RunnerWithTrace r3( 20, 20, '%' ), r4( 5, 5, '$' ); 24

25 Tablice funkcji wirtualnych dla klas Runner i RunnerWithTrace r1 : Runner x 1 y 1 shape * vptr r2 : Runner x 10 y 10 shape # vptr r3 : RunnerWithTrace x 20 y 20 shape % vptr r4 : RunnerWithTrace x 5 y 5 shape $ vptr Tablica funkcji wirtualnych klasy Runner Tablica funkcji wirtualnych klasy RunnerWithTrace void Runner::show() con.writecharxy( x, y, shape ); void Runner::hide() con.writecharxy( x, y, ' ' ); Funkcje wirtualne void RunnerWithTrace::hide() // Nic, dosłownie nic! Jakie funkcje zostaną wywołane? r1.show(); r1.hide(); r1.moveup(); r3.show(); r3.hide(); r3.moveup(); 25

26 Kilka uwag na temat funkcji wirtualnych i tablicy funkcji wirtualnych Oczywiście funkcje niewirtualne są wywoływane statycznie i nie występują w tablicy funkcji wirtualnych. Ustalenie konkretnej wersji funkcji wirtualnej odbywa się w czasie działania programu, na podstawie zawartości tablicy funkcji wirtualnych. Wywołanie funkcji wirtualnych odbywa się w dwóch krokach: odnalezienie adresu funkcji w tablicy funkcji wirtualnych obiektu, którego wywołanie dotyczy; wywołanie odpowiedniej funkcji wg odnalezionego adresu. Uwaga proszę zapamiętać, że wywołanie funkcji wirtualnej odbywa się z wykorzystaniem tablicy obiektu, którego wywołanie dotyczy. Tablica metod wirtualnych inicjowana jest przez konstruktor obiektu, który zawiera ukryty kod wypełniający tablicę adresami funkcji odpowiednich dla konstruowanego obiektu. 26

27 Efektywność wywołania funkcji wirtualnych Wywołanie funkcji wirtualnej musi być wolniejsze od wywołania zwykłej funkcji. Dla zwykłej funkcji wykonywany jest natychmiastowy skok do podprogramu, którego adres jest jednoznacznie określony. Dla funkcji wirtualnej taki skok poprzedzony jest odnalezieniem adresu podprogramu, pod jaki ten skok ma być wykonany. W przypadku fragmentów kodu kluczowych dla efektywności czasowej programu warto dobrze zastanowić się nad wykorzystaniem funkcji wirtualnych cz są one rzeczywiście potrzebne? Interesująca rozmowa na temat efektywności funkcji wirtualnych (w roli glównej Anders Hejlsberg, twórca języka C#, wortal Artima Developer): 27

28 O funkcjach wirtualnych nieco filozoficznie Redefinicja funkcji niewirtualnej: class Runner public: void hide(); void moveup(); ; Redefinicja funkcji niewirtualnej odnosi się tylko do bezpośrednich wywołań w klasie pochodnej, nie wpływa na inne funkcje odziedziczone z klasy bazowej. class RunnerWithTrace : public Runner public: Bezpośrednie wywołanie, działa wersja funkcji hide() void hide(); klasy ; RunnerWithTrace redefinicja udana. RunnerWithTrace r; r.hide(); Pośrednie wywołanie funkcji hide(), zadziała wersja klasy Runner redefinicja nie działa. r.moveup(); 28

29 O funkcjach wirtualnych nieco filozoficznie Redefinicja funkcji wirtualnej: class Runner public: virtual void hide(); void moveup(); ; Redefinicja funkcji wirtualnej odnosi się do bezpośrednich i pośrednich wywołań funkcji, wpływa zatem na inne funkcje odziedziczone z klasy bazowej. class RunnerWithTrace : public Runner public: Bezpośrednie wywołanie, działa wersja funkcji hide() void hide(); klasy ; RunnerWithTrace redefinicja udana. RunnerWithTrace r; r.hide(); Pośrednie wywołanie funkcji hide(), zadziała wersja klasy RunnerWithTrace redefinicja udana. r.moveup(); 29

30 O funkcjach wirtualnych nieco filozoficznie Dziedziczenie przejmuje cały materiał genetyczny klasy bazowej. Bardzo często kod źródłowy klasy bazowej nie jest dostępny dziedziczymy funkcje w postaci skompilowanego kodu maszynowego. Mechanizm funkcji wirtualnych pozwala na zmuszenie odziedziczonego, być może skompilowanego kodu klasy bazowej, do wywołania naszej funkcji. class FramedWindow public: virtual void drawframe() // Rysowanie cienkiej ramki void drawwindow() drawframe(); ; FramedWindow w; w.drawwindow(); class MyFramedWindow : public FramedWindow public: void drawframe() // Rysowanie grubej ramki ; MyFramedWindow w; w.drawwindow(); 30

31 O funkcjach wirtualnych nieco filozoficznie Programista deklarując funkcję jako wirtualną składa obietnicę : Jeżeli działanie mojej funkcji wirtualnej Ci nie odpowiada, utwórz klasę pochodną i zdefiniują własną wersję tej funkcji. Inne funkcje odziedziczone z klasy bazowej, będą używały Twojej wersji. Ta obietnica stanowi podstawę działania wielu obiektowych bibliotek obsługi interfejsu użytkownika, grafiki, połączeń sieciowych, obsługi baz danych. Redefinicja funkcji wirtualnych wymaga uwagi i myślenia niewłaściwa redefinicja może spowodować błędne działanie kodu odziedziczonego po klasie bazowej. Zrozumienie koncepcji, zasady działania oraz metod wykorzystania funkcji wirtualnych jest warunkiem wymaganym i koniecznym dla profesjonalnego programowania obiektowego. 31

32 Wskaźniki do obiektów a hierarchia klas Konwersja wskaźników 32

33 Przypomnienie dostęp do obiektów via zmienne wskaźnikowe Dostęp do obiektu R poprzez wskaźnik runner: Runner R; Runner * runner; runner = &R; runner->show(); runner->moveup(); Dostęp do anonimowego obiektu utworzonego dynamicznie: Runner * runner; runner = new Runner; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; Dwa style zapisu odwołań do składowych obiektu via zmienna wskaźnikowa: ( *runner ).setx( 10 ); ( *runner ).sety( 10 ); ( *runner ).setshape( '*' ); ( *runner ).show( ); runner->setx( 10 ); runner->sety( 10 ); runner->setshape( '*' ); runner->show( ); 33

34 Zmienne wskaźnikowe a klasy powiązane dziedziczeniem Runner R; RunnerWithTrace RT; Runner * runner; runner = &R; runner->show(); runner = &RT; runner->show(); runner = new Runner; runner->show(); delete runner; runner = new RunnerWithTrace; runner->show(); delete runner; Ustawienie wskaźnika na obiekt klasy zgodnej z klasą wskaźnika Ustawienie wskaźnika na obiekt klasy pochodnej względem klasy wskaźnika W języku C++ wolno do wskaźnika klasy bazowej przypisać wskazanie obiektu klasy pochodnej, w literaturze anglojęzycznej to upcast (upcasting). Obiekt klasy pochodnej jest przecież pewnego rodzaju obiektem klasy bazowej, dlatego takie przypisanie jest legalne. 34

35 Upcasting, czyli w dziecko staje się rodzicem class Silnik public: int pojemnosc; int lbcylindrow; int moc; ; Upcasting występuje wtedy, gdy do wskaźnika lub referencji klasy bazowej, przypisujemy odwołanie do obiektu klasy pochodnej. Z obiektem klasy pochodnej możemy robić wszystko to, co z obiektem klasy bazowej (relacja is-a). class SilnikTurbo : public Silnik public: float cisnieniedoladowania; ; Silnik * s; s = new SilnikTurbo; s->pojemnosc = 2400; s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; Upcasting nie wymaga żadnych dodatkowych operacji, jest legalny i bezpieczny. cout << endl << s->pojemnosc; cout << endl << s->moc; cout << endl << s->lbcylindrow; 35

36 Upcasting działa ze wskaźnikami i referencjami Silnik * s; s = new SilnikTurbo; s->pojemnosc = 2400; s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; Upcasting via wskaźnik i referencja, obiekt anonimowy tworzony dynamicznie Silnik & sr = * s; sr.pojemnosc = 2400; sr.moc = 163; sr.lbcylindrow = 5; SilnikTurbo silt; Silnik * s = &silt; s->pojemnosc = 2400; s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; Upcasting via wskaźnik i referencja do zwykłego obiektu Silnik & sr = silt; sr.pojemnosc = 3200; sr.moc = 240; sr.lbcylindrow = 8; 36

37 Upcasting oznacza chwilowe ograniczenie dostępności pól pochodnych class Silnik public: int pojemnosc; int lbcylindrow; int moc; ; Utworzony obiekt jest reprezentantem klasy pochodnej SilnikTurbo, jednak lokalizujący go wskaźnik związany jest z klasą bazową Silnik. Doszło do upcastingu dla kompilatora wskazywany obiekt jest teraz obiektem klasy Silnik. class SilnikTurbo : public Silnik public: float cisnieniedoladowania; ; Ponieważ wskaźnik jest związany z klasą Silnik, a w niej Silnik * s; nie ma pola cisnieniedoladowania, odwołania to są s = new SilnikTurbo; nieprawidłowe mimo że tak naprawdę wskazywany s->pojemnosc = 2400; obiekt jest klasy SilnikTurbo. s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; s->cisnieniedoladowania = 0.9; cout << endl << s->pojemnosc; cout << endl << s->moc; cout << endl << s->lbcylindrow; cout << endl << s->cisnieniedoladowania; 37

38 Upcasting czasem oznacza ograniczenie dostępności pól Dostęp do obiektu poprzez wskaźnik jego klasy SilnikTurbo SilnikTurbo * s; s = new SilnikTurbo; s->pojemnosc = 2400; s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; s->cisnieniedoladowania = 0.9; Pełny dostęp do własnych pól oraz pól odziedziczonych. Silnik pojemnosc lbcylindrow moc cisnieniedoladowania Dostęp do obiektu poprzez wskaźnik jego klasy bazowej upcasting SilnikTurbo Silnik * s; s = new SilnikTurbo; s->pojemnosc = 2400; s->moc = 163; s->lbcylindrow = 5; s->cisnieniedoladowania = 0.9; Dostępne tylko pola odziedziczone, czyli jak w klasie bazowej. Silnik pojemnosc lbcylindrow moc cisnieniedoladowania 38

39 Dlaczego upcasting jest potrzebny? Bo jest wygodny! I daje możliwości! void zerujbazowedanesilnika( Silnik * s ) s->pojemnosc = 0; s->moc = 0; s->lbcylindrow = 0; void pokazbazowedanesilnika( Silnik * s ) cout << endl << s->pojemnosc; cout << endl << s->moc; cout << endl << s->lbcylindrow; Silnik sil; SilnikTurbo silt; SilnikHybryda silh; zerujbazowedanesilnika( &sil ); zerujbazowedanesilnika( &silt ); zerujbazowedanesilnika( &silh ); silt.cisnieniedoladowania = 0; silh.mocelektryczna = 0; pokazbazowedanesilnika( &sil ); pokazbazowedanesilnika( &silt ); pokazbazowedanesilnika( &silh ); class Silnik public: int pojemnosc; int lbcylindrow; int moc; ; class SilnikTurbo : public Silnik public: float cisnieniedoladowania; ; class SilnikHybryda : public Silnik public: int mocelektryczna; ; 39

40 Upcasting działa również z referencjami void zerujbazowedanesilnika( Silnik & s ) s.pojemnosc = 0; s.moc = 0; s.lbcylindrow = 0; void pokazbazowedanesilnika( Silnik & s ) cout << endl << s.pojemnosc; cout << endl << s.moc; cout << endl << s.lbcylindrow; Silnik sil; SilnikTurbo silt; SilnikHybryda silh; zerujbazowedanesilnika( sil ); zerujbazowedanesilnika( silt ); zerujbazowedanesilnika( silh ); silt.cisnieniedoladowania = 0; silh.mocelektryczna = 0; pokazbazowedanesilnika( sil ); pokazbazowedanesilnika( silt ); pokazbazowedanesilnika( silh ); class Silnik public: int pojemnosc; int lbcylindrow; int moc; ; class SilnikTurbo : public Silnik public: float cisnieniedoladowania; ; class SilnikHybryda : public Silnik public: int mocelektryczna; ; 40

41 Czy jest downcasting? Tak, ale on może być przyczyną klopotów... SilnikTurbo silt; s.pojemnosc = 2400; s.moc = 163; s.lbcylindrow = 5; s.cisnieniedoladowania = 0.9; Upcasting: Silnik * s; s = &silt; s->cisnieniedoladowania = 0.5; s silt : SilnikTurbo pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 cisnieniedoladowania 0.9 pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 Downcasting: SilnikTurbo * st; st = ( SilnikTurbo * )s; st->cisnieniedoladowania = 0.5; st pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 cisnieniedoladowania 0.9 Downcasting: konwersja wskazania na obiekt klasy bazowej do wskaźnika na klasę pochodną. Możliwe tylko poprzez konwersję typów wskaźników jawnie zapisaną przez programistę. 41

42 Wskaźniki pozwalają patrzeć na obiekt w różny sposób SilnikTurbo silt; s.pojemnosc = 2400; s.moc = 163; s.lbcylindrow = 5; s.cisnieniedoladowania = 0.9; Upcasting: Silnik * s; s = &silt; s->cisnieniedoladowania = 0.5; s silt : SilnikTurbo pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 cisnieniedoladowania 0.9 Wskaźnik s widzi obiekt silt tak: pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 Downcasting: SilnikTurbo * st; st = ( SilnikTurbo * )s; st->cisnieniedoladowania = 0.5; st Wskaźnik st widzi obiekt silt tak: pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 cisnieniedoladowania 0.9 W tym przypadku downcasting jest bezpieczny obiekt wskazywany przez s jest rzeczywiście obiektem klasy SilnikTurbo i downcasting odsłania przesłonięte pole cisnieniedoladowania. 42

43 Ale teraz będą kłopoty... Silnik sil; s.pojemnosc = 2400; s.moc = 163; s.lbcylindrow = 5; sil : Silnik pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 Zakotwiczenie wskaźnika: Wskaźnik s widzi obiekt silt tak: Silnik * s; s = &sil; s->cisnieniedoladowania = 0.5; s pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 Downcasting: Wskaźnik st widzi obiekt silt tak: SilnikTurbo * st; st = ( SilnikTurbo * )s; st->cisnieniedoladowania = 0.5; st Tego nie ma! pojemnosc 2400 lbcylindrow 5 moc 163 cisnieniedoladowania 0.9 W tym przypadku downcasting jest błędny obiekt wskazywany przez s nie jest obiektem klasy SilnikTurbo i downcasting produkuje nieistniejące pole cisnieniedoladowania. 43

44 Downcasting wykonywany poprzez dynamic_cast Nie do końca bezpieczne metody konwersji wskaźników: Silnik * s; SilnikTurbo * st; st = ( SilnikTurbo * )s; st = static_cast< SilnikTurbo * >( s ); st = reinterpret_cast< SilnikTurbo * >( s ); Rzutowanie z kontrolą jego poprawności: st = dynamic_cast< SilnikTurbo * >( s ); if( st!= 0 ) st->cisnieniedoladowania = 0.5; Operator dynamic_cast pozwala na konwersję wskaźników z kontrolą, czy taka konwersja może być przeprowadzona. Jeżeli możliwa jest konwersja do postaci wskaźnika na klasę pochodną, operator taką konwersję realizuje. Jeżeli konwersja nie może zostać zrealizowana, rezultatem operatora jest wartość zerowa. Mechanizm pozwalający na dynamic_cast, znany jest jako Run-Time Type Information RTTI. 44

45 Koncepcja polimorfizmu 45

46 Koncepcja polimorfizmu Słowo polimorfizm pochodzi od dwóch greckich słów: poly czyli wiele, morphos czyli postać. Polimorfizm oznacza zatem wielopostaciowość. Polimorfizm w programowaniu bywa bardzo różnie definiowany statyczny, dynamiczny, metod, typów, itp., itd.. Dla naszych potrzeba założymy, że polimorfizm w programowaniu obiektowym oznacza możliwość występowania obiektu w różnych jego wersjach, które mogą różnie reagować na ten sam komunikat. Polimorfizm to zatem zdolność obiektów do różnych zachowań, w zależności od bieżącego kontekstu wykonania programu. 46

47 Prosty przykład polimorfizmu różne postacie obiektu Runner * runner; runner = new Runner; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; W języku C++ wykorzystanie wskaźników i referencji jest niezbędne dla polimorfizmu. Pierwsza postać obiektu wskazywanego, runner wskazuje na obiekt klasy Runner. runner = new RunnerWithTrace; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; Druga postać obiektu wskazywanego, runner wskazuje na obiekt klasy RunnerWithTrace. 47

48 Prosty przykład polimorfizmu różne zachowanie obiektów Runner * runner; runner = new Runner; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; runner = new RunnerWithTrace; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; Wysyłamy komunikaty show() oraz moveup() do obiektów wskazywanych przez runner. Każdy z obiektów odpowiada wywołując własne wersje funkcji składowych. Polimorfizm obiekt wskazywany przez runner występuje w różnych postaciach, które reagują różnie na te same komunikaty. Przypomnienie: przy wywołaniu funkcji wirtualnych via wskaźnik (referencja ), o tym, która wersja funkcji zostanie wywołana decyduje typ obiektu wskazywanego a nie typ wskaźnika. 48

49 Polimorfizm konkretyzuje się w czasie wykonania programu Runner * runner; runner = new Runner; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; runner = new RunnerWithTrace; runner->show(); runner->moveup(); delete runner; Nie wiadomo dokładnie, jaka jest konkretna postać obiektu. Nie wiadomo dokładnie, jak obiekty się zachowają. Wszystko okaże się w trakcie wykonania programu, to jest polimorfizm dynamiczny. Aby w C++ polimorfizm działał poprawnie należy: stosować dziedziczenie i odwoływać się do obiektów poprzez wskaźniki i referencje, wykorzystywać funkcje wirtualne, stosować upcasting oraz wtedy gdy trzeba i można downcasting. 48

50 Polimorfizm w akcji Należy napisać program wspomagający pracę technologa w firmie produkującej okna. Zadaniem programu jest: obliczanie łącznego pola powierzchni wszystkich skrzydeł okna, przybliżonej, łącznej długości profili, wymaganych do produkcji każdego ze skrzydeł. 49

51 Analiza obiektowa Stosując zasadę abstrakcji wyodrębniamy najistotniejsze cechy obiektów dla rozpatrywanego zagadnienia szyby to figury geometryczne a okno to ich złożenie. Łączna powierzchnia okna to, w przybliżeniu, suma pól figur opisujących szyby, Łączna długość profili to, w przybliżeniu, suma obwodów figur opisujących szyby. Trójkąt Kwadrat Prostokąt Prostokąt Obiekty rzeczywiste Abstrakcyjny model analityczny 50

52 Analiza obiektowa, cd... Realizacja programu sprowadza się do obliczeń pól powierzchni i obwodów obiektów, będących złożeniem elementarnych figur płaskich. Utworzyliśmy już klasy reprezentujące figury płaskie, Nie wiemy jak reprezentować ich złożenia. Trójkąt Kwadrat Prostokąt Prostokąt Kwadrat Prostokąt Prostokąt Trójkąt 51

53 Figury płaskie raz jeszcze budujemy hierarchię klas Rozpoczynamy od utworzenia nieco dziwnej klasy reprezentującej abstrakcyjną figurę geometryczną. Wyposażamy ją w funkcje obliczania pola i obwodu. class Figure public : Figure() double area() const return 0; double circumference() const return 0; const char * getname() const return "Figura"; ; Klasa Figure służyć będzie jak klasa bazowa dla specjalizowanych klas pochodnych, reprezentujących konkretne figury geometryczne. Jej istotą jest stwierdzenie, że każda figura geometryczna powinna umieć wyznaczać swoje pole i obwód, w charakterystyczny dla siebie sposób. Zatem każda z klas pochodnych, powinna redefiniować funkcje area i circumference, w odpowiedni dla tych klas sposób. Dodatkowo klasa Figure i jej pochodne posiadać będę funkcję getname(), jej rezultatem będzie nazwa klasy. 52

54 Klasa Square jako pochodna klasy Figure Klasa reprezentująca kwadrat będzie teraz klasą pochodną klasy Figure: class Square: public Figure public : Square( double startside = 0 ); void setside( double newside ); double getside(); double area() const; double circumference() const; const char * getname() const; private: double side; ; Redefinicja funkcji area i circumference i getname dla kwadratu: double Square::area() const return side * side; double Square::circumference() const return 4 * side; const char * Square::getName() const return "Kwadrat"; 53

55 Klasa Rectangle jako pochodna klasy Figure Klasa reprezentująca prostokąt będzie teraz klasą pochodną klasy Figure: class Rectangle: public Figure public : Rectangle( double startwidth = 0, double startheight = 0 ); void setwidth( double newwidth ); void setheight( double newheight ); double getwidth() const; double getheight() const; double area() const; double circumference() const; const char * getname() const; private: double width, height; ; Redefinicja funkcji area i circumference i getname dla prostokąta: double Rectangle::area() const return width * height; double Rectangle::circumference() const return 2 * width + 2 * height; const char * Rectangle::getName() const return "Prostokat"; 55

56 Klasa Triangle jako pochodna klasy Figure Klasa reprezentująca trójkąt będzie teraz klasą pochodną klasy Figure: class Triangle: public Figure public : Triangle( double startbase = 0, double startheight = 0 ); void setbase( double newbase ); void setheight( double newheight ); double getbase() const; double getheight() const; double area() const; double circumference() const; const char * getname() const; private: double base, height; ; Uwaga, zakładamy dla uproszczenia, że trójkątne szyby będą trójkątami prostokątnymi. Redefinicja funkcji area i circumference i getname dla trójkąta: double Triangle::area() const return 0.5 * base * height; double Triangle::circumference() const return sqrt( base * base + height * height ) + base + height; const char * Triangle::getName() const return "Trojkat"; 56

57 Hierarchia klas figur płaskich Figure +double area() +double circumference() +const char * getname() Rectangle Square Triangle +double area() +double circumference() +const char * getname() double height double width +double area() +double circumference() +const char * getname() double side +double area() +double circumference() +const char * getname() double base double width 57

58 Krok w stronę polimorfizmu upcasting z wykorzystaniem wskaźnika Załóżmy, że zdefiniowano wskaźnik do klasy bazowej Figure: Figure * fp; Załóżmy, że zdefiniowano obiekty klas pochodnych: Square s( 10 ); Rectangle r( 10, 20 ); Triangle t( 10,10 ); Wiemy już, że można przypisać do wskaźnika fp wskazanie na obiekt klasy pochodnej: fp = &s; fp = &r; fp = &t; // OK // OK // OK 58

59 Polimorfizm w akcji...? Figure * fp; Square s( 10 ); Rectangle r( 10, 20 ); Triangle t( 10,10 ); fp = &s; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); fp = &r; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); fp = &t; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); Ale to nie działa! Obiekty zachowują się tak, jakby były obiektami klasy Figure! Dlaczego? 59

60 Zapomnieliśmy o funkcjach wirtualnych! Jest: class Figure public : Figure() double area() const return 0; double circumference() const return 0; const char * getname() const return "Figura"; ; Powinno być: class Figure public : Figure() virtual double area() const return 0; virtual double circumference() const return 0; virtual const char * getname() const return "Figura"; ; Nie ma polimorfizmu bez metod wirtualnych w klasach tworzących hierarchię dziedziczenia. 60

61 Wiązanie statyczne i funkcje niewirtualne raz jeszcze O tym która funkcja jest wywoływana decyduje kompilator na etapie kompilacji. Wywołanie ma taką samą postać jak wywołanie klasycznych funkcji w języku C. O tym która funkcja zostanie wywołana decyduje typ występujący w deklaracji zmiennej wskaźnikowej. Figure * fp; Square s( 10 ); fp = &s; cout << fp->area() << endl; cout << fp->circumference() << endl; Square Figure +double area() +double circumference() +const char * getname() Mimo iż klasa Square przedefiniowała obie funkcje i posiada ich własne wersje, nie zostaną one wywołane. +double area() +double circumference() +const char * getname() double side 61

62 Wiązanie dynamiczne i funkcje wirtualne raz jeszcze O tym która funkcja jest wywoływana decyduje typ obiektu wskazywanego. Funkcja wiązana dynamicznie musi być zadeklarowana jako wirtualna. Wystarczy, że słowo kluczowe virtual wystąpi w deklaracji klasy bazowej. Square Te funkcje zostały nadpisane w klasie pochodnej. Figure * fp; Square s( 10 ); fp = &s; cout << fp->area() << endl; cout << fp->circumference() << endl; Figure +double area() +double circumference() +const char * getname() +double area() +double circumference() +const char * getname() Klasa Square przedefiniowała obie funkcje wirtualne. To one właśnie zostaną wywołane a nie funkcje z klasy bazowej. double side 62

63 Jeszcze raz z funkcjami wirtualnymi... Figure * fp; Square s( 10 ); Rectangle r( 10, 20 ); Triangle t( 10,10 ); fp = &s; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); fp = &r; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); fp = &t; cout << endl << "Figura: " << fp->getname(); cout << endl << " Pole: " << fp->area(); cout << endl << " Obwod: " << fp->circumference(); Polimorfizm = dziedziczenie, redefinicja metod wirtualnych, wskaźniki (referencje) i upcasting. 62

64 Jak to wszystko wykorzystać w programie okiennym? Zadany jest układ okna oraz wymiary jego ościeżnic. Jedna ościeżnica jest kwadratowa (bok 50cm), pozostałe trzy prostokątne (70x50 cm, 50x100 cm i 70x100 cm). Należy wyznaczyć łączną powierzchnię szyb i długość profili

65 Jak reprezentować informacje o oknie? const const int int itemno itemno == 4; 4; 50 Figure Figure ** win[ win[ itemno itemno ]; ]; win Prostokąt Kwadrat 70 Prostokąt Prostokąt 65

66 Jak to wygląda w pamięci operacyjnej? win Square +double area() +double circumference() +const char * getname() double side: 50 Rectangle +double area() +double circumference() +const char * getname() double height: 70 double width: 100 Rectangle +double area() +double circumference() +const char * getname() double height: 50 double width: 70 Rectangle +double area() +double circumference() +const char * getname() double height: 50 double width:

67 Definiowanie elementów okna, obliczenia, sprzątanie // Okre ś lenie liczby elementów const int itemno = 4; // Tablica wka ź ników na elementy okna Figure * win[ itemno ]; // Przydział pami ę ci dla elementów okna win[ 0 ] = new Square( 50 ); win[ 1 ] = new Rectangle( 50, 70 ); win[ 2 ] = new Rectangle( 50, 100 ); win[ 3 ] = new Rectangle( 70, 100 ); // Oblicz co trzeba i wyprowadz do strumienia wyj ś ciowego calcandshowwininfo( win, 4 ); // Zwolnij pami ę ć przydzielon ą elementom okna for( int i = 0; i < itemno; delete win[ i++] ) ; 67

68 Funkcja calcandshowwininfo void calcandshowwininfo( Figure * window[], int numofsash ) // Tutaj ł ą czna powierzchnia szyb i długo ś ć profili double totalarea = 0, totalcircum = 0; // Zliczanie powierzchni i długo ś ci for( int i = 0; i < numofsash; i++ ) totalarea += window[ i ]->area(); totalcircum += window[ i ]->circumference(); // Wyprowadzanie wyników obliczeń cout << "Powierzchnia szyb : " << totalarea << endl; cout << "Dlugosc profili : " << totalcircum << endl; cout << endl; 68

69 Iteracja krok po kroku for( int i = 0; i < numofsash; i++ ) totalarea += window[ i ]->area(); totalcircum += window[ i ]->circumference(); i win Square Rectangle +double area() +double circumference() +double area() +double circumference() double Square::area() const double height: 70 double side: 50 double width: 100 return side * side; double Rectangle Rectangle Square::circumference() const +double area() +double area() +double return circumference() 4 * side; +double circumference() double height: 50 double height: 50 double width: 70 double width:

70 Iteracja krok po kroku for( int i = 0; i < numofsash; i++ ) totalarea += window[ i ]->area(); totalcircum += window[ i ]->circumference(); i 1 win Square Rectangle +double area() +double area() +double circumference() double Rectangle::area() +double const circumference() double side: 50 return double height: 70 width * height; double width: 100 double Rectangle::circumference() Rectangle const Rectangle return 2 * width + 2 * height; +double area() +double area() +double circumference() +double circumference() double height: 50 double width: 70 double height: 50 double width:

71 Iteracja krok po kroku for( int i = 0; i < numofsash; i++ ) totalarea += window[ i ]->area(); totalcircum += window[ i ]->circumference(); i 2 win Square +double area() +double circumference() Rectangle::area() const double return side: width 50* height; double Rectangle::circumference() const Rectangle return 2 * width + 2 * height; +double area() +double circumference() double height: 50 double width: 70 Rectangle +double area() +double circumference() double height: 50 double width: 100 Rectangle +double area() +double circumference() double height: 70 double width:

72 Iteracja krok po kroku for( int i = 0; i < numofsash; i++ ) totalarea += window[ i ]->area(); totalcircum += window[ i ]->circumference(); i 3 win Square +double area() +double circumference() Rectangle +double area() +double circumference() double height: 70 double side: 50 double width: 100 double Rectangle::area() const return Rectangle width * height; Rectangle +double area() +double area() double +double Rectangle::circumference() circumference() +double circumference() const double return height: 2 * width double * height; height: 50 double width: 70 double width:

73 Polimorfizm krótkie podsumowanie Polimorfizm zakłada, że jedna funkcja składowa występować może we wielu wersjach. Wersje te definiowane są w klasach pochodnych, polimorfizm zakłada zatem wykorzystanie dziedziczenia. Wysłanie do obiektu komunikatu o określonej nazwie (np. area) może spowodować wykonanie różnych akcji (wywołanie różnych wersji funkcji składowej) w zależności od kontekstu wywołania. Kontekst wywołania zależy od tego, na obiekt jakiej klasy wskazuje zmienna wskaźnikowa, albo z jakim obiektem skojarzona jest referencja. W języku C++ polimorfizm jest realizowany z wykorzystaniem funkcji wirtualnych i dostępny jest przy wykorzystaniu odwołań wskaźnikowych lub referencyjnych. Funkcje wirtualne wywoływane są na zasadzie wiązania dynamicznego. C++ jest hybrydowym językiem programowania. Zawiera mechanizmy obiektowe ale nie wymusza ich wykorzystania. Pozostawia również programiście wybór, czy stosować wiązanie styczne czy dynamiczne. 54