Информация о курсе в систематизированном виде излагаются основные понятия и описываются возможности языка C++. При этом основное внимание уделяется объяснению того, как теми или иными возможностями пользоваться

значение переменной n2 передается в качестве аргумента. Компилятор создает временную переменную типа Complex, копирует в нее значение n2 и передает эту переменную в метод Add. Такая передача аргумента называется передачей по значению. У передачи аргументов по значению имеется два свойства. Во-первых, эта операция не очень эффективна, особенно если объект сложный и требует большого объема памяти или же если создание объекта сопряжено с выполнением сложных действий (о конструкторах объектов будет рассказано в лекции 12). Во-вторых, изменения аргумента функции не сохраняются. Если бы метод Add был бы определен как

то при вызове n3 = n1.Add(n2) результат был бы, конечно, другой, но значение переменной n2 не изменилось бы. Хотя в данном примере изменяется значение аргумента метода Add, этот аргумент – лишь копия объекта n2, а не сам объект. По завершении выполнения метода Add его аргументы просто уничтожаются, и первоначальные значения фактических параметров сохраняются.

При возврате результата функции выполняются те же действия, т.е. создается временная переменная, в которую копируется результат, и уже затем значение временной переменной копируется в переменную n3. Временные переменные потому и называют временными, что компилятор сам создает их на время выполнения метода и сам их уничтожает.

Другим способом передачи аргументов является передача по ссылке. Если изменить описание метода Add на

то при вызове n3 = n1.Add(n2) компилятор будет создавать ссылку на переменную n2 и передавать ее методу Add. В большинстве случаев это намного эффективнее, так как для ссылки требуется немного памяти и создать ее проще. Однако мы получим нежелательный в данном случае эффект. Метод

изменит значение переменной n2. Операция Add не предусматривает изменения собственных операндов. Чтобы избежать ошибок, лучше записать аргумент с описателем const, который определяет соответствующую переменную как неизменяемую.

В таком случае попытка изменить значение аргумента будет обнаружена на этапе компиляции, и компилятор выдаст ошибку. Передачей аргумента по неконстантной ссылке можно воспользоваться в том случае, когда функция действительно должна изменить свой аргумент. Например, метод Coord класса Figure записывает координаты некой фигуры в свои аргументы:

переменным cx и cy будет присвоено значение координат фигуры fig.

Вернемся к методу Add и попытаемся оптимизировать передачу вычисленного значения. Простое на первый взгляд решение возвращать ссылку на результат не работает:

Complex&

Complex::Add(const Complex& x)

{

Complex result;

result.real = real + x.real;

result.imaginary = imaginary + x.imaginary;

return result;

}

При выходе из метода автоматическая переменная result уничтожается, и память, выделенная для нее, освобождается. Поэтому результат Add – ссылка на несуществующую память. Результат подобных действий непредсказуем. Иногда программа будет работать как ни в чем не бывало, иногда может произойти сбой, иногда результат будет испорчен. Однако возвращение результата по ссылке возможно, если объект, на который эта ссылка ссылается, не уничтожается после выхода из функции или метода. Если метод Add прибавляет значение аргумента к текущему значению объекта и возвращает новое значение в качестве результата, то его можно записать:

Как и в случае с аргументом, передача ссылки на текущий объект позволяет использовать метод Add слева от операции присваивания, например в следующем выражении:

К значению объекта x прибавляется значение y, а затем результату присваивается значение z (фактически это эквивалентно x = z). Чтобы запретить подобные конструкции, достаточно добавить описатель const перед типом возвращаемого значения:

Передача аргументов и результата по ссылке аналогична передаче указателя в качестве аргумента:

Если нет особых оснований использовать в качестве аргумента или результата именно указатель, передача по ссылке предпочтительней. Во-первых, проще запись операций, а во-вторых, обращения по ссылке легче контролировать.

9.8 Рекомендации по передаче аргументов

1. 
   Встроенные типы лучше передавать по значению. С точки зрения эффективности разницы практически нет, поскольку встроенные типы занимают минимальную память, и создание временных переменных и копирование их значений выполняется быстро.
   
2. 
   Если в функции или методе значение аргумента используется, но не изменяется, передавайте аргумент по неизменяемой ссылке.
   
3. 
   Передачу изменяемой ссылки необходимо применять только тогда, когда функция должна изменить переменную, ссылка на которую передается.
   
4. 
   Передача по указателю используется, только если функции нужен именно указатель, а не значение объекта.
   

10.1 Наследование

Важнейшим свойством объектно-ориентированного программирования является наследование. Для того, чтобы показать, что класс В наследует классу A (класс B выведен из класса A), в определении класса B после имени класса ставится двоеточие и затем перечисляются классы, из которых B наследует:

class A

{

public:

A();

~A();

MethodA();

};

class B : public A

{

public:

B();

. . .

};

Термин "наследование" означает, что класс B обладает всеми свойствами класса A, он их унаследовал. У объекта производного класса есть все атрибуты и методы базового класса. Разумеется, новый класс может добавить собственные атрибуты и методы.

Часто выведенный класс называют подклассом, а базовый класс – суперклассом. Из одного базового класса можно вывести сколько угодно подклассов. В свою очередь, производный класс может служить базовым для других классов. Изображая отношения наследования, их часто рисуют в виде иерархии или дерева.

Рис. 10.1. Пример иерархии классов.

Иерархия классов может быть сколь угодно глубокой. Если нужно различить, о каком именно классе идет речь, класс C называют непосредственным или прямым базовым классом класса D, а класс A – косвенным базовым классом класса D.

Предположим, что для библиотечной системы, которую мы разрабатываем, необходимо создать классы, описывающие различные книги, журналы и т.п., которые хранятся в библиотеке. Книга, журнал, газета и микрофильм обладают как общими, так и различными свойствами. У книги имеется автор или авторы, название и год издания. У журнала есть название, номер и содержание – список статей. В то же время книги, журналы и т.д. имеют и общие свойства: все это – "единицы хранения" в библиотеке, у них есть инвентарный номер, они могут быть в читальном зале, у читателей или в фонде хранения. Их можно выдать и, соответственно, сдать в библиотеку. Эти общие свойства удобно объединить в одном базовом классе. Введем класс Item, который описывает единицу хранения в библиотеке:

class Item

{

public:

Item();

~Item();

// истина, если единица хранения на руках

bool IsTaken() const;

// истина, если этот предмет имеется

// в библиотеке

bool IsAvailable() const;

long GetInvNumber() const;

// инвентарный номер

void Take(); // операция "взять"

void Return(); // операция "вернуть"

private:

// инвентарный номер — целое число

long invNumber;

// хранит состояние объекта —

// взят на руки

bool taken;

};

Когда мы разрабатываем часть системы, которая имеет дело с процессом выдачи и возврата книг, вполне достаточно того интерфейса, который представляет базовый класс. Например:

Конкретные свойства книги будут представлены классом Book.

Для журнала класс Magazin предоставляет другие сведения:

Ключевое слово public перед именем базового класса определяет, что внешний интерфейс базового класса становится внешним интерфейсом порожденного класса. Это наиболее употребляемый тип наследования. Описание защищенного и внутреннего наследования будет рассмотрено чуть позже.

У объекта класса Book имеются методы, непосредственно определенные в классе Book и методы, определенные в классе Item.

Book b;

long in = b.GetInvNumber();

String t = b.Reference();

Производный класс имеет доступ к методам и атрибутам базового класса, объявленным во внешней и защищенной части базового класса, однако доступ к внутренней части базового класса не разрешен. Предположим, в качестве части полной ссылки на книгу решено использовать инвентарный номер. Метод Reference класса Book будет выглядеть следующим образом:

(Предполагается, что у класса String есть конструктор, который преобразует целое число в строку.) Запись:

не разрешена, поскольку invNumber – внутренний атрибут класса Item. Однако если бы мы поместили invNumber в защищенную часть класса:

то методы классов Book и Magazin могли бы непосредственно использовать этот атрибут.

Назначение защищенной (protected) части класса в том и состоит, чтобы, закрыв доступ "извне" к определенным атрибутам и методам, разрешить пользоваться ими производным классам.

Если одно и то же имя атрибута или метода встречается как в базовом классе, так и в производном, то производный класс перекрывает базовый.

Однако метод базового класса не исчезает. Просто при поиске имени foo сначала просматриваются атрибуты и методы самого класса. Если бы имя не было найдено, начался бы просмотр имен в базовом классе, затем просмотр внешних имен. В данном случае имя foo существует в самом классе, поэтому оно и используется.

С помощью записи A::foo() можно явно указать, что нас интересует имя, определенное в классе A, и тогда запись:

x = A::foo();

вызовет метод базового класса.

Вообще, запись класс::имя уже многократно нами использовалась. При поиске имени она означает, что имя относится к заданному классу.

10.2 Виртуальные методы

В обоих классах, выведенных из класса Item, имеется метод Title, выдающий в качестве результата заглавие книги или название журнала. Кроме этого метода, полезно было бы иметь метод, выдающий полное название любой единицы хранения. Реализация этого метода различна, поскольку название книги и журнала состоит из разных частей. Однако вид метода – возвращаемое значение и аргументы – и его общий смысл один и тот же. Название – это общее свойство всех единиц хранения в библиотеке, и логично поместить метод, выдающий название, в базовый класс.

class Item

{

public:

virtual String Name(void) const;

. . .

};

class Book : public Item

{

public:

virtual String Name(void) const;

. . .

};

class Magazin : public Item

{

public:

virtual String Name(void) const;

. . .

};

Реализация метода Name для базового класса тривиальна: поскольку название известно только производному классу, мы будем возвращать пустую строку.

Для книги название состоит из фамилии автора, названия книги, издательства и года издания:

У журнала полное название состоит из названия журнала, года и номера:

Методы Name определены как виртуальные с помощью описателя virtual, стоящего перед определением метода. Виртуальные методы реализуют идею полиморфизма в языке Си++. Если в программе используется указатель на базовый класс   Item и с его помощью вызывается метод Name:

то по виду вызова метода невозможно определить, какая из трех приведенных выше реализаций Name будет выполнена. Все зависит от того, на какой конкретный объект указывает указатель ptr.

В данном фрагменте программы, если переменная type, обозначающая тип библиотечной единицы, была равна "Book", то будет вызван метод Name класса Book. Если же она была равна "Magazin", то будет вызван метод класса Magazin.

Виртуальные методы позволяют программировать действия, общие для всех производных классов, в терминах базового класса. Динамически, во время выполнения программы, будет вызываться метод нужного класса.

Приведем еще один пример виртуального метода. Предположим, в графическом редакторе при нажатии определенной клавиши нужно перерисовать текущую форму на экране. Форма может быть квадратом, кругом, эллипсом и т.д. Мы введем базовый класс для всех форм Shape. Конкретные фигуры, с которыми работает редактор, будут представлены классами Square (квадрат), Circle (круг), Ellipse (эллипс), производными от класса Shape. Класс Shape определяет виртуальный метод   Draw для отображения формы на экране.

Конкретные классы реализуют данный метод, и, разумеется, делают это по-разному. Однако в функции перерисовки текущей формы, если у нас имеется указатель на базовый класс, достаточно лишь записать вызов виртуального метода, и динамически будет вызван нужный алгоритм рисования конкретной формы в зависимости от того, к какому из классов (Square, Circle и т.д.) принадлежит объект, на который указывает указатель shape:

10.3 Виртуальные методы и переопределение методов

Что бы изменилось, если бы метод Name не был описан как виртуальный? В таком случае решение о том, какой именно метод будет выполняться, принимается статически, во время компиляции программы. В примере с методом Name, поскольку мы работаем с указателем на базовый класс, был бы вызван метод Name класса Item. При определении метода как virtual решение о том, какой именно метод будет выполняться, принимается во время выполнения.

Свойство виртуальности проявляется только тогда, когда обращение к методу идет через указатель или ссылку на объект. Указатель или ссылка могут указывать как на объект базового класса, так и на объект производного класса. Если же в программе имеется сам объект, то уже во время компиляции известно, какого он типа и, соответственно, виртуальность не используется.

10.4 Преобразование базового и производного классов

Объект базового класса является частью объекта производного класса. Если в программе используется указатель на производный класс, то его всегда можно без потери информации преобразовать в указатель на базовый класс. Поэтому во многих случаях компилятор может выполнить такое преобразование автоматически.

Circle* pC;

. . .

Shape* pShape = pC;

Обратное не всегда верно. Преобразование из базового класса в производный не всегда можно выполнить. Поэтому говорят, что преобразование

небезопасно. Такое преобразование можно выполнять только тогда, когда точно известно, что iPtr указывает на объект класса Book.

10.5 Внутреннее и защищенное наследование

До сих пор мы использовали только внешнее наследование. Однако в языке Си++ имеется также внутреннее и защищенное наследование. Если перед именем базового класса ставится ключевое слово private, то наследование называется внутренним.