Методы программирования (2 семестр)

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Методы программирования (2 семестр)

Раздел 2. Лекция 07 Виртуальные методы

Нижегородский государственный университет
им. Н.И. Лобачевского

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Краткое содержание предыдущей серии

Важная проблема: типов абстракций (классов) слишком много. Чаще всего их настолько много, что мы не можем одновременно удерживать в голове информацию о них.
Решение, часть I: инкапсуляция позволяет скрыть внутренние детали абстракций и уменьшить объем информации, необходимый для понимания задачи.
Решение, часть II: что делать со сложными задачами известно еще с древних времен. Один из основных принципов: “Разделяй и властвуй!” (Модульная структура).

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Краткое содержание предыдущей серии

Важная проблема: типов абстракций (классов) слишком много. Чаще всего их настолько много, что мы не можем одновременно удерживать в голове информацию о них.
Решение, часть III: по мнению специалистов, “значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры” (Grady Booch).

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Виды иерархий

Можно обнаружить 2 вида иерархий:
“Это есть…”
“Быть частью”.
Пример:
Круг и точка.
Два варианта представления:
Круг – это такая точка, у которой, кроме того, что есть у точки, есть еще радиус 
Круг – это точка + радиус.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Наследование и агрегация

ЭТО ЕСТЬ…

БЫТЬ ЧАСТЬЮ…

НАСЛЕДОВАНИЕ

АГРЕГАЦИЯ

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Примеры иерархий. Координатная плоскость

Точка: (x, y)
Круг: (x, y, R)
Эллипс: (x, y, R1, R2)
Квадрат: (x, y, a)
Прямоугольник: (x, y, a, b).
Треугольник:(x1,y1, x2,y2, x3,y3)
Координатная плоскость (набор фигур)

Агрегация

Наследование

ТОЧКА (x, y)

КРУГ (R)

ФИГУРА

ИЛИ:

ТОЧКА (x, y)

КРУГ (R)

КВАДРАТ (a)

…

ТРЕУГОЛЬНИК = ТОЧКА + ТОЧКА + ТОЧКА

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Наследование в C++. Основные идеи

Новые классы образуются при помощи старых, заимствуя все поля методы и реализуя некоторую новую функциональность.
Классы, находящиеся в вершине иерархии, объединяют в себе некоторое количество свойств, общих для всей иерархии.
Постепенно, спускаясь по иерархии вниз, мы добиваемся все большей детализации.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Дальнейшее изучение

Сегодня мы изучим, как в C++ реализуется полиморфизм при помощи механизма виртуальных методов.

Итак, за дело!

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

О способах вызова метода

До сих пор мы были знакомы со следующим способом принятия решения о вызове функции: адрес определяется на этапе компиляции.

программа

подпрограмма

CALL Address

Address, определяется на этапе компиляции

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

О способах вызова метода

Проблема: что делать, если специфика задачи такова, что на этапе компиляции адрес вызываемой подпрограммы неизвестен?

программа

подпрограммы

CALL Address

Address, на этапе компиляции неизвестен

?

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

О способах вызова метода

А такое вообще бывает?

Умный человек способен обнаружить проблему даже там, где ее нет! 

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

О способах вызова метода

Оказывается, такие случаи бывают.
Пример:
class TPoint имеет метод для рисования
void Show()
class TCircle (выведен из TPoint) должен иметь метод для рисования.
Вопрос 1: как его назвать?
Ответ: полиморфизм: мы называем метод void Show(), сохраняя удобное и естественное название.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Виртуальные методы

Вопрос 2: как это работает?
Ответ: в этом случае при наследовании реализуется замещение метода Show() класса TPoint новой реализацией метода Show() для класса TCircle.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Как это работает? (Замещение метода)

TPoint

TCircle

TPoint p1, p2;
TCircle c1, c2;

x

y

Show()

…

Show()

x

y

методы

x

y

r

Show()

…

методы

x

y

r

Show()

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Как это работает? (Раннее связывание)

В данном случае при компиляции работает т.н. механизм “раннего связывания”, который подразумевает, что адрес вызываемого метода определяется на этапе компиляции программы.

программа

подпрограмма

CALL Address

Address, определяется на этапе компиляции

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

А хорошо ли это?

Обычно замещение отрабатывает нормально.
В соответствии с принципом замещения происходит переопределение методов базовых классов, что позволяет наряду с реализацией новых возможностей по-другому реализовать те функции, которые уже существовали у базовых абстракций.
Однако, существуют ситуации, когда этого оказывается недостаточно.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

И снова пример

Вернемся к TPoint и TCircle.
Пусть нам необходимо реализовать класс “Координатная плоскость”. Основные данные: массив фигур.
Проблема 1: как описать это синтаксически?
TPoint *data[N]; TCircle *data[N]; void *data[N];

?

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

И снова пример

Вернемся к TPoint и TCircle.
Пусть нам необходимо реализовать класс “Координатная плоскость”. Основные данные: массив фигур.
Проблема 2: Пусть нам необходимо реализовать рисование всех фигур на координатной плоскости.
Надо бы написать:
for (i = 0; i < N; i++) data[i]->Show();
Вопрос: как на этапе компиляции определить, чей именно Show() нужно вызывать?

?

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема 1. Решение

Для решения проблемы с объявлением данных в C++ принято следующее соглашение:

указателю на базовый класс можно присвоить значение адреса объекта любого производного класса

Итог:
TPoint *data[N]; // правильное объявление

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема 1. Решение

class TPlane {
public:
TPoint *data[N]; // массив фигур
…
};

В последствии в переменную data можно записывать как адреса объектов класса TPoint, так и адреса объектов всех производных типов, в т.ч. и TCircle.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема 1. Решение

Внимание: на этапе компиляции распределение точек и кругов в массиве неизвестно.

…

круг

точка

точка

круг

точка

data

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Примеры

TPoint *p[20];
TPoint p1(2, 3);
TCircle c1(2, 2, 1);

p[1] = &p1;
p[5] = &c1;
…

TCircle *p[20];
TPoint p1(2, 3);
TCircle c1(2, 2, 1);

p[1] = &p1; // Ошибка
p[5] = &c1;
…

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема 2. Решение (позднее связывание)

Итак, теперь мы создали класс “Координатная плоскость” и хотим реализовать там метод Show(), который вызывает метод Show() для всех находящихся на плоскости фигур.
Проблема в том, что на этапе компиляции неизвестно, метод какого класса нужно вызывать.
Решение: механизм позднего связывания. Главная идея – адрес вызываемого метода определяется динамически, во время работы программы.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Позднее связывание в C++

В C++ концепция позднего связывания реализуется использованием т.н. виртуальных методов.
Виртуальный метод:
объявлен с ключевым словом virtual в базовом классе;
во всех производных классах его прототип в точности совпадает с прототипом метода в базовом классе.
virtual <тип_рез> <Имя_метода>(<список_парам>);

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример (TPoint)

class TPoint {
private:
int x, y;
protected:
visible;
public:
TPoint(int _x = 0, int _y = 0, _vis = 0):
x(_x), y(_y), visible(_vis) {}
~TPoint() {};
int IsVisible() const { return visible; }
virtual void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d ", x, y); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример (TCircle)

class TCircle: public TPoint {
private:
int r;
public:
TCircle(int _x = 0, int _y = 0, _r = 0, _vis = 0):
TPoint(_x, _y, _vis), r(_r) {}
~TCircle() {};
void Show() {
if (!visible) {
TPoint::Show(); printf("%d ", r);
}}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример (TPlane)

class TPlane {
public:
int n; // количество фигур
TPoint *data[N]; // массив фигур
void ShowAll();
…
};
void TPlane::ShowAll() {
for (int i=0; i data[i]->Show();
}

методы Show() виртуальные.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Замечания _1

Если в базовом классе метод определен как виртуальный, метод, определенный в производном классе с тем же именем и набором параметров, автоматически становится виртуальным, а с отличающимся набором параметров – обычным.
Виртуальные методы наследуются, то есть переопределять их в производном классе требуется только при необходимости задать отличающиеся действия.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Замечания _2

Если виртуальный метод переопределен в производном классе, объекты этого класса могут получить доступ к методу базового класса с помощью операции доступа к области видимости.
TCircle C(1, 2 ,3);
C.TPoint::Show();
Виртуальный метод не может объявляться с модификатором static, но может быть объявлен как дружественный.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Замечания _3

Виртуальность обеспечивает то, что программа не реагирует на тип указателя. Программа реагирует на тип объекта, который окажется во время работы программы по данному адресу. В этом и заключается суть “позднего связывания”.
При доступе через объект, а не через указатель виртуальность не работает.
Пример: TPoint p[20]; p[2].Show(); // вызывается TPoint::Show()
Виртуальность не работает в конструкторе класса.
Для работы механизма позднего связывания создается специальная “Таблица виртуальных методов” (vtbl).

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Замечания _4

Для каждого класса (не объекта!), содержащего хотя бы один виртуальный метод, компилятор создает таблицу виртуальных методов (vtbl), в которой для каждого виртуального метода записан его адрес в памяти.
Адреса методов содержатся в таблице в порядке их описания в классах.
Адрес любого виртуального метода имеет в vtbl одно и то же смещение для каждого класса в пределах иерархии.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Замечания _5

Каждый объект содержит скрытое дополнительное поле ссылки на vtbl, называемое vptr. Оно заполняется конструктором при создании объекта (для этого компилятор добавляет в начало тела конструктора соответствующие инструкции).
На этапе компиляции ссылки на виртуальные методы заменяются на обращения к vtbl через vptr объекта, а на этапе выполнения в момент обращения к методу его адрес выбирается из таблицы. Таким образом, вызов виртуального метода, в отличие от обычных методов и функций, выполняется через дополнительный этап получения адреса метода из таблицы. Это несколько замедляет выполнение программы.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Какие методы делать виртуальными?

Виртуальность отрицательно сказывается на быстродействии программы, поэтому методы имеет смысл делать виртуальными тогда и только тогда, когда это действительно необходимо (см. пример).
Важный частный случай: во многих реализациях деструкторы объявляются виртуальными по всей иерархии наследования.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Следующая тема

Далее мы узнаем, про абстрактные классы и множественное наследование.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Павловская Т.А. C/C++ Программирование на языке высокого уровня.
Ален И. Голуб. Правила программирования на C/C++.
Гради Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++.
Из книг заимствованы различные идеи, элементы текста.
http://lye.upnet.ru
http://xaxa.h1.ru/jokes.html