10.04.2000 Universität Dortmund, Lehrstuhl Informatik 1 EINI II Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure.

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1 10.04.2000 Universität Dortmund, Lehrstuhl Informatik 1 dittrich@cs.uni-dortmund.de EINI II Einführung in die Informatik für Naturwissenschaftler und Ingenieure II Prof. Dr. Gisbert Dittrich

2 14-2 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Gliederung Einführung in Klassen Kapselung von Attributen+Methoden (wie struct ) – Funktion --> Methode – Unterschiede: Voreinstellungen Erweiterung der Möglichkeiten von struct : – Überladen von Methoden – Konstruktor/Destruktor Allgemeine Regeln (durchgeführt am Beispiel: Punkt)

3 14-3 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Ziele von Klassen Kapselung von Attributen+Methoden (wie struct ) Erweiterte Möglichkeiten gegenüber struct – Überladen von Methoden – Konstruktoren – Destruktoren Effiziente Wiederverwendbarkeit – Vererbung --> Kap. 15 ff – Virtuelle Methoden--> 16 ff

4 14-4 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen class (vs. struct) Schlüsselwort: class Klassen sind analog zu struct s – Abweichungen von der Voreinstellung (default) sind explizit vorzunehmen. Voreinstellungen für Komponenten sind in – struct : public – class : private Instanzen von Klassen heißen Objekte

5 14-5 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Beispiel: Punkt Aufgabe: Modelliere Punkte in der Ebene (ADT Punkt ). Daten: – Ein Punkt hat x- und y-Koordinaten Operationen: – Setzen und Lesen der Koordinaten – Verschieben eines Punkts – Drucken eines Punkts – Test auf Gleichheit mit einem anderen Punkt

6 14-6 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Das ist neu - und der springende Punkt class Punkt { private: int x, y; public: void xSetze(int a); void ySetze(int a); int xWert(); int yWert(); void Druck(char *); void Verschiebe(int, int); bool Gleich(Punkt); }; verborgen öffentlich zugänglich class Punkt { Beispiel: Punkt (Code)

7 14-7 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen class Punkt Die Koordinaten nicht öffentlich zugänglich, alle anderen Komponenten eines Punkts wohl. Code für die einzelnen Komponenten: void Punkt::xSetze(int a) { x = a; } void Punkt::ySetze(int a) { y = a; } int Punkt::xWert() { return x; } int Punkt::yWert() { return y; }

8 14-8 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Realisierung der Methoden void Punkt::Druck(char * s) { cout << s << "x-Wert: " << x << ", y-Wert: " << y << ";\n"; } void Punkt::Verschiebe(int dx, int dy) { x = x + dx; y = y + dy; } bool Punkt::Gleich(Punkt p) { return (x == p.x && y == p.y ? true : false); }

9 14-9 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Ausgabe: p: x-Wert: 4, y-Wert: 7; q: x-Wert: 13, y-Wert: 9; p = q? false p = q? true int main() { Punkt p, q; p.xSetze(4); p.ySetze(7); p.Druck("p: "); q.xSetze(13); q.ySetze(9); q.Druck("q: "); cout << "p = q? " << (p.Gleich(q) ? "true" : "false" << endl; p.Verschiebe(9, 2); cout << "p = q? " << (p.Gleich(q) ? "true" : "false") << endl; return 0; }

10 14-10 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Überladen von Funktionen Derselbe Name kann für verschiedene Versionen einer Funktion verwendet werden. Beispiel zu Punkt: – bool Gleich(Punkt); (s.o.) – bool Gleich(Punkt*); neu Kann Objekte, die auf einen Punkt zeigen (also nicht nur Punkte selbst), auf Gleichheit mit dem vorgegebenen Punkt testen. Unterscheidung der verschiedenen Versionen? – Klar: nach der Signatur!

11 14-11 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen class Punkt { private: int x, y; public: void xSetze(int a); void ySetze(int a); int xWert(); int yWert(); void Druck(char *); void Verschiebe(int, int); bool Gleich(Punkt); bool Gleich(Punkt*); }; Test auf Gleichheit Das ist der inter- essierendePunkt

12 14-12 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Implementierungen: Gleich bool Punkt::Gleich(Punkt p) { cout << "(verwendete Version: Punkte)\n"; return (x == p.x && y == p.y ? true : false); } bool Punkt::Gleich(Punkt * pStern) { cout << "(verwendete Version:" << "Zeiger auf Punkte)\n"; return (x == pStern->x && y == pStern->y ? true : false); }

13 14-13 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen int main() { Punkt p, *q = new Punkt; p.xSetze(4); p.ySetze(7);... q->xSetze(13); q->ySetze(9);... cout << "p = q? " << (p.Gleich(*q) ? "true" : "false") << endl; p.Verschiebe(9, 2); cout << "p = q? " << (p.Gleich(q) ? "true" : "false") << endl; return 0; } Ausgabe:... p = q? (verwendete Version: Punkte) false p = q? (verwendete Version: Zeiger auf Punkte) true

14 14-14 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Überladen einer Methode Offensichtlich: Beim Aufruf ist klar, welche Version gemeint ist. Dies kann am Typ des aktuellen Parameters abgelesen werden. Der Übersetzer muß diese Arbeit schon leisten können. Später bei der Diskussion der Vererbung: Polymorphie, dann Auflösung zur Laufzeit.

15 14-15 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Konstruktoren Aufgabe eines Konstruktors: Speicherplatz für die Instanzen einer Klasse zur Verfügung zu stellen. – Zur Erinnerung: In der Vereinbarung Punkt * p; wird zunächst nur der Name p bekannt gemacht (als Zeiger auf einen Punkt). Speicher muß dann explizit mit new allokiert werden. Speicherallokation kann um Initialisierung eines Objekts ergänzt werden.

16 14-16 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Konstruktoren (Forts.) Es können auch weitere Operationen innerhalb eines Konstruktors durchgeführt werden, z.B.: – Benachrichtigung der Umgebung, daß das Objekt jetzt vorhanden ist, – Setzen von lokalen Werten, – Aufrufen von Funktionen oder Methoden, – etc.(was immer notwendig ist).

17 14-17 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Konstruktoren (Forts.) Operationen bei der Erzeugung eines Ob- jekts werden in Konstruktoren durchgeführt. Eigenschaften von Konstruktoren: die Konstruktoren heißen wie die Klassen, sie geben keinen Wert zurück, sie können überladen werden – Durch Überladung sind verschiedene Arten der Initialisie- rung möglich.

18 14-18 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Konstruktoren für die Klasse Punkt class Punkt { private: int x, y; public: Punkt(); Punkt(int, int); void Druck(char *);... int yWert(); }; Das sind die Konstruktoren

19 14-19 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Implementierung Punkt::Punkt() { cout << "Damit ist für den Punkt" << " Speicher bereitgestellt;" << " die Werte sind undefiniert." << endl; // x = y = 0; ? } Punkt::Punkt(int x1, int y1) { x = x1; y = y1; }

20 14-20 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Anmerkungen Der parameterlose Konstruktor Punkt() wird als voreingestellter Konstruktor aufgerufen, wenn ein Objekt vom Typ Punkt vereinbart und kein Konstruktor angegeben wird. Der Konstruktor Punkt(x1, y1) initialisiert das Objekt entsprechend.

21 14-21 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Anmerkungen Beispiel: Punkt p; p.xSetze(3); p.ySetze(6); kann auch so ausgedrückt werden: Punkt p(3, 6); Allgemeine Regel: Bei der Vereinbarung wird derjenige Konstruktor aufgerufen, der auf der Grundlage der mitgegebe- nen Parameter identifiziert werden kann.

22 14-22 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Anmerkungen Zeiger auf Objekte werden wie üblich mit new allokiert, wobei der entsprechende Konstruktor aufgerufen wird. Beispiel: Punkt * q = new Punkt(13, 9); Punkt * r = new Punkt(); Punkt * t = new Punkt; – Die letzten beiden Konstruktor-Aufrufe sind gleichwertig.

23 14-23 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen int main() { Punkt p; p.xSetze(4); p.ySetze(7); p.Druck("p: "); Punkt * q = new Punkt(13,9); q.Druck("q: ");...} Ausgabe: Damit ist für den Punkt Speicher bereit- gestellt; die Werte sind undefiniert. p: x-Wert: 4, y-Wert: 7; q: x-Wert: 13, y-Wert: 9;

24 14-24 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Konstruktoren vs. Destruktoren Destruktoren analog zu Konstruktoren zu definieren der Destruktor – heißt wie die Klasse, – wird notiert durch "~" vor dem Namen – ist parameterlos Zweck: – Freigabe von Speicher insbesondere, wenn Speicher knapp ist (z. B. eingebettete Systeme) – Aufräumarbeiten, wenn Objekt nicht mehr benötigt wird z. B. Schließen von Dateien

25 14-25 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Speicherfreigabe Ist z ein Zeiger einTyp * z; so gibt delete z den Speicherbereich frei, auf den z zeigt, falls das Objekt über new erzeugt wurde. Das ist die genaue Umkehrung von new. Syntaktisch muß z ein Zeiger sein.

26 14-26 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Speicherfreigabe Anmerkungen: delete ist nützlich, wenn – Speicher knapp ist, – bestimmt werden kann, daß das Objekt nicht mehr benötigt wird. delete ist gefährlich – bei nachlässiger Verwendung (einer der Gefahrenpunkte bei C++!)

27 14-27 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen der Destruktor heißt wie die Klasse, (mit ~ gekenn- zeichnet), und ist parameterlos class Punkt { private: int x, y; public: Punkt(); Punkt(int, int); ~Punkt(); void Druck(char *);... int yWert(); }; Destruktor: Syntax

28 14-28 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Anmerkung. Der Destruktor (falls vorhanden) wird immer dann aufgerufen, wenn der Speicherplatz für das Objekt freigegeben wird, also auch beim Aufruf von delete.

29 14-29 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Klasse Punkt; lauffähiger Code, GD 9.4.00, Vorlage EED, EINI II, SS 99*/ #include int s = 0; class Punkt { private: int x, y; public: Punkt(); Punkt(int, int); ~Punkt(); void xSetze(int);void ySetze(int); int xWert();int yWert();}; void Verschiebe(int, int); bool Gleich(Punkt*); bool Gleich(Punkt); void Druck(char *); };

30 14-30 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Klasse Punkt; Fortsetzung 1*/ Punkt::Punkt() { cout << "Damit ist für den Punkt Speicher bereitgestellt; die Werte sind undefiniert" << endl; // x = y = 0; ? } Punkt::Punkt(int x1, int y1) { x = x1; y = y1; } void Punkt::Verschiebe(int dx, int dy) { x = x + dx; y = y + dy; }

31 14-31 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Klasse Punkt; Fortsetzung 2*/ void Punkt::Druck(char * s) { cout << "\t" << s << "x-Wert: " << x << ", y-Wert: " << y << ";\n";} bool Punkt::Gleich(Punkt* p) { cout << "(verwendete Version: Zeiger auf Punkte)\n"; if (x == p->x && y == p->y) return true; elsereturn false;} bool Punkt::Gleich(Punkt p) { cout << "(verwendete Version: Punkte)\n"; return ((x == p.x && y == p.y)?true :false );}

32 14-32 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Klasse Punkt; Fortsetzung 3*/ void Punkt::xSetze(int a) { x = a;} void Punkt::ySetze(int a) { y = a;} int Punkt::xWert() {return x;} int Punkt::yWert() {return y;} Punkt::~Punkt() { cout << "Destruktor aufgerufen, Wert von s: "<< s << endl;} Punkt rt(34, 78);

33 14-33 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Klasse Punkt; Fortsetzung 4*/ int main() { Punkt p; p.Druck("p:"); p.xSetze(4); p.ySetze(7); p.Druck("p: "); Punkt * q = new Punkt(13, 9); q->Druck("q: "); cout << "\tp = q? "; cout << (p.Gleich(*q) ? "true" : "false") << endl; p.Verschiebe(9, 2); cout << "\tp = q? "; cout << (p.Gleich(q) ? "true" : "false") << endl; delete &rt; s = 1;q->~Punkt(); s = 2; cout <<"\t Geschafft !"<< endl; return 0;} Klasse_Punkt

34 14-34 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Klasse_Punkt: Ausgabe Damit ist für den Punkt Speicher bereitgestellt; die Werte sind undefiniert. p: x-Wert: 234785821, y-Wert: 558996; p: x-Wert: 4, y-Wert: 7; q: x-Wert: 13, y-Wert: 9; p = q? (verwendete Version: Punkte) false Destruktor aufgerufen, Wert von s: 0 p = q? (verwendete Version: Zeiger auf Punkte) true Destruktor aufgerufen, Wert von s: 0 Destruktor aufgerufen, Wert von s: 1 Geschafft ! Destruktor aufgerufen, Wert von s: 2

35 14-35 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Variation Klasse Punkt; Fortsetzung 5*/ //Alt: Punkt::Punkt() { cout << "Damit ist für den Punkt Speicher bereitgestellt; die Werte sind undefiniert" << endl; } Punkt::Punkt(int x1, int y1) { x = x1; y = y1; } Punkt::~Punkt() { cout << "Destruktor aufgerufen, Wert von s: "<< s << endl; }

36 14-36 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Variation Klasse Punkt; Fortsetzung 6*/ //Neu: Punkt::Punkt() { cout <<"Konstruktor ohne Parameter, x = " << x << "\t y = " << y<< endl; } Punkt::Punkt(int x1, int y1) { x = x1; y = y1; cout << "Konstruktor mit Parametern, x = " << x << "\ty = " << y << endl; } Punkt::~Punkt() { cout << "Destruktor mit x = " << x << "\ty = " << y << endl; }

37 14-37 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen /* Variation Klasse Punkt; Fortsetzung 7*/ //Neues main +...: Punkt rt(34, 78); int main() { Punkt p; p.xSetze(4); p.ySetze(7); Punkt * q = new Punkt(13, 9); cout << "\tp = q? "; cout << (p.Gleich(*q) ? "true" : "false") << endl; p.Verschiebe(9, 2); cout << "\tp = q? "; cout << (p.Gleich(q) ? "true" : "false") << endl; delete &rt;p.Verschiebe(9, 2);q->~Punkt(); cout << "\t Geschafft !" << endl; return 0;} Klasse_Punkt

38 14-38 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Klasse_Punkt_2: Ausgabe Konstruktor mit Parametern, x = 34 y = 78 Konstruktor ohne Parameter, x = 135447017 y = 804856 Konstruktor mit Parametern, x = 13 y = 9 p = q? (verwendete Version: Punkte) false Destruktor mit x = 13 y = 9 p = q? (verwendete Version: Zeiger auf Punkte) true Destruktor mit x = 34 y = 78 Destruktor mit x = 13 y = 9 Geschafft ! Destruktor mit x = 22 y = 11 Destruktor mit x = 34 y = 78

39 14-39 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Regeln für die Anwendung von Konstruktoren und Destruktoren 1. Allgemein Werden mehrere globale Objekte oder innerhalb eines Blocks mehrere lokale Objekte definiert, so werden die Konstruktoren in der Reihenfolge der Auf- schreibung, die Destruktoren in der umgekehrten Reihenfolge aufgerufen.

40 14-40 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Regeln für die Anwendung von Konstruktoren und Destruktoren 2. 2. Für ein globales Objekt wird der Konstruktor zu Beginn der Lebensdauer des Objekts, also vor main, der Destruktor hinter der schließenden Klammer von main aufgerufen. 3. Für ein lokales Objekt wird der Konstruktor an der Definitionsstelle des Objekts, der Destruktor beim Verlassen des definierenden Blocks aufgerufen.

41 14-41 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Regeln für die Anwendung von Konstruktoren und Destruktoren 4. 4. Für ein dynamisches Objekt wird, der Konstruktor beim Aufruf von new, der Destruktor beim Aufruf von delete für den zugehörigen Zeiger aufgerufen. 5. 5. Für ein Objekt mit Klassenkomponenten wird der Konstruktor der Komponenten vor dem Konstruktor der umfassenden Klasse aufgerufen, am Ende der Lebensdauer werden die Destrukto- ren in der umgekehrten Reihenfolge aufgerufen.

42 14-42 Prof. Dr. G. Dittrich 10.4.2000 EINI II Kap. 14: Einführung in Klassen Regeln für die Anwendung von Konstruktoren und Destruktoren 6. Für ein Feld von Objekten wird 0 bei der Definition für jedes Element beginnend beim Index 0 der Konstruktor aufgerufen, am Ende der Lebensdauer der Destruktor in umgekehrter Reihenfolge für jedes Element aufgerufen.