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Überblick C++
1. Grundlagen und Konzepte der Objektorientierten Programmierung
2. Klassen und Objekte
2.1 Was ist eine Klasse?
2.2 Was ist ein Objekt?
2.3 Konstruktoren
Copy Konstruktor
2.4 Destruktor
2.5 Membervariablen und -funktionen
2.5.1 Statische Membervariablen
2.5.2 Statische Memberfunktionen
2.6 Speicherschutzattribute
2.7 Friend-Funktionen und -Klassen
2.7.1 Friend-Funktionen
2.7.2 Friend-Klassen
2.8 Inline-Funktionen
2.9 Der Scope Resolution Operator
3. Function- und Operator-Overloading
3.1 Function-Overloading
Ermitteln der Adresse einer überladenen Funktion
3.2 Operator-Overloading
4. Vererbung
Mehrfache Vererbung
Ausführung der Konstruktoren / Destruktoren
4.1 Protected Members
protected-Vererbung
4.2 Virtuelle Basisklassen
4.3 Polymorphie
5. Virtuelle Funktionen
5.1 Allgemeines
5.2 Pure Virtual Functions
5.3 v-Table
5.4 Virtuelle Funktionen vs. Function-Overloading
Das Konzept der objektorientierten Programmierung (OOP) wurde entwickelt, um die immer komplexer werdenden Anwendungen überschaubarer zu machen. OOP vereint die Vorteile der strukturierten Programmierung (wie in C) mit neuen Möglichkeiten, die völlig andere Wege der Programmierung ermöglichen.
Grundsätzlich teilt die OOP das Problem in mehrere Teile auf, welche jeweils Code und Daten enthalten. Weiters werden diese Teile in eine hierarchische Struktur gebracht.
Die folgenden drei Eigenschaften weisen alle OO-Programmiersprachen auf:
Kapselung
Polymorphie
Vererbung
Eine nähere Beschreibung zu diesen Themen folgt später am Beispiel C++.
Eine Klasse ist ein abstrakter Datentyp wie zum Beispiel Geschäftspartner, Material oder Transaktion. Sie enthält Attribute und Methoden.
Die Deklaration einer Klasse in C++ ähnelt der einer Struktur und sieht wie folgt aus:
class Person
Die Schlüsselwörter "private" und "public" werden später noch erklärt.
Attribute beschreiben die Struktur einer Klasse oder vereinfacht ausgedrückt, die Daten. Methoden beschreiben das Verhalten einer Klasse. Mit Hilfe dieser werden Operationen, Dienste und Funktionen angeboten. Eine Methode wird in C++ nicht wie in C durch ihren Namen eindeutig identifiziert, sondern durch ihren Prototyp.
Objekte sind Instanzen (oder Ausprägungen) einer Klasse. Vereinfacht ausgedrückt: Man kann eine Klasse in etwa als Datentyp ansehen und ein Objekt als zugehörige Variable dieses Datentyps. Der Unterschied ist der, daß ein Objekt auch die zugehörigen Methoden umfaßt.
Wenn es nun zwei Objekte namens "Müller" und "Huber" der Klasse "Geschäftspartner" gibt, sind die Daten in diesen Objekten zwar unterschiedlich, aber die Methoden sind exakt die gleichen.
Konstruktoren sind Methoden, die automatisch bei der Erzeugung eines Objekts ablaufen und haben immer den gleichen Namen wie die Klasse. Eine Klasse hat immer einen Konstruktor (Default Konstruktor), man kann aber mehrere Konstruktoren schreiben, die verschiedene Aufgaben erfüllen. Einsatzgebiete für Konstruktoren sind:
Initialisierung einer Klasse durch parametrisierte Konstruktoren
Bereitstellen von dynamischem Speicherplatz
Copy Konstruktor
Wenn ein Objekt dynamisch Speicher anlegt und man eine Initialisierung dieses Objekts anhand eines typgleichen Objektes durchführen will, folgt daraus das Problem, daß beide Objekte auf denselben Speicherbereich zugreifen, wobei aber die beiden Objekte lediglich die gleichen Inhalte haben sollten.
Das gleiche Problem tritt bei zwei weiteren Fällen auf. Zum einen, wenn ein Objekt als Argument an eine Funktion übergeben wird um zum anderen, wenn ein Objekt ein Rückgabewert einer Funktion ist. Um dieses Problem zu lösen, bietet C++ den Copy Konstruktor. Ein Copy Konstruktor sieht folgendermaßen aus:
<Klassenname> (const <Klassenname> &o)
Das folgende Beispiel beinhaltet alle 3 möglichen Varianten eines Konstruktors:
class array
// copy constructor
array (array &a)
~array() ; //Destructor
Destruktoren sind Methoden, die bei der Zerstörung eines Objekts automatisch aufgerufen werden und werden z.B. zum Freigeben von dynamisch allokierten Speicher oder zum Schließen einer Datei verwendet. Ein Destruktor sieht folgendermaßen aus:
<Klassenname>()
Wenn eine Membervariable einer Klasse als static deklariert wird, haben alle Objekte dieser Klasse Zugriff auf die gleiche Variable, da sie nur einmal im Speicher existiert. Weiters muß noch eine globale Definition für die Variable gemacht werden, da die Deklaration in der Klasse noch keinen Speicherplatz allokiert. Das folgende Beispiel veranschaulicht den Vorgang:
class shared
int shared::a; // globale Definition von a
main()
Das Problem von statischen Membervariablen in Bezug auf OOP ist, daß sie immer das Prinzip der Abkapselung verletzen.
Bei statischen Memberfunktionen gibt es folgende Einschränkungen:
Sie haben nur Zugriff auf statische Members der Klasse (und natürlich auf globale Funktionen und Daten)
Sie haben keinen this-Zeiger
Es darf keine statische Version einer Funktion neben eine nicht-statischen existieren
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Statische Memberfunktionen ist die Initialisierung von statischen Daten einer Klasse bevor ein Objekt erzeugt wurde.
Beispiel f. die Deklaration einer statischen Memberfunktion:
class myclass
Da die OOP auf dem Prinzip der Kapselung beruht, sollen nicht alle Funktionen bzw. Daten nach außen hin sichtbar sein. Deshalt gibt es in C++ 3 Speicherschutzattribute:
public: Die entsprechende Komponente (Daten, Funktionen, Ereignisse) ist für alle Klassen sichtbar
protected: Die entsprechende Komponente ist für die Klasse selbst und für Erben sichtbar (s. Kapitel 4 - Vererbung)
private: Die entsprechende Komponente ist nur für die Klasse selbst sichtbar
Die Verwendung dieser Speicherschutzattribute wird oft auch als "Information Hiding" bezeichnet.
Friend-Funktionen werden verwendet, um Funktionen, die nicht Mitglied einer Klasse sind, Zugriff auf private oder protected Members dieser Klasse zu verschaffen. Die Deklaration erfolgt dadurch, daß der Prototyp der "fremden" Funktion in der Klasse deklariert wird. Dies sieht z.B. so aus:
class myclass
Wenn eine Klasse K1 Friend einer anderen Klasse K2 ist, so hat K1 Zugriff auf die als private deklarierten Bezeichner (z.B.: enum's, int, float, ).
Eine Friend-Klasse hat nur Zugriff auf die Bezeichner der anderen Klasse, sie ist nicht von der ursprünglichen Klasse abgeleitet.
Beispiel:
class coins
friend class amount;
class amount
In diesem Beispiel hat die Klasse "amount" Zugriff auf "units"-enumeration der Klasse "coins", weil "amount" eine Friend-Klasse von "coins" ist.
Inline-Funktionen sind Makros sehr ähnlich, da der Code einer Inline-Funktion einfach an der Stelle, wo sie aufgerufen wird, vom Compiler eingefügt wird, d.h. es wird die zeitraubende Prozedur der Parameterübergabe über den Stack, usw. gespart. Daher ist eine Inline-Definition einer Funktion nur bei sehr einfachen und kurzen Aufgaben sinnvoll. Die Definition erfolgt mit Hilfe des Schlüsselwortes "inline".
Beispiel:
inline int max(int a, int b)
main()
Der Compiler wandelt dieses Programm dann folgendermaßen um:
main()
In C++ werden Inline-Funktionen meistens für kurze Funktionsdefinitionen - und zwar gleich in der Klassendeklaration - verwendet. Der Compiler wandelt diese Funktionsdefinition dann automatisch in eine Inline-Funktion um. Hierbei ist die Angabe des Schlüsselwortes "inline" nicht zwingend.
Beispiel:
class myclass
void show()
Der Scope Resolution Operator ( :: ) wird verwendet, um dem Compiler mitzuteilen, welcher Klasse das Member zugeordnet ist. Weiters wird der Scope Resolution Operator auch verwendet, um Zugriff auf "übergeordnete" Members zu haben, wenn ein lokaler Bezeichner mit dem gleichen Namen existiert.
Beispiel:
int i; // globale Deklaration
void f()
Function Overloading ist grundsätzlich das Verwenden von gleichen Funktionen mit verschiedenen Parametern bzw. mit einer unterschiedlichen Anzahl von Parametern.
Weiters ist zu beachten, daß zwei Funktionen mit gleichem Namen und gleicher Parameterliste aber unterschiedlichen Rückgabewerten nicht überladen werden können.
Außerdem gibt es Situationen, in denen der Compiler nicht weiß, welche von zwei bestehenden Funktionen verwendet werden soll. Dies kann folgende Gründe haben:
Der Compiler führt eine automatische Typkonvertierung durch (z.B. von char auf double)
Bei Verwendung von Default-Argumenten
Zwei Funktionen sind gleich bis auf die Art der Parameterübergabe (Call by Reference bzw. Call by Value)
Beispiel:
ad 1)
float myfunc(float i);
double myfunc(double i);
main()
// float und auf double konvertieren
// kann
float myfunc(float i)
double myfunc(double i)
ad 2)
int myfunc(int i);
int myfunc(int i, int j=1);
main()
// zweite Möglichkeit durch den
// Default-Parameter auch mögl. wäre
int myfunc(int i)
int myfunc(int i, int j)
ad 3)
int f(int x);
int f(int &x);
main()
// ren soll
int f(int x)
int f(int &x)
Function-Overloading kommt auch oft bei Konstruktoren vor, wenn Objekte auf verschiedene Arten initialisierbar sein sollen.
Beispiel:
class date
date(int m, int d, int y)
void show_date();
Es kommt ab und zu vor, daß ein Programm über die Adresse einer Funktion auf diese zugreift. Dies sieht in C unter Betracht einer Funktion myfunc() und einem Zeiger p folgendermaßen aus:
p = myfunc;
Bei überladenen Funktionen wird dies komplexer, da der Compiler eine Funktion nicht anhand ihres Namens eindeutig identifizieren kann. Um die Möglichkeit dennoch zu nutzen muß man zuerst eine Zeigervariable in folgender Form deklarieren:
int (*<name_des_zeigers>)(parameterliste)
Danach kann die Funktionsadresse wie bisher der Zeigervariable zugewiesen werden.
Beispiel:
int myfunc(int a);
int myfunc(int a, int b);
main()
Hätte man *fp folgendermaßen deklariert: int (*fp)(int a, int b), dann würde fp auf die Funktion int myfunc(int a, int b) zeigen.
In C++ gibt es die Möglichkeit, fast jeden Operator (Ausnahmen: ., ::, .*, ?) mit einer, speziell auf die eigene Klasse versehene, Funktion zu versehen. Dies geschieht durch das Überladen einer operator Funktion. Diese Funktionen können - müssen aber nicht - Member der Klasse sein. Funktionen, die nicht zur Klasse gehören sind meistens Friend-Funktionen.
Man unterscheidet auch zwischen binären und unären Operatoren, da unäre Operator-Funktionen keinen Parameter übernehmen, binäre Operatoren hingegen einen.
Beispiel für einen binären Operator:
loc loc::operator+(loc op2)
Aufruf:
ob1 = ob1 + ob2;
Der zweite, für die Verarbeitung notwendige Parameter, wird als this-Zeiger automatisch mitübergeben. Der Parameter, welcher der Funktion übergeben wurde, ist derjenige, der rechts vom Operator steht. Das Objekt, das links vom Operator steht, ist dasjenige, das die Operator-Funktion ausführt.
Um das Ergebnis der Operation - wie oben gezeigt - wieder einem Objekt der gleichen Klasse zuweisen zu können, muß der Rückgabewert auch stimmen.
Beispiel für einen unären Operator:
loc loc::operator++()
Wenn man den Operator "=" überschreiben will, sollte man darauf achten, daß die Funktion *this zurückgibt. Dies erlaubt dann mehrfache Zuweisungen wie
ob1 = ob2 = ob3;
Wenn Friend-Funktionen zum Zweck des Operator-Overloading verwendet werden, müssen zwei Parameter übergeben werden, weil die Funktion nicht Member der Klasse ist und somit keinen this-Zeiger erhält.
Der Vorteil von Friend-Funktionen zum Zweck des Operator-Overloading ist es, daß die Reihenfolge der Operanden keine Rolle spielt. Ein Beispiel dafür:
Angenommen, "ob1" und "ob2" sind Objekte der Klasse "Bruch". Somit ist
ob2 = 100 + ob1 genauso möglich wie ob2 = ob1 + 100
Bei Verwendung von Member-Funktionen ist dies nicht möglich, da immer das links vom Operator stehende Objekt die überladene Funktion bereitstellen muß.
Die Vererbung ist eine der Eckpfeiler von OOP und wird von C++ in vollem Umfang unterstützt. Man kann Vererbung folgendermaßen definieren:
"Die Vererbung definiert die Beziehung zwischen Klassen, in der eine Klasse (Subklasse oder Unterklasse) die Struktur und das Verhalten teilt, das in einer oder mehreren anderen Klassen (Superklassen oder Oberklassen) definiert wurde."
Die Vererbung ermöglich es, eine Basisklasse zu erstellen, die allgemeine Elemente enthält. Des weiteren können mehrere abgeleitete Klassen erstellt werden, die alle Elemente der Basisklasse erben und ihre eigenen speziellen Merkmale hinzufügen.
Weiters ist es möglich eine abgeleitete Klasse als Basisklassen für andere abgeleitete Klassen zu verwenden. Daraus entsteht dann die Mehrfachvererbung.
Beispiel:
class base
void show()
class derived : public base
void showk()
Wenn eine Klasse als public vererbt wird, so werden alle public-Members und protected-Members der Basisklasse zu public-Members bzw. protected-Members der abgeleiteten Klasse. Die private-Members sind ausschließlich in der jeweiligen Klasse sichtbar.
In C++ gibt es außerdem die Möglichkeit, eine Klasse von mehreren Basisklassen abzuleiten.
Beispiel:
class base1
class base2
class derived : public base1, public base2
main()
Diese Technik resultiert aber in folgendem Problem:
Klasse A hat Datenmember x
Klasse B und C sind von A abgeleitet und haben eigenen Datenmembers
Klasse D ist von B und von C abgeleitet
Im Programm wird nun ein Objekt des Typs D angelegt und auf die Variable x zugegegriffen. Von welcher Klasse soll nun die Variable verwendet werden?
Es gibt 2 Möglichkeiten zur Lösung dieses Problems:
1. Scope Resolution Operator (siehe oben)
2. Virtuelle Basisklassen (siehe später)
Die Reihenfolge der Ausführung von Konstruktoren und Destruktoren im Falls der Vererbung sieht folgendermaßen aus.
Es wird der Konstruktor der Basisklasse aufgerufen, dann der der von der Basisklasse abgeleitete Konstruktor, usw. Bei den Destruktoren wird genau am anderen Ende der Hierachiestufen mit der Ausführung begonnen.
Diese haben grundsätzlich ähnlich Eigenschaften wie private-Members. Sie sind nur innerhalb einer Klasse sichtbar, außer diese Klasse wird vererbt. Wenn der Fall auftritt, daß eine Klasse public vererbt wird, so kann die abgeleitete Klasse auf die protected-Member der Basisklasse zugreifen.
Wenn eine Klasse protected vererbt wird, so werden alle public- und protected-Members der Basisklasse zu protected-Members der abgeleiteten Klasse.
Diese dienen zur Lösung des bei mehrfacher Vererbung entstandenen Problems (siehe oben). Dieser Lösungsansatz basiert darauf, daß die Basisklasse mit dem Schlüsselwort virtual versehen wird, wenn sie vererbt wird. Wenn nun eine mehrfache Vererbung wie im obigen Beispiel vorkommt, beinhaltet die Klasse D nur eine Kopie des Basisobjekts.
Beispiel für die Deklaration der Klasse B in Bezug auf das oben genannte Beispiel:
class B : virtual public A
int k;
public:
void showk()
C++ unterstützt Polymorphie zu Compilezeit und zu Laufzeit. Ersteres wird - wie schon besprochen - von Function- bzw. Operator-Overloading zur Verfügung gestellt, zweiteres wird von Vererbung und Virtuellen Funktionen (Function Overwriting) geboten, die im nachstehenden Kapitel noch beschrieben werden.
Eine virtuelle Funktion wird in der Basisklasse mit dem Schlüsselwort virtual deklariert und in den abgeleiteten Klassen wieder definiert. Diese "Wiederdefinition" überschreibt die der Basisklasse. Generell kann man sagen, daß die Deklaration in der Basisklasse als "Platzhalter" für eine generelle Funktion fungiert, die in den abgeleiteten Klassen erst wirklich implementiert werden, weil diese unterschiedlich Aufgaben haben.
Sehr nützlich sind virtuelle Funktionen beim Erstellen von Containern, die unterschiedliche Objekte enthalten, aber alle einen gewissen Satz von Standardfunktionalität haben soll. Ein Beispiel wäre dafür die Basisklasse Zeichenobjekt, von dem die Klassen Kreis und Rechteck abgeleitet sind. Nun wird eine Liste von Zeichenobjekten erstellt, und ein Aufruf der Funktion draw() der Basisklasse soll dann je nachdem, ob das Objekt ein Kreis oder ein Rechteck ist, richtig gezeichnet werden.
Das wichtige bei virtuellen Funktionen ist ihr Verhalten, wenn sie via Zeiger aufgerufen werden. Wenn ein Basisklassenzeiger auf ein abgeleitetes Objekt zeigt, das eine virtuelle Funktion enthält, führt C++ die richtige Version dieser Funktion aus.
Virtuelle Funktionen können auch vererbt werden, d.h. sie können in mehreren Ebenen der Vererbungshierarchie immer wieder überschrieben werden.
Außerdem ist zu beachten, daß die virtuelle Funktion der Basisklasse ausgeführt wird, wenn diese in einer abgeleiteten Klasse nicht überschrieben wurde.
Beispiel:
class base
class derived1 : public base
class derived2 : public base
main()
Eine Pure Virual Function ist eine virtuelle Funktion, die in der Basisklasse nicht definiert wird. Die Deklaration sieht folgendermaßen aus:
virtual <type> <func_name>(<parameter_list>)=0;
Wie oben schon erwähnt wird die virtuelle Funkion der Basisklasse ausgeführt, falls in der abgeleiteten Klasse diese Funktion nicht überschrieben wird. Da dies in manchen Fällen keinen Sinn ergibt, kann man die Ausführung der virtuellen Funktion der abgeleiteten Klasse hiermit erzwingen. Falls diese Funktion nicht definiert ist, wird ein Compile-Fehler gemeldet.
Bei Verwendung von virtuellen Funktionen wird erst zu Laufzeit entschieden, welche Definition der Funktion nun wirklich verwendet wird, da, wie schon oben erwähnt, aufgrund der Polymorphie mehrere Definitionen existieren können. Welche Funktion nun aufgerufen wird, hängt vom Typ des Objekts ab, welches gerade referenziert wird.
Dieser Mechanismus wird in C++ durch die v-Table realisiert. Wenn eine Klasse virtuelle Funktionen enthält, dann wird bei der Erzeugung eines Objekts dieser Klasse vom Konstruktor automatisch ein Zeiger auf diese - für uns nicht sichtbare - v-Table gespeichert. Diese v-Table enthält nun eine Liste von Zeigern auf alle virtuellen Funktionen dieser Klasse. Weiters ist zu erwähnen, daß sich alle Objekte einer Klasse dieselbe v-Table teilen und nicht-virtuelle Funktionen nicht in der v-Table aufscheinen.
Der Unterschied zwischen virtuellen Funktionen und Function-Overloading besteht darin, daß virtuelle Funktionen exakt den gleichen Prototyp haben müssen, was bei Function-Overloading nicht erlaubt ist.
Weiters ist zu beachten, daß virtuelle Funktionen in ihrer Klasse als nicht-static deklariert werden müssen.
Außerdem können sie keine Friends sein; Konstruktoren können nicht als virtual deklariert werden, Destruktoren hingegen schon.
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