Файл: информатика.doc

1 Основные принципы перегрузки операций

Ранее мы познакомились с классами С++ и с абстрактными типами данных (ADT). Операции с объектами класса (т.е. представителями ADT) осуществлялись посредством посылки сообщений объектам (в форме вы­зова функций-элементов). Нотация такого вызова функции становится гро­моздкой для определенных категорий классов, в особенности для математиче­ских. Чтобы оперировать с объектами таких классов, было бы удобно исполь­зовать широкий набор встроенных операций С++. В этой лекции мы пока­жем, как разрешить операциям С++ работать с объектами класса. Этот про­цесс называется перегрузкой операций и является прямым и естественным пу­тем к расширению С++ за счет этих новых возможностей.

Операция << в С++ может иметь различный смысл и используется в каче­стве операции передачи в поток и операции сдвига влево. Это пример перегру­женной операции. Операция >> также перегружена, поскольку она использу­ется как операция извлечения из потока и как операция правого сдвига. Обе эти операции перегружаются в библиотеке классов С++. Сам по себе С++ уже перегружает операции + и -. Эти операции выполняют различные функции, которые зависят от контекста применения - в целочисленной арифметике, арифметике чисел с плавающей точкой и арифметике указателей.

В целом С++ дает программисту возможность перегружать большинство операций, так чтобы они были чувствительны к контексту, в котором приме­няются. Компилятор генерирует соответствующий программный код, исходя из способа применения данной операции. Некоторые операции перегружаются достаточно часто, особенно операции присваивания и различные арифметиче­ские операции, такие как + и -. Программист также может использовать операции с типами, определен­ными пользователем. Несмотря на то, что С++ не позволяет создавать новые операции, он позволяет перегружать существующие операции и, когда они применяются к объектам класса, операции приобретают смысл, соответствую­щий новым типам. Это очень сильная сторона С++.

Несмотря на то, что перегрузка операций может восприниматься как не­кая экзотическая возможность, большинство программистов неявно использу­ют перегруженные операции. Например, операция плюс (+) работает сущест­венно различным образом с целыми, числами с плавающей точкой и числами с двойной точностью. Но плюс, тем не менее, прекрасно работает с переменны­ми типа int, float и double, а также с числами других встроенных типов, по­скольку операция плюс (+) перегружена уже в самом языке С++.

Операции перегружаются посредством написания обычного определения функции (с заголовком и телом) за исключением того, что именем функции становится ключевое слово operator с последующим символом перегружаемой операции. Например, имя функции operator могло бы использоваться для перегрузки аддитивной операции.

Чтобы использовать операцию с объектами класса, эта операция должна быть перегружена, но здесь есть два исключения. Операция присваивания (=) может использоваться с любым классом без перегрузки. Поведение по умолча­нию операции присваивания (в тех случаях, когда она не перегружена) обеспе­чивается поэлементным копированием элементов данных класса. Такая поэлементная копия, создаваемая по умолчанию, представ­ляет опасность для классов, элементы которых ссылаются на динамически вы­деляемые области памяти; для таких классов мы, как правило, будем перегру­жать операцию присваивания. Операция адреса (&) также может использовать­ся с объектами любого класса без перегрузки; эта операция просто возвращает адрес объекта в памяти. Операция адреса может быть также перегружена.

Перегрузка в наибольшей степени подходит для математических классов. Они часто требуют перегрузки большого перечня операций, чтобы сохраня­лась согласованность со способом обработки математических объектов, кото­рые существуют в реальной жизни.

Запреты на перегрузку операций

Большая часть операций С++ может быть перегружена. Эти операции приведены ниже.

Теперь приведем операции, которые не могут перегружаться.

Приоритет операций не может быть изменен посредством перегрузки. Это может привести к неудобным ситуациям, когда операция перегружается так, что ее фиксированный приоритет плохо соответствует смыслу выполняемых действий. Тем не менее, остается возможность использовать скобки для опре­деления порядка оценки перегруженных операций в выражении.

Ассоциативность операций также не может быть изменена посредством перегрузки. Для перегрузки операций нельзя использовать аргументы по умолчанию.

Отсутствует возможность изменить число операндов, которое подразуме­вает операция. Одноместная операция остается одноместной и при перегрузке, а двухместная остается двухместной. Единственная трехместная операция С++, условная (?:), не может быть перегружена. Каждая из операций &, *, + и - имеет одноместную и двухместную формы, которые могут перегружаться раздельно.

Нельзя создавать новые операции; только существующие операции могут быть перегружены. Это запрещает программисту пользоваться такими попу­лярными нотациями, как операция **, означающая в языке Basic возведение в степень.

При перегрузке ( ), [ ], -> или = перегружающая операцию функция дол­жна объявляться как функция-элемент. Для других операций перегружаю­щие функции могут быть друзьями.

Перегрузка операции присваивания и операции суммирования с целью разрешить такие операции, как

object2 = object2 + object1;

не означает, что автоматически будет перегружена операция +=, чтобы выпол­нялся такой оператор, как

object2 += object1;

Однако такое поведение может быть достигнуто посредством явной пере­грузки операции += для этого класса.

2 Базовые и производные классы.

Наследование представляет собой механизм повторного использования программного обеспечения, в соответствии с кото­рым новые классы создаются на основе существующих. Эти классы наследуют свойства и поведение базовых классов и приобретают дополнительно новые, необходимые для новых классов, качества. Возможность повторного использо­вания программного обеспечения сберегает время, затраченное на его разработку, способствует повторному использованию апробированного и отлажен­ного высококачественного программного обеспечения и уменьшает число эксплутационных проблем, когда система начинает функционировать. Это сулит богатые возможности. Полиморфизм позволяет нам писать программы в об­щем виде для обработки большого разнообразия существующих и определяе­мых в дальнейшем логически связанных классов. Наследование и полимор­физм представляют собой эффективные методики для разработки сложных программных систем.

При создании нового класса вместо того, чтобы писать совершенно новые элементы данных и функции-элементы, программист может просто указать, что новый класс должен наследовать элементы ранее определенного базового класса. Этот новый класс называется производным классом. Каждый произ­водный класс, в свою очередь, может быть базовым для каких-то будущих производных классов. При простом наследовании производный класс получа­ется на основе только одного базового класса. При сложном наследовании про­изводный класс наследует свойства от многих (возможно, логически не свя­занных) классов. Новый класс, как правило, вводит свои элементы данных и функции, поэтому производный класс, вообще говоря, «больше» исходного ба­зового класса. Новый производный класс имеет больше специфических свойств в сравнении с исходным базовым и представляет меньшую группу объ­ектов. В случае простого наследования производный класс в своей основе оста­ется по существу таким же, как базовый класс. Настоящая сила наследования определяется возможностью добавлять, замещать и уточнять наследуемые от базовых классов свойства.

Каждый объект производного класса является также объектом базового класса, из которого получен этот производный класс. Однако противополож­ное неверно - объекты базового класса не являются объектами производных классов базового объекта. Мы воспользуемся этим отношением - «объект производного класса является объектом базового класса», чтобы выполнять некоторые интересные преобразования. Например, мы можем перечислить много разных объектов, связанных отношением наследования, в связанном списке объектов базового класса. Это позволит обрабатывать разные объекты одним общим образом. Как мы в дальнейшем увидим в этой и следующей гла­вах, это является одним из важнейших методов объектно-ориентированного программирования.

Мы введем в этой лекции новое средство для управления доступом к элемен­ту - речь идет о защищенном доступе. Производные и дружественные им классы имеют право доступа к защищенным элементам базового класса; у остальных функций такого права нет.

Производный класс не может иметь доступа к закрытым элементам своего базового класса; такой доступ нарушал бы инкапсуляцию последнего. Однако производный класс может иметь доступ к открытым и защищенным элемен­там базового класса. Элементы базового класса, доступ к которым не разрешен для производного класса через отношение наследования, должны быть объяв­лены в базовом классе как закрытые. Производный класс может иметь доступ к закрытым элементам базового класса только через специальные функции доступа, предоставляемые открытым интерфейсом базового класса.

Одна проблема с наследованием заключается в том, что производный класс может наследовать открытые функции-элементы, которые не нужно или не следовало бы иметь в «потомстве» явно. Если какой-нибудь элемент ба­зового класса не подходит для производного класса, этот элемент может быть переопределен в самом производном классе с соответствующей реализацией.

Часто объект одного класса «является» также и объектом другого класса. Прямоугольник - rectangle, конечно же, является четырехугольником - quadrilateral (как являются и квадрат, и параллелограмм, и трапеция). Таким образом, о классе Rectangle можно сказать, что он наследует классу Quadrila­teral. В этом смысле класс Quadrilateral называется базовым, а класс Rectan­gle называется производным. Прямоугольник является специальным типом четырехугольника, но нельзя исходя из этого утверждать, что четырехуголь­ник является прямоугольником.