Глава 5

Классы

Эти типы не "абстрактны", они столь же реальны, как int и float. - Дуг МакИлрой

5.1 Знакомство и краткий обзор

Предназначение понятия класса, которому посвящены эта и две последующие главы, состоит в том, чтобы предоставить программисту инструмент для создания новых типов, столь же удобных в обращении сколь и встроенные типы. В идеале тип, определяемый пользователем, способом использования не должен отличаться от встроенных типов, только способом создания.
Тип есть конкретное представление некоторой концепции (понятия). Например, имеющийся в C++ тип float с его операциями +, -, * и т.д. обеспечивает ограниченную, но конкретную версию математического понятия действительного числа. Новый тип создается для того, чтобы дать специальное и конкретное определение понятия, которому ничто прямо и очевидно среди встроенных типов не отвечает. Например, в программе, которая работает с телефоном, можно было бы создать тип trunk_module (элемент линии), а в программе обработки текстов - тип list_of_paragraphs (список параграфов). Как правило, программу, в которой создаются типы, хорошо отвечающие понятиям приложения, понять легче, чем программу, в которой это не делается. Хорошо выбранные типы, определяемые пользователем, делают программу более четкой и короткой. Это также позволяет компилятору обнаруживать недопустимые использования объектов, которые в противном случае останутся необнаруженными до тестирования программы.
В определении нового типа основная идея - отделить несущественные подробности реализации (например, формат данных, которые используются для хранения объекта типа) от тех качеств, которые существенны для его правильного использования (например, полный список функций, которые имеют доступ к данным). Такое разделение можно описать так, что работа со структурой данных и внутренними административными подпрограммами осуществляется через специальный интерфейс (каналируется).
Эта глава состоит из четырех практически отдельных частей:

1. Классы и Члены. Этот раздел знакомит с основным понятием типа, определяемого пользователем, который называется класс (class). Доступ к объектам класса может ограничиваться набором функций, которые описаны как часть этого класса. Такие функции называются функциями членами. Объекты класса создаются и инициализируются функциями членами, специально для этой цели описанными. Эти функции называются конструкторами. Функция член может быть специальным образом описана для "очистки" каждого классового объекта при его уничтожении. Такая функция называется деструктором.
2. Интерфейсы и Реализации. В этом разделе приводится два примера того, как класс проектируется, реализуется и используется.
3. Друзья и Объединения. В этом разделе приводится много дополнительных подробностей, касающихся классов. В нем показано, как предоставить доступ к закрытой части класса функции, которая не является членом этого класса. Такая функция называется друг (friend). В этом разделе показано также, как определить дискриминирующее объединение.
4. Конструкторы и Деструкторы. Объект может создаваться как автоматический, статический или как объект в свободной памяти. Объект может также быть членом некоторой совокупности (типа вектора или класса), которая в свою очередь может размещаться одним из этих трех способов. Довольно подробно объясняется использование конструкторов и деструкторов.

5.2 Классы и Члены

5.2.1 Функции Члены

Рассмотрим реализацию понятия даты с использованием struct для того, чтобы определить представление даты date и множества функций для работы с переменными этого типа:

  struct date { int month, day, year; };
      // дата:     месяц, день, год  }
  date today;
  void set_date(date*, int, int, int);
  void next_date(date*);
  void print_date(date*);
  // ...

Никакой явной связи между функциями и типом данных нет. Такую связь можно установить, описав функции как члены:

  struct date {
      int month, day, year;
  void set(int, int, int);
  void get(int*, int*, int*);
  void next();
  void print();
  };

Функции, описанные таким образом, называются функциями членами и могут вызываться только для специальной переменной соответствующего типа с использованием стандартного синтаксиса для доступа к членам структуры. Например:

  date today;         // сегодня
  date my_burthday;   // мой день рождения
  void f()
  {
      my_burthday.set(30,12,1950);
      today.set(18,1,1985);
      my_burthday.print();
      today.next();
  }

Поскольку разные структуры могут иметь функции члены с одинаковыми именами, при определении функции члена необходимо указывать имя структуры:

  void date::next()
  {
      if ( ++day > 28 ) {
          // делает сложную часть работы
      }
  }

5.2.2 Классы

Описание date в предыдущем подразделе дает множество функций для работы с date, но не указывает, что эти функции должны быть единственными для доступа к объектам типа date. Это ограничение можно наложить используя вместо struct class:

  class date {
      int month, day, year;
  public:
      void set(int, int, int);
      void get(int*, int*, int*);
      void next();
      void print();
  };

Метка public делит тело класса на две части. Имена в первой, закрытой части, могут использоваться только функциями членами. Вторая, открытая часть, составляет интерфейс к объекту класса. Struct - это просто class, у которого все члены общие, поэтому функции члены определяются и используются точно так же, как в предыдущем случае. Например:

  void date::ptinr()        // печатает в записи, принятой в США
  {
      cout << month << "/" << day << "/" year; } 

  void backdate()
  {
      today.day--;        // ошибка
  }

5.2.3 Ссылки на Себя

В функции члене на члены объекта, для которого она была вызвана, можно ссылаться непосредственно. Например:

class x {
      int m;
  public:
      int readm() { return m; }
  };
  x aa;
  x bb;
  void f()
  {
      int a = aa.readm();
      int b = bb.readm();
      // ...
  }

  В первом  вызове члена member() m относится к aa.m, а во втором -
к bb.m.

  Указатель на  объект, для  которого вызвана функция член, является
скрытым  параметром   функции.  На   этот  неявный  параметр  можно
ссылаться явно  как на  this. В  каждой функции  класса x указатель
this неявно описан как

  x* this;

и инициализирован  так, что  он указывает  на объект,  для которого
была вызвана  функция член. this не может быть описан явно, так как
это ключевое  слово. Класс  x можно  эквивалентным образом  описать
так:

  class x {
      int m;
  public:
      int readm() { return this->m; }
  };

При ссылке  на члены  использование this  излишне. Главным  образом
this   используется   при   написании   функций   членов,   которые
манипулируют непосредственно  указателями. Типичный  пример этого -
функция, вставляющая звено в дважды связанный список:

  class dlink {
      dlink* pre;    // предшествующий
      dlink* suc;    // следующий
  public:
      void append(dlink*);
      // ...
  };
  void dlink::append(dlink* p)
  {
      p->suc = suc;    // то есть, p->suc = this->suc
      p->pre = this;   // явное использование this
      suc->pre = p;    // то есть, this->suc->pre = p
      suc = p;         // то есть, this->suc = p
  }
  dlink* list_head;
  void f(dlink*a, dlink *b)
  {
      // ...
      list_head->append(a);
      list_head->append(b);
  }

5.2.4 Инициализация

Использование для обеспечения инициализации объекта класса функций вроде set_date() (установить дату) неэлегантно и чревато ошибками. Поскольку нигде не утверждается, что объект должен быть инициализирован, то программист может забыть это сделать, или (что приводит, как правило, к столь же разрушительным последствиям) сделать это дважды. Есть более хороший подход: дать возможность программисту описать функцию, явно предназначенную для инициализации объектов. Поскольку такая функция конструирует значения данного типа, она называется конструктором. Конструктор распознается по тому, что имеет то же имя, что и сам класс. Например:

  class date {
      // ...
      date(int, int, int);
  };

  Когда класс  имеет конструктор,  все  объекты  этого  класса  будут
инициализироваться. Если  для  конструктора  нужны  параметры,  они
должны даваться:

  date today = date(23,6,1983);
  date xmas(25,12,0);        // сокращенная форма
                          // (xmas - рождество)
  date my_burthday;        // недопустимо, опущена инициализация

    Часто бывает  хорошо обеспечить  несколько способов инициализации
объекта класса.  Это можно  сделать, задав несколько конструкторов.
Например:

  class date {
      int month, day, year;
  public:
      // ...
      date(int, int, int);    // день месяц год
      date(char*);            // дата в строковом представлении
      date(int);                // день, месяц и год сегодняшние
      date();                    // дата по умолчанию: сегодня
  };

5.2.5 Очистка

5.2.6 Inline

При программировании с использованием классов очень часто используется много маленьких функций. По сути, везде, где в программе традиционной структуры стояло бы просто какое-нибудь обычное использование структуры данных, дается функция. То, что было соглашением, стало стандартом, который распознает компилятор. Это может страшно понизить эффективность, потому что стоимость вызова функции (хотя и вовсе не высокая по сравнению с другими языками) все равно намного выше, чем пара ссылок по памяти, необходимая для тела функции.
Чтобы справиться с этой проблемой, был разработан аппарат inline- функций. Функция член, определенная (а не просто описанная) в описании класса, считается inline. Это значит, например, что в функциях, которые используют приведенные выше char_stack, нет никаких вызовов функций кроме тех, которые используются для реализации операций вывода! Другими словами, нет никаких затрат времени выполнения, которые стоит принимать во внимание при разработке класса. Любое, даже самое маленькое действие, можно задать эффективно. Это утверждение снимает аргумент, который чаще всего приводят чаще всего в пользу открытых членов данных.
Функцию член можно также описать как inline вне описания класса. Например:

  char char_stack {
      int size;
      char* top;
      char* s;
  public:
      char pop();
      // ...
  };
  inline char char_stack::pop()
  {
      return *--top;
  }

5.3 Интерфейсы и Реализации

5.3.1 Альтернативные Реализации

5.3.2 Законченный Класс

Программирование без скрытия данных (с применением структур) требует меньшей продуманности, чем программирование со скрытием данных (с использованием классов). Структуру можно определить не слишком задумываясь о том, как ее предполагается использовать. А когда определяется класс, все внимание сосредотачивается на обеспечении нового типа полным множеством операций; это важное смещение акцента. Время, потраченное на разработку нового типа, обычно многократно окупается при разработке и тестировании программы.
Вот пример законченного типа intset, который реализует понятие "множество целых":

  class intset {
      int cursize, maxsize;
      int *x;
  public:
      intset(int m, int n);    // самое большее, m int'ов в 1..n
      ~intset();
      int member(int t);       // является ли t элементом?
      void insert(int t);      // добавить "t" в множество
      void iterate(int& i)     { i = 0; }
      int ok(int& i)           { return i
  void error(char* s)
  {
      cerr << "set: " << s << "\n"; exit(1); } 

  main(int argc, char* argv[])
  {
      if (argc != 3) error("ожидается два параметра");
      int count = 0;
      int m = atoi(argv[1]);        // число элементов множества
      int n = atoi(argv[2]);        // в диапазоне 1..n
      intset s(m,n);
      while (count maxsize) error("слищком много элементов");
      int i = cursize-1;
      x[i] = t;
      while (i>0 && x[i-1]>x[i]) {
          int t = x[i];                // переставить x[i] и [i-1]
          x[i] = x[i-1];
          x[i-1] = t;
          i--;
      }
  }

    Для нахождения членов используется просто двоичный поиск:

  int intset::member(int t)        // двоичный поиск
  {
      int l = 0;
      int u = cursize-1;
      while (l <= u) { int m="(l+u)/2;" if (t < x[m]) u="m-1;" else if (t> x[m])
              l = m+1;
          else
              return 1;            // найдено
      }
      return 0;                    // не найдено
  }

      И,  наконец,  нам  нужно  обеспечить  множество  операций,  чтобы
пользователь  мог   осуществлять  цикл  по  множеству  в  некотором
порядке, поскольку  представление intset  от  пользователя  скрыто.
Множество внутренней  упорядоченности не имеет, поэтому мы не можем
просто дать  возможность обращаться  к вектору (завтра я, наверное,
реализую intset по-другому, в виде связанного списка).

  Дается три  функции: iterate()  для инициализации  итерации, ok()
для проверки,  есть ли  следующий элемент, и next() для того, чтобы
взять следующий элемент:

  class intset {
      // ...
      void iterate(int& i)        { i = 0; }
      int ok(int& i)              { return iiterate(var);
      while (set->ok(var)) cout << set->next(var) << "\n"; }