PB161 Programování v jazyce C++
Přednáška 2
Základy objektů
Reference, const
Nikola Beneš
25. září 2018
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 1 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
start endReserved
end
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
start endReserved
end
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
start endReserved
end
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
start endReserved
end
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
start endReserved
end
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Jak funguje std::vector? (pro zvídavé)
Typická implementace
rezervovaná paměť, část z ní je obsazená
tři ukazatele (nebo jeden ukazatel a dvě čísla)
začátek rezervované paměti, konec obsazené, konec rezervované
když je rezervovaná paměť plná, provede se alokace nové a prvky se
do ní zkopírují (od C++11 přesunou)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 2 / 30
Třídy, objekty, metody
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 3 / 30
Složené datové typy
Znáte z C: struct
Třídy v C++: class, struct
rozšíření „Céčkových“ struktur o:
přístupová práva
metody
prvky OOP (dědičnost, pozdní vazba, …)
přístupová práva:
public vidí všichni
private vidí jen objekty dané třídy
protected – souvisí s dědičností
class má implicitně právo private,
struct má implicitně právo public
Poznámka: Zatím používáme třídy jen jako „lepší struct“, k OOP se
dostaneme později.
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 4 / 30
Složené datové typy (pokr.)
lecture02_01.cpp
Objekty v C++
proměnné jejichž typem je třída
Atributy (správně „členské proměnné“ – member variables)
jako položky struct
jsou součástí stavu objektu
Metody (správně „členské funkce“ – member functions)
funkce, které nějak pracují s objekty
smí číst/měnit atributy objektu
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 5 / 30
Metody
lecture02_01.cpp
Deklarace a definice metod
deklarace uvnitř třídy (v hlavičkovém souboru)
definice:
uvnitř třídy (vhodné pro malé metody) – jsou vždy inline
odděleně (větší metody)
class Person {
std::string name;
public:
// deklarace s definicí
void rename(std::string newName) {
name = newName;
}
// deklarace bez definice
int getSalary();
}
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 6 / 30
Metody (pokr.)
Skrytý parametr this
ukazatel na konkrétní objekt
void Person::rename(std::string newName);
// je jakoby
void Person::rename(Person* this, std::string newName);
// (to ovšem není validní C++)
rick.rename("Grandpa Rick");
// je jakoby
Person::rename(&rick, "Grandpa Rick"); // (není C++)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 7 / 30
Inicializace objektů
lecture02_01.cpp
Speciální metoda – konstruktor
jmenuje se stejně jako třída
nemá návratový typ
má tzv. inicializační sekci
class Person {
std::string name;
int age;
public:
Person(std::string n, int a) : name(n), age(a) {
std::cout << "New Person created:" << name << "\n";
}
}
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 8 / 30
Inicializace objektů (pokr.)
Inicializace atributů přímo v deklaraci třídy – od C++11
class Person {
std::string name;
int age = 0;
public:
Person(std::string n) : name(n) {
std::cout << "New Person created:" << name << "\n";
}
}
přednost má inicializační sekce konstruktoru
to má význam, když definujeme více různých konstruktorů
o přetěžování metod/funkcí apod. si řekneme více později
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 9 / 30
Inicializace v C++
Různé způsoby inicializace
při deklaraci
std::string one = "One"; // toto NENÍ přiřazení!
std::string two{"Two"};
std::string three("Three");
std::string empty{};
std::string alsoEmpty;
dočasný objekt
std::cout << std::string();
std::cout << std::string{};
std::cout << std::string("Hello");
std::cout << std::string{"Hello"};
v inicializační sekci (podobně)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 10 / 30
Inicializace v C++ (pokr.)
Na co si dát pozor
u primitivních typů a tříd s implicitním konstruktorem je zde rozdíl:
int x; // neinicializováno
int y{}; // inicializováno na 0
int arrayA[100]; // neinicializované pole
int arrayB[100]{}; // pole nul
kulaté a složené závorky mohou mít u některých tříd různý význam
std::string a{65, 'x'}; // "Ax"
std::string b(65, 'x'); // šedesát pět krát x
Doporučení
pokud je to možné, raději proměnné inicializujte
používejte valgrind (na linuxu), případně Dr. Memory
Pro zvídavé: http://en.cppreference.com/w/cpp/language/initialization
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 11 / 30
Jak navrhovat objekty
Single Responsibility Principle (SRP)
část tzv. principů SOLID (více později)
každá třída (modul, funkce, …) by měla být zodpovědná za jednu
konkrétní věc
Heslo: „Třída by měla mít jen jeden důvod ke změně.“
Princip zapouzdření (encapsulation)
metody a atributy tříd jsou na jednom místě
přístup k atributům třídy může být omezen právy
Single Level of Abstraction (SLA)
http://www.principles-wiki.net/principles:single_level_of_abstraction
uvnitř jedné metody by se neměly míchat různé úrovně abstrakce
preferujte menší metody, jednoduchá těla cyklů apod.
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 12 / 30
Rekapitulace – Třídy a objekty
Třídy v C++ – složené datové typy
Objekty – hodnoty těchto datových typů
Metody (členské funkce) – funkce deklarované uvnitř tříd, mají skrytý
parametr this – ukazatel na aktuální objekt
Konstruktor – speciální metoda, která se volá při inicializaci objektu,
může mít (a je doporučeno toho využívat co nejvíce) inicializační sekci
Zatím zamlčeno (a řekneme si o tom později):
destruktory
přetěžování funkcí, metod, operátorů
kopírovací konstruktory
dědičnost
virtuální metody, abstraktní třídy
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 13 / 30
Reference a const
&
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 14 / 30
Motivace
Viděli jsme minule
parametry se předávají hodnotou (tj. kopie)
někdy nechceme vytvářet kopie
chceme parametr navenek změnit
parametr je složitý datový typ a kopírování by bylo zbytečně drahé
Práce s ukazateli (znáte z C)
void swap(int *x, int *y) { // toto je C
int temp = *x;
*x = *y;
*y = temp;
}
Problémy s ukazateli?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 15 / 30
Motivace
Viděli jsme minule
parametry se předávají hodnotou (tj. kopie)
někdy nechceme vytvářet kopie
chceme parametr navenek změnit
parametr je složitý datový typ a kopírování by bylo zbytečně drahé
Práce s ukazateli (znáte z C)
void swap(int *x, int *y) { // toto je C
int temp = *x;
*x = *y;
*y = temp;
}
Problémy s ukazateli? (NULL ukazatel, neinicializovaný ukazatel, …)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 15 / 30
Reference
lecture02_02.cpp, lecture02_03.cpp
Reference: slabší, ale bezpečnější forma ukazatele
nemůže být NULL (od C++11 nullptr)
nemůže se přesměrovat jinam
musí být vždy inicializovaná
funguje jako alias
int a = 1;
int b = 2;
int& ref = a; // ref je reference na a
// cokoli provedeme s ref, jako bychom provedli s a
ref = b;
ref += 7;
// jaká je teď hodnota a, b?
[ukázka: srovnání s C]
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 16 / 30
Reference vs. ukazatele
Ukazatel může být neinicializovaný
int* ptr;
int& ref; // chyba při kompilaci
Ukazatel může být nullptr
int* ptr = nullptr;
int& ref = nullptr; // chyba při kompilaci
Ukazatel se může přesměrovat
int a = 1;
int b = 2;
int* ptr = &a;
ptr = &b;
int& ref = a;
ref = b; // v čem je rozdíl?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 17 / 30
Reference
lecture02_04.cpp
Používat reference nebo ukazatele?
pokud možno dávejte přednost referencím
ukazatele používejte jen tam, kde dává smysl nullptr a přesměrování
pro dynamickou alokaci jsou vhodnější chytré ukazatele
(o těch později)
Na co si dát pozor?
nedržet si referenci na něco, co už přestalo existovat
nevracet z funkcí reference na lokální proměnné
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 18 / 30
Klíčové slovo const
lecture02_05.cpp
Znáte (možná) z C
deklarace konstant
použití spolu s ukazateli
Připomenutí: const a ukazatele
int a = 1, b = 2;
int* ptrX = &a;
const int* ptrY = &a;
int* const ptrZ = &a;
ptrX = &b; // A
*ptrX = 7; // B
ptrY = &b; // C
*ptrY = 7; // D
ptrZ = &b; // E
*ptrZ = 7; // F
Které řádky obsahují chybu?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 19 / 30
Klíčové slovo const (pokr.)
Použití s referencemi
int a = 1;
const int& cref = a;
std::cout << cref << '\n'; // čtení je OK
cref = b; // zápis/modifikace je chyba při kompilaci
Význam konstantních referencí
deklarujeme záměr neměnit proměnnou (read-only)
zároveň ale nevytváříme kopii
vhodné např. pro předávání větších objektů do funkcí
nedává smysl pro primitivní typy a malé objekty
viděli jsme minule (string, vector)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 20 / 30
Reference a l/p-hodnoty
l-hodnoty a p-hodnoty (lvalues and rvalues)
l-hodnota je to, co může stát na levé straně přiřazení
má adresu, má jméno
p-hodnota je to, co může stát na pravé straně přiřazení
číselná hodnota, dočasný objekt
(v C++11 trochu složitější)
K čemu se mohou vázat reference?
konstantní reference se smí vázat k čemukoli
nekonstantní reference se smí vázat jen k l-hodnotám
void f(const std::string& x) { /* ... */ }
void g(std::string& x) { /* ... */ }
int main() {
std::string s = "XYZ";
f("ABC"); g("DEF"); f(s); g(s);
}
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 21 / 30
Konstantní metody
lecture02_06.cpp
class Person {
// ...
int age;
public:
void setAge(int a) { age = a; }
int getAge() { return age; }
};
void f(const Person& person) {
std::cout << person.getAge() << '\n';
}
int main() {
Person john;
john.setAge(20);
f(john);
}
Kde je problém?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 22 / 30
Konstantní metody (pokr.)
const metody
pokud metoda nehodlá měnit vnitřní stav objektu, musíme ji takto
označit
klíčové slovo const za hlavičkou metody
class Person {
// ...
int getAge() const { return age; }
};
překladač nás hlídá
pokus o změnu stavu objektu v const metodě ohlásí jako chybu
Doporučení
deklarujte jako const všechny metody, které nemají měnit stav
objektu
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 23 / 30
Konstantní atributy
Použití const u atributů třídy
atribut se dá nastavit pouze v inicializační sekci konstruktoru
potom už se nedá vůbec změnit
class Person {
std::string name;
int age;
const std::string genome;
// ...
};
využití:
neměnné objekty
neměnné části objektů (větší bezpečnost)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 24 / 30
Doporučení
Kde používat const?
všude, kde dává smysl (tj. skoro všude)
pište const všude a jen tehdy, pokud zjistíte, že danou proměnnou
(atribut, referenci) budete chtít měnit, const smažte
pište const ke všem metodám a jen tehdy, pokud zjistíte, že chcete,
aby daná metoda měnila stav objektu, const smažte
Proč?
překladač vás hlídá → větší bezpečnost
jasně deklarujete svůj záměr → větší čitelnost kódu
překladač může využít pro optimalizace
Kde se spíš nepoužívá const?
nepište je k návratovým hodnotám předávaným hodnotou
nebývá zvykem je psát k parametrům funkcí předávaným hodnotou
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 25 / 30
Hodnotová sémantika objektů
lecture02_07.cpp, lecture02_08.cpp
class MyObject {
int x, y;
public:
MyObject(int, int);
int getX() const;
int getY() const;
void setX(int);
void setY(int);
};
void f(MyObject a) {
MyObject b(10, 12);
a.setX(100);
a = b;
a.setY(50);
b.setX(20);
}
int main() {
MyObject o(0, 0);
f(o);
return o.getX() + o.getY();
}
co se stane, když změníme hlavičku funkce f, aby brala referenci?
jaké bude chování podobných programů v Pythonu či Javě?
(call-by-sharing)
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 26 / 30
Problém s kopírováním
Možná jste si na slajdech všimli jednoho problému.
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 27 / 30
Problém s kopírováním
Možná jste si na slajdech všimli jednoho problému.
class Person {
std::string name;
public:
Person(std::string name) : name(name) {}
void rename(std::string newName) {
name = newName;
}
};
kde je problém?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 27 / 30
Problém s kopírováním
Možná jste si na slajdech všimli jednoho problému.
class Person {
std::string name;
public:
Person(std::string name) : name(name) {}
void rename(std::string newName) {
name = newName;
}
};
kde je problém?
vstupní řetězec se kopíruje dvakrát
jaké je řešení?
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 27 / 30
Řešení problému s kopírováním
Klasické řešení
class Person {
std::string name;
public:
Person(const std::string& name) : name(name) {}
void rename(const std::string& newName) {
name = newName;
}
};
řešení ve stylu C++03
kopíruje se jen jednou
pro tento předmět vyhovující
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 28 / 30
Řešení problému s kopírováním
Moderní řešení (od C++11)
class Person {
std::string name;
public:
Person(std::string name) : name(std::move(name)) {}
void rename(std::string newName) {
name = std::move(newName);
}
};
výhoda: pokud je vstupem dočasný objekt, neděje se žádná kopie
na std::move ještě narazíme
k plnému pochopení je třeba znát rvalue reference
navazující předmět PV264
pokud si nejste jisti, raději dejte (zatím) přednost klasickému řešení
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 29 / 30
Závěrečný kvíz
https://kahoot.it
PB161 přednáška 2: objekty, reference, const 25. září 2018 30 / 30