240-1677 (Объективное программирование)

ВВЕДЕНИЕ В ОБЪЕКТНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Лекция 1. Объектное программирование как технология программирования

-------------------------------------------------------------

Традиционная технология программирования 70-х годов - структурное программирование:

- модульное программирование;

- нисходящее программирование;

- структурное проектирование процедур и данных (программирование без goto).

Язык Паскаль - соответствует указанным принципам и был разработан под влиянием идей структурного программирования.

Альтернативный подход - восходящее программирование - предполагает в простейшем случае создание слоя структур данных и процедур, обеспечивающих полный набор действий над объектами, которые представлены в данной задаче. Пример традиционного подхода библиотека стандартных функций.

Следующий шаг - введение в программу объектов. Под объектом понимается структура данных, которая содержит полную информацию о состоянии соответствующего физического объекта, который отображается программой. В Си этому может соответствовать структура struct), в Паскале - запись (record). Множество объектов одного типа составляют понятие класса. Объектно-ориентированный подход к разработке программ предполагает, что в программе устанавливается взаимно-однозначное соответствие между физическими объектами,

отображаемыми программой, и програмнными объектами, являющимися, по существу, структурированными переменными (в дальнейшем под термином "объект" будем понимать программный объект).

Традиционный подход: ---------- переменная тип данных

Объектно-ориентиро- физический программный класс

ванный подход: объект объект объектов

При создании объектов программист определяет множество функций, при помощи которых (а точнее, исключительно через которые)над объектом выполняется некоторое допустимое множество операций.

Такие функции должны иметь обязательный параметр - ссылку на текущий объект, для которого они вызываются. Сами функции являются неотъемлимой частью понятия класса объектов, так как они определяют возможные действия над объектами одного и того же типа (то есть класса).

Объектно-ориентированные программы можно разрабатывать и с помощью традиционных языков программирования. Рассмотрим пример определения объектов типа "дата" на классическом Си.

//------ структура dat - аналог класса объектов "дата" --------typedef struct dat

{

unsigned day;

unsigned month;

unsigned year;

}

DAT;

//----- набор функций для класса объектов "дата" --------------static int mm[] = {31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};

//----- Проверка на корректность -----------------------------int TestData(p)

DAT *p;

{

if (p->month ==2 && p->day==29 && p->year %4 ==0) return(1);

if (p->month ==0 || p->month >12 ||

p->day ==0 || p->day >mm[p->month])

return(0);

return(1);

}

//------ Следующая дата ----------------------------------------void NextData(p)

DAT *p;

{

p->day++;

if (p->day month]) return;

if (p->month ==2 && p->day==29 && p->year %4 ==0) return;

p->day=1;

p->month++;

if (p->month !=13) return;

p->month=1;

p->year++;

}

//------- Следующая дата через n дней --------------------------void PlusData(p,n)

DAT *p;

int n;

{

while (n-- !=0) NextData(p);

}

//------- Основная программа ---------------------------------

void main()

{

DAT a;

do

{

scanf("%d%d%d", &a.day, &a.month, &a.year);

}

while(TestData(&a) ==0);

PlusData(&a, 17);

}

//--------------------------------------------------------

Фактически определение класса объектов как типа данных и известного набора функций для выполнения операций над переменными этого типа эквивалентно понятию базового типа данных (БТД) языка программирования. Единственное отличие класса от БТД заключается в том, что первый определяется программистом, а второй встроен в определение языка программирования.

Язык программирования Си++ представляет собой расширение языка Си для программирования объектов и их классов. При этом использование классов эквивалентно вплоть до синтаксиса использованию базовых типов данных:

Понятия классического Си Понятия Си++

------------------------- ----------- БТД: Класс:

элемент данных языка, для определяемая пользователем

которого известно множество структура, элементы которой

значений, форма представления, являются ранее определен набор операций. ными типами данных и классами,

и множества функций,оперирующих с ним.

--------------------------------------------------------- Переменная: Объект:

область памяти, содержащая переменная, содержащая

структуру данных определенного структуру данных, определенную

типа. как класс.

--------------------------------------------------------- Операция: Переопределение операторов:

операция над переменной интер- функция, определенная для объек претируется по отношению к тому тов указанного класса может быть

БТД, к которому относится пере- вызвана в виде одной из стандарт менная (так операция '+' ных операций языка Си, которая

по-разному интерпретируется для переопределяется, если операндом

переменных типа int и double). ее является объект класса, а не

переменная БТД.

Лекция 2. Дополнительные возможности языка Си++

-----------------------------------------------

Ниже рассмотрим средства, расширяющие классический Си. Хотя

они и не относятся непосредственно к классам, с их помощью можно

реализовать рассмотренные выше принципы объектно-ориентированного

программирования.

2.1. Присваивание структур

------------------------- Операция присваивания может быть применена к структурам одного типа. В этом случае предполагается их побайтное копирование

одной в другую. Она (а не ссылка на нее) может быть также фактическим параметром и результатом функции. Если имеется ссылка на

структуру с именем p, то результатом операции *p является структура в целом. Таким образом, структура приближается к базовым типам данных в том смысле, что над ней возможны вышеуказанные операции. Для обозначения структуры можно также использовать имя

структуры без ключевого слова struct.

struct dat

{ int day,month,year; }

dat NextDat(dat x) // Формальный параметр - структура

{ ... return(x); } // Возвратить структуру как результат

dat Nextdat1(dat *p)

{ ... return(*p); } // Возврат структуры косвенно по ссылке

dat a,b,c,*q; // Ключевое слово struct не используется

void main()

{

q = &b;

a = b; // Прямое присваивание структур

a = *q; // Косвенное присваивание по ссылке

c = NextDat(b); // Присваивание структуры как результата

c = NextDat1(&b); // функции, фактический параметр в

} // NextDat - копия структуры

2.2. Обращения по адресу (неявная ссылка)

----------------------------------------

При работе со структурами большого размера - при передаче их

в качестве параметров и результатов функций - копирование их является неэффективной операцией. Гораздо эффективнее передавать ссылку на эту структуру. Для того, чтобы постоянно не указывать операции взятия адреса и косвенного обращения по ссылке в Си++ введен тип - неявная ссылка: при определении переменной неявно вводится ссылка, указывающая на эту переменную. Использование этой переменной в большинстве операций предполагает косвенное обращение по соответствующей ссылке. При инициализации такой переменной значением другой переменной создается ссылка на эту другую переменную. При использовании в любом выражении переменной - неявной ссылки реально производится косвенное обращение по созданной ссылке.

Си++ Эквивалент в "классическом" Си

------------------------ -----------------------------//--------------- Инициализация константой -----------------int &a = 5; int a, *pa =a;

*pa = 5;

//--------------- Инициализация переменной -----------------int x; int x,*pa;

int &a = x; pa = &x;

a = 5; *pa = 5;

//-------------- Неявная ссылка на структуру ----------------struct dat struct dat

{ int day,month,year }; { int day,month, year };

dat x; dat x;

dat& b = x; dat* pb = &x;

dat& c = {12,12,1990}; dat cc = {12,12,1990};

dat *pc = &cc;

b.year = 1990; pb->year= 1990;

c.day=b.day+3; pc->day = pb->day+3;

c = b; // Копирование pc->day = pb->day;

// структуры pc->month = pb->month;

pc->year = pb->year;

Наиболее часто неявные ссылки используются при передаче параметров и результатов функций. В этом случае транслятор сам выбирает, что необходимо использовать в качестве фактического параметра - переменную или ссылку на нее, и что используется в качестве результата - ссылка или переменная, косвенно адресуемая по ссылке. Цель подобных ухищрений будет видна позднее - при переопределении операторов, а пока можно заметить, что вызов функций, с

параметрами - обычными значениями и неявными ссылками - синтаксически идентичен. То же самое касается результатов.

В качестве иллюстрации рассмотрим три примера функций, имеющих в качестве формального параметра и результата структуру, которая передается соответственно:

- значением;

- явной ссылкой;

- неявной ссылкой.

Пример 1. Параметры - значения

---------------------------------------------------------dat Inc(dat x) ========> - копирование

{ --------> - ссылка

x.day++;

return(x); ----¬ стек +---+x.day++

} ¦ b =========> x =========¬

L---- +---+ ¦ return(x)

void main() ¦

{ ----¬ стек +---+ --¦-¬ временная

dat a,b,*p; ¦ a <========= x <======= ¦ переменная

a = Inc(Inc(b)); L---- +---+ L---p = &Inc(b); x.day++

a = *p;

}

Пример 2. Параметры - явные ссылки

---------------------------------------------------------dat* Inc(dat* x) x->day++

{ x->day++

x->day++; ----¬ стек +---+

return(x); г===== b <--------- x ¦

} ¦ --> <----¬ +-¦-+

¦ ¦ L---- ¦ ¦return(x)

¦ ¦ г======+=====void main() a=*..¦ ¦ ¦ ¦ +---+ стек

{ ¦ ¦ --¦-¬ L---- x ¦

dat a,b,*p; ¦ ¦ ¦ =========> ¦

a = *Inc(Inc(&b)); ¦ ¦ L---- +-¦-+

p = Inc(&b); ¦ ¦ ----¬ ¦return(x)

a = *p; ¦ L-- <===========} ¦ L--- ¦ ----¬

L====> a ¦

L---

Пример 3. Параметры - неявные ссылки

---------------------------------------------------------dat& Inc(dat& x) x.day++ неявная ссылка dat* px

{ x.day++

x.day++; ----¬ стек +---+

return(x); г===== b <--------- px¦

} ¦ --> <----¬ +-¦-+

¦ ¦ L---- ¦ ¦return(px)

¦ ¦ г======+=====void main() a=*..¦ ¦ ¦ ¦ +---+ стек

{ ¦ ¦ --¦-¬ L---- px¦

dat a,b,*p; ¦ ¦ ¦ =========> ¦

a = Inc(Inc(b)); ¦ ¦ L---- +-¦-+

p = &Inc(b); ¦ ¦ ----¬ ¦return(px)

a = *p; ¦ L-- <===========} ¦ L--- ¦ ----¬

L====> a ¦

L---

Сравнение этих примеров показывает следующее:

- при работе с формальным параметром - неявной ссылкой используется имя формального параметра в качестве идентификатора переменной, которая заменяется транслятором на косвенное обращение по неявной ссылке;

- при возвращении результата используется имя переменной,которая заменяется транслятором неявной ссылкой на нее;

- примеры 2 и 3 идентичны по реализации, но отличаются по синтаксису вызова функции;

- примеры 1 и 3 отличаются по реализации, но идентичны по синтаксису вызова функции;

- из предыдущего следует, что при вызове функции список фактический параметров недостаточен для определения транслятором способа их передачи (значением или ссылкой), поэтому в Си++ для каждой внешней функции необходимо задать прототип.

Так как размер структуры, передаваемой в качестве результата функции, может быть сколь угодно большим, то для его хранения необходимо создать временную переменную. Транслятор "Borland C" в этом случае поступает следующим образом:

- при входе в функцию в стеке предполагается существование неявного параметра - "длинной" ссылки на структуру, в которой размещается результат функции;

- при выполнении операции return(x), где x - локальная переменная или формальный параметр, выполняется побайтовое копирование переменной x по адресу, заданному неявным параметром;

- если результат функции непосредственно присваивается другой переменной-структуре, то при вызове такой функции в стек помещается неявный параметр - ссылка на переменную в левой части операции присваивания;

- во всех остальных случаях в вызывающей функции создается по одной неявной автоматической переменной на каждый вызов функции, возвращающей структуру в качестве результата, а при вызове передается соответствующая ссылка на эту переменную-структуру. Такие переменные имеют все свойства автоматических, они существуют все время работы вызывающей функции, возможно даже получить ссылку на такую переменную.

Программа на Си++ Реализация

----------------- ---------- -- неявный параметр

dat Inc(dat x) void Inc(dat *r,dat x)

{ {