Класс – это определяемый пользователем тип данных, описывающий с точки зрения объектно-ориентированного программирования некоторый объект из предметной области решаемой задачи. Объект – это экземпляр класса, переменная типа, описываемого классом. Таким образом, разница между понятиями класс и объект схожа с разницей между понятиями «тип данных» и «экземпляр типа». Объект существует в памяти, класс же является шаблоном, по которому создается объект.
Определение класса в программе можно сделать одним из трех способов с
использованием ключевых слов class, struct или union:
сlass имя класса { список членов}; struct имя класса { список членов}; union имя класса { список членов};
Здесь имя класса – имя определяемого пользовательского типа данных, список членов – список свойств и методов класса, сделанных согласно синтаксису языка С++. Различия между тремя представленными объявлениями класса заключаются, во-первых, в разных правах доступа, присваиваемых компонентам класса по умолчанию, а также в способе расположения компонент класса в памяти. Для классов, объявленных с использованием ключевых слов srtuct и union, компоненты класса по умолчанию являются доступными для окружения. Для классов, объявленных через class, компоненты по умолчанию недоступны вне класса.
Рассмотрим пример объявления класса, описывающего работу с одномерным массивом целых чисел.
//Листинг 1. Определение класса – «массив целых чисел»
struct array
{ int *mas; // указатель на начало массива
int n; //количество элементов в массиве
void InitMas(int k) //функция инициализации - выделения динамической памяти
//под массив
{if (k>0)
{n=k;
mas=new int[n];
}}
void DelMas() //функция уничтожения массива
{n=0;
delete []mas;
}
void ReadMas() //функция ввода массива в клавиатуры
{ cout<<"Вывод массива"; for (int i=0;i<n;i++) cin>>mas[i];
}};
}
void WriteMas() //функция вывода элементов массива на экран
{ cout<<"Вывод массива"; for (int i=0;i<n;i++) cout<<mas[i];
cout<<'\n';
В определении класса описаны два компонентных члена данных: n и mas.
Они хранят некоторые значения, описывающие параметры класса-массива. Также в классе определены компонентные функции или методы класса: InitMas, DelMas, ReadMas и WriteMas, назначение которых – обрабатывать данные, хранящиеся в членах данных класса. Согласно принципу инкапсуляции, методы класса являются его интерфейсной частью, посредством использования этих методов необходимо работать с массивом. Набор методов класса невелик, он позволяет лишь выделять и освобождать динамическую память под массив, а также вводить с клавиатуры и выводить на экран значения элементов массива. Расширить набор методов, например, функциями сортировки массива или поиска максимума или минимума читатель сможет самостоятельно. Теперь рассмотрим пример использования определенного выше класса.
//Листинг2. Пример использования объектов класса «массив целых чисел»из листинга 1
main()
{ array m,m1; m.InitMas(4); m1.InitMas(5); m.ReadMas(); m.WriteMas(); m1.ReadMas(); m1.WriteMas(); m1.DelMas(); m.DelMas();
}
Общий синтаксис определения объекта класса не отличается от определения обычной переменной:
имя_класса имя_объекта;
В приведенном примере сначала определяются два объекта класса array с именами m и m1. При этом в памяти выделяется по 6 байт на каждый объект: 2 под n и 4 под mas (при условии использования far указателей). При создании объекта память выделяется только под компонентные данные, методы класса существуют в памяти в единственном экземпляре и все объекты используют их совместно. Далее для каждого из объектов вызываются методы класса. Обращение к методам и компонентным данным возможно через имя уже определенного объекта по следующему синтаксису:
имя_объекта.имя_члена_данных имя_объекта.имя_метода(список_фактических_параметров)
Необходимо отметить, что метод класса нельзя вызвать независимо от объекта. Если рассмотреть, например, тело функции InitMas, то можно заметить, что эта функция изменяет значения компонентных данных n и mas. Однако нигде внутри тела метода не определяется, с компонентами какого именно объекта должна работать функция. Очевидно, что в теле класса это и невозможно определить, поскольку данный метод будет обрабатывать компонентные данные различных объектов. Привязка метода класса к конкретному объекту осуществляется в момент вызова метода. Компонентные функции при их вызове неявно получают дополнительный аргумент - указатель на переменную объектного типа, для которой вызвана функция, и в теле функции можно обращаться ко всем компонентам объекта. Так, например, для вызова m.InitMas(4) компонентная функция InitMas будет работать с компонентами объекта m, а для вызова m1.InitMas(5)- с компо- нентами объекта m1.
Память под объект можно выделять динамически, что иллюстрируется следующим примером:
//Листинг3. Обращение к компонентам класса при динамическом выделении памяти
//под объект
main()
{ array *ptm;
ptm=new array;
ptm->InitMas(4); //можно также (*ptm).InitMas(4)
ptm->ReadMas(); ptm->WriteMas(); prm->DelMas();
}
Конструкторы и деструкторы
Приведенный в листинге 1 пример класса-массива обладает рядом недостатков. В частности, возможна такая работа с объектом:
//Листинг 4.Пример неверного обращения к методам класса «массив целых чисел»
//из листинга 1
main()
{ array m;
m.ReadMas();
m.WriteMas();
}
Проблема здесь заключается в том, что для класса не предусмотрена защита от некорректных вызовов методов, и метод чтения массива ReadMas может быть вызван еще до инициализации массива, то есть без выделения памяти под него. Это обязательно в дальнейшем приведет к потере данных. Таким образом, можно сказать, что для данного класса не продуман как следует интерфейс, который бы обеспечивал целостность объекта при любых операциях с ним.
Решением проблемы могло бы стать введение дополнительного члена данных, который своим значением определял, проинициализирован ли массив или нет. Переопределим класс array:
//Листинг 5. Решение проблемы некорректности интерфейса класса введением дополнительного
//компонентного данного
struct array
{ int *mas, n;
int present;
void InitMas(int k)
{if (!present)
{if (k>0)
{ n=k;
mas=new int[n];
present=1;
}
}
else cout<<”Память уже выделена”;
}
void DelMas() //функция уничтожения массива
{if (present)
{ n=0;
delete []mas;
present=0;
}
else cout<<”Память не была выделена”;
}
void ReadMas() //функция ввода массива в клавиатуры
{if(present)
{ cout<<"Ввод массива"; for (int i=0;i<n;i++) cin>>mas[i];
}
else cout<<”Ошибка! Память под массив не выделена”;
}
};
В программе из листинга 5 в класс введен дополнительный компонент present, который принимает единичное значение, когда память под массив выделена, и нулевое – в противном случае. При такой реализации методов класса их можно вызывать в программе в любой последовательности. Необходимо только позаботиться, чтобы при определении класса начальное значение свойства present было равно нулю. Начальная инициализация члена данных может быть осуществлена аналогично инициализации полей структуры.
array m={NULL, 0, 0};
Однако, такой способ инициализации компонентных данных не всегда удобен, поскольку при создании объекта зачастую необходимо не просто присвоить некоторые начальные значения компонентным данным, но и выполнять ряд действий: выделить динамическую память, открыть файл и т.п. В рассматриваемом примере с классом-массивом, например, при создании объекта было бы полезно сразу выделить под него динамическую память, что позволит избавиться от проблемы работы с неинициализированным объектом без введения дополнительной компоненты present. Для этих целей в класс вводится специальная компонентная функция, называемая конструктором.
Конструктор – это метод класса, имя которого совпадает с именем класса. Конструктор вызывается автоматически после выделения памяти для переменной и обеспечивает инициализацию компонент-данных. Конструктор не имеет никакого типа (даже типа void) и не возвращает никакого значения в результате своей работы. Конструктор нельзя вызывать как обычную компонентную функцию в программе. Вызов конструктора в программе выглядит следующим образом:
имя_класса имя_объекта ( фактические_параметры_конструктора );
имя_класса * имя_указателя = new имя_класса(фактические_ параметры_ конструктора );
Для класса может быть объявлено несколько конструкторов, различающихся числом и типами параметров. При этом даже если для объектного типа не определено ни одного конструктора, компилятор создает для него конструктор по умолчанию, не использующий параметров, а также конструктор копирования, необходимый в том случае, если переменная объектного типа передается в конструктор как аргумент. В этом случае создаваемый объект будет точной копией аргумента конструктора.
//Листинг 6. Конструкторы по умолчанию
struct MyClass
{//конструкторы по-умолчанию (создаются компилятором) MyClass() // без параметров
{…}
MyClass(MyClass ©) //конструктор копирования
{…}
};
main()
{
MyClass m; //вызов конструктора без параметров
MyClass m1(m);//вызов конструктора копирования
}
Для класса array вместо метода InitMas необходимо определить конструктор, который выделял бы динамически память под массив.
//Листинг 7. Переопределение класса «массив целых чисел» с использованием
//конструктора
struct array
{ …
array(int k)
{if(k>0)
{ n=k;
mas=new int[n];
}
}
…
};
main()
{ array m(5); //вызов конструктора. Память выделяется под 5 элементов массива
m.ReadMas(); //ввод элементов массива с клавиатуры
…
}
Описание конструктора можно упростить, если компонентные данные принадлежат к базовым типам или являются объектными переменными, имеющими конструктор. При описании конструктора после заголовка функции можно поставить двоеточие и за ним список инициализаторов вида
имя_компонента (выражение)
Например, для класса array можно было определить конструктор так:
class array
( ..... public:
array ( int k) : n(k)
{mas=new int[n] ;
}
};
Еще одним специальным методом класса является деструктор. Деструктор вызывается перед освобождением памяти, занимаемой объектной переменной, и предназначен для выполнения дополнительных действий, связанных с уничтожением объектной переменной, например, для освобождения динамической памяти, закрытия, уничтожения файлов и т.п.
Объявление деструктора в классе выглядит следующим образом:
~имя_класса() {тело деструктора}
Деструктор всегда имеет то же имя, что и имя класса, но перед именем записывается знак ~ (тильда). Деструктор не имеет параметров и подобно конструктору не возвращает никакого значения. Таким образом, деструктор не может быть перегружен и должен существовать в классе в единственном экземпляре. Деструктор вызывается автоматически при уничтожении объекта. Таким образом, для статически определенных объектов деструктор вызывается, когда заканчивается блок программы, в котором определен объект (блок в данном случае – составной оператор или тело функции). Для объектов, память для которых выделена динамически, деструктор вызывается при уничтожении объекта операцией delete.
//Листинг 8. Вызов деструктора объекта
main()
{MyClass m; //создание объекта статически
MyClass *ptm=new MyClass; //создание объекта динамически
…
delete ptm; //вызов деструктора для динамического объекта
…
//вызов деструктора для статического объекта
}
Определим деструктор для класса array.
struct array
{ …
~array()
{delete []mas;
}
…
};
Деструктор в отличие от конструктора допускает явный вызов вида:
имя_обекта.~имя_класса()
адрес_объекта->~имя_класса()