Методы программирования (2 семестр)

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Методы программирования (2 семестр)

Раздел 2. Лекция 07 Наследование

Нижегородский государственный университет
им. Н.И. Лобачевского

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Краткое содержание предыдущей серии

Перегрузка операций – специальный синтаксический механизм C++, который позволяет использовать стандартные операции языка не только для переменных базовых типов, но и для объектов.
При этом имеется возможность указать, каким именно образом операции должны отрабатывать.
Перегрузка операций – написание специальных функций, отвечающих за выполнение той или иной операции.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Дальнейшее изучение

Сегодня мы изучим, как в C++ реализуется принцип наследования.

Итак, за дело!

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Выделение абстракций

Объектный подход подразумевает выделение абстракций в предметной области (классы).

1

2

3

4

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Выделение абстракций. Основные достижения

Разобрались, с чем имеем дело.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема моделирования

Важная проблема: типов абстракций (классов) слишком много. Чаще всего их настолько много, что мы не можем одновременно удерживать в голове информацию о них.
Следствие: тяжело разобраться с тем, как решать задачу.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема моделирования. Решение, часть I

Важная проблема: типов абстракций (классов) слишком много. Чаще всего их настолько много, что мы не можем одновременно удерживать в голове информацию о них.
Следствие: тяжело разобраться с тем, как решать задачу.
Решение, часть I: инкапсуляция позволяет скрыть внутренние детали абстракций и уменьшить объем информации, необходимый для понимания задачи.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема моделирования. Решение, часть II

Важная проблема: типов абстракций (классов) слишком много. Чаще всего их настолько много, что мы не можем одновременно удерживать в голове информацию о них.
Следствие: тяжело разобраться с тем, как решать задачу.
Решение, часть II: что делать со сложными задачами известно еще с древних времен. Один из основных принципов: “Разделяй и властвуй!”.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема моделирования. Решение, часть II. “Разделяй и властвуй!”

Примечание: принцип приобрел некоторый специальный смысл в математике. Под таким заголовком можно встретить описание целого класса алгоритмов, решающих различные задачи (пример: вычислительная геометрия).
Модульная структура позволяет объединять абстракции (классы) в группы (файлы), тем самым наводя некоторый порядок и позволяя разрабатывать программу по частям.
Но этого оказывается недостаточно.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Проблема моделирования. Иерархия

Решение: 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.

Иерархия

Иерархия – упорядочение абстракций, расположение их по уровням.
Обнаружение иерархий существенно упрощает понимание задачи. Теперь задачу можно понимать на разных уровнях, постепенно спускаясь к все более и более детальному представлению.

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.

Виды иерархий

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

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Виды иерархий

Можно обнаружить 2 вида иерархий:
“Это есть…”
“Быть частью”.
Пример:
Звери.
Иерархия абстракций:
Животное – умеет перемещаться.
Птица – Животное, которое умеет летать.
Соловей – Птица, которая умеет не только летать, но еще и петь…

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Наследование и агрегация

ЭТО ЕСТЬ…

БЫТЬ ЧАСТЬЮ…

НАСЛЕДОВАНИЕ

АГРЕГАЦИЯ

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Примеры иерархий. Структура персонального компьютера

ПК

Системный блок

Монитор

Периферия

…

Материнская плата

…

…

ЦПУ

…

Уровни абстракции

Уровни абстракции

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.

Реализация агрегации в C++

С этим мы уже знакомы. Синтаксически агрегация представляет собой использование объекта одного класса в качестве поля другого класса.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Реализация агрегации в C++. Пример _1

class TPoint {
private:
int visible;
public:
int x, y;
TPoint(int _x, int _y);
void Show();
void Hide();
int IsVisible() const {return visible;}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Реализация агрегации в C++. Пример _2

class TTriangle {
private:
int visible;
public:
TPoint a, b, c;
TTriangle(TPoint _a, TPoint _b, TPoint _c);
void Show();
void Hide();
int IsVisible() const {return visible;}
};

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.

Наследование в C++. Понятие схемы выводимости

Схема выводимости – схема наследования классов.

схема выводимости

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Терминология

Существует 3 варианта терминологии:
предок – потомок;
суперкласс – подкласс.
базовый класс – подчиненный класс.

Предок

Потомок

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Синтаксис определения класса-потомка

class <Имя_класса>: [<Спецификатор>] <Базовый класс> {
};
Примеры:
class TPoint: TFigure {…};
class TPoint: public TFigure {…};
class TPoint: private TFigure {…};
class TPoint: protected TFigure {…};

По умолчанию подразумевается спецификатор доступа private

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Спецификаторы доступа private, public, protected

Спецификаторы доступа используются не только для определения областей доступа внутри класса, но и для определения вида наследования (public-, private- и protected-наследование).
Вид наследования определяет, что происходит с видом доступа в производных классах.

Для одиночного класса спецификатор доступа protected означает то же самое, что и private

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Спецификаторы доступа private, public, protected

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Анализ таблицы

Как видно из таблицы, private элементы базового класса в производном классе недоступны вне зависимости от ключа. Обращение к ним может осуществляться только через методы базового класса.
Элементы protected при наследовании с ключом private становятся в производном классе private, в остальных случаях права доступа к ним не изменяются.
Доступ к элементам public при наследовании становится соответствующим ключу доступа.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример

Создадим классы геометрических фигур на плоскости.
Точка: x, y, visible.
class TPoint {
private:
int x, y, visible;
public:
TPoint(int _x = 0, int _y = 0, _vis = 0) {
x = _x; y = _y; visible = _vis;
}
~TPoint() {};
int IsVisible() const { return visible; }
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d ", x, y); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример

Создадим классы геометрических фигур на плоскости.
Круг: x, y, r, visible.
class TCircle {
private:
int x, y, r, visible;
public:
TCircle(int _x = 0, int _y = 0, _r = 0, _vis = 0) {
x = _x; y = _y; r = _r; visible = _vis;
}
~TCircle() {};
int IsVisible() const { return visible; }
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d %d ", x, y, r); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Анализ примера

Обнаруживаем, что у нас несколько раз написано одно и то же. По смыслу круг – это точка, у которой есть радиус (наследование).
Реализуем новый класс TCircle, унаследовав его от TPoint.
Посмотрим, какие проблемы при этом появляются.
TCircle:
Данные: радиус, все остальное придет от TPoint.
Методы: изменяются конструктор, деструктор, Show(). IsVisible() приходит от TPoint.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример

class TCircle: public TPoint {
private:
int r;
public:
TCircle(int _x = 0, int _y = 0, _r = 0, _vis = 0)
{
x = _x; y = _y; r = _r; visible = _vis;
}
~TCircle() {};
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d %d ", x, y, r); visible = 1; }
}
};

Все хорошо?

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример

class TCircle: public TPoint {
private:
int r;
public:
TCircle(int _x = 0, int _y = 0, _r = 0, _vis = 0)
{
x = _x; y = _y; r = _r; visible = _vis;
}
~TCircle() {};
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d %d ", x, y, r); visible = 1; }
}
};

Ошибка! поле visible скрыто

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример. Исправления в TPoint

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

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример. TCircle без исправлений

class TCircle: public TPoint {
private:
int r;
public:
TCircle(int _x = 0, int _y = 0, _r = 0, _vis = 0)
{
x = _x; y = _y; r = _r; visible = _vis;
}
~TCircle() {};
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d %d ", x, y, r); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Анализ примера

Заметим, что ошибка проявлялась не только относительно поля visible, но и относительно полей x, y.
Вопрос: как быть? Объявлять все поля со спецификатором protected?
Ответ: нет! Есть средства правильной реализации. Они заключаются в том, что Вы можете вызывать методы предка, в т.ч. и для конструирования объектов.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Некоторые правила наследования _1

Конструкторы не наследуются, поэтому производный класс должен иметь собственные конструкторы. Порядок вызова конструкторов определяется приведенными ниже правилами.
Если в конструкторе производного класса явный вызов конструктора базового класса отсутствует, автоматически вызывается конструктор базового класса по умолчанию (то есть тот, который можно вызвать без параметров).

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Некоторые правила наследования _2

Для иерархии, состоящей из нескольких уровней, конструкторы базовых классов вызываются начиная с самого верхнего уровня. После этого выполняются конструкторы тех элементов класса, которые являются объектами, в порядке их объявления в классе, а затем исполняется конструктор класса.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Некоторые правила наследования _3

Если конструктор базового класса требует указания параметров, он должен быть явным образом вызван в конструкторе производного класса в списке инициализации.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример. Исправления в 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; }
void Show() { if (!visible) {
printf("%d %d ", x, y); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример. Исправления вTCircle

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) {
printf("%d %d %d ", x, y, r); visible = 1; }
}
};

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Анализ примера

Заметим, что в методе Show переписана часть метода Show для класса TPoint.
Изменения:
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);
}}
};

вызов перекрытого метода

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Некоторые правила наследования _4

Операция присваивания не наследуется, поэтому ее необходимо переписывать явно в каждом выведенном классе.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Некоторые правила наследования _5

Деструкторы не наследуются, и если программист не описал в производном классе деструктор, он формируется по умолчанию и вызывает деструкторы всех базовых классов.
В отличие от конструкторов, при написании деструктора производного класса в нем не требуется явно вызывать деструкторы базовых классов, поскольку это будет сделано автоматически.
Для иерархии классов, состоящей из нескольких уровней, деструкторы вызываются в порядке, строго обратном вызову конструкторов, сначала вызывается деструктор класса, затем – деструкторы элементов класса, а потом деструктор базового класса.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Следующая тема

Далее мы рассмотрим, как реализуется в C++ механизм виртуальных методов.

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