PB161 Programování v jazyce C++
Přednáška 7
Statické položky tříd
Základy OOP
Nikola Beneš
6. listopadu 2018
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 1 / 21
Klíčové slovo static
Znáte z C
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 2 / 21
Klíčové slovo static
Znáte z C
statické proměnné uvnitř funkcí
uchovávají si hodnotu mezi voláními funkce
(schované globální proměnné)
Statické položky (atributy, metody) tříd
lecture07_01.cpp
patří třídě jako takové, ne jejím objektům
je možno k nim přistupovat i bez aktuálního objektu
mohou k nim přistupovat i objekty
inicializace statických atributů
ne v hlavičkovém souboru (proč?)
mimo deklaraci třídy
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 2 / 21
Klíčové slovo static
Znáte z C
statické proměnné uvnitř funkcí
uchovávají si hodnotu mezi voláními funkce
(schované globální proměnné)
Statické položky (atributy, metody) tříd
lecture07_01.cpp
patří třídě jako takové, ne jejím objektům
je možno k nim přistupovat i bez aktuálního objektu
mohou k nim přistupovat i objekty
inicializace statických atributů
ne v hlavičkovém souboru (proč?)
mimo deklaraci třídy
od C++17 můžeme psát inline i ke statickým atributům, tyto pak
můžou být inicializovány přímo uvnitř deklarace třídy
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/static
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 2 / 21
Programovací jazyky
Paradigmata (hrubé rozdělení)
deklarativní
logické programování
funkcionální programování
a jiné (SQL, constraint programming, …)
imperativní
procedurální (C, Pascal, …)
objektově orientované
čisté OOP (posílání zpráv; Objective C, …)
třídy a metody (C++, Java, C#, …)
prototypy (Javascript, …)
a mnohá další …
https://en.wikipedia.org/wiki/Programming_paradigm
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 3 / 21
Programovací jazyky
Jedno paradigma?
moderní programovací jazyky jsou typicky multiparadigmatické
C++: paralelní, funkcionální, generické, metaprogramování,
imperativní, objektově orientované (založené na třídách)
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_programming_languages_by_type
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_multi-
paradigm_programming_languages
Nezapomínejte:
není žádné jedno ideální paradigma
stejně jako není žádný jeden ideální jazyk
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 4 / 21
Základní představa OOP
svět se skládá z objektů
objekty mají svůj vnitřní stav, který není vidět
objekty komunikují pomocí zpráv
objekty se často vytvářejí podle vzoru (třída, prototyp, …)
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 5 / 21
Objektově orientované programování
Klasické (čisté) OOP
Smalltalk, Objective C, (Python)
všechno je objekt (včetně tříd); objekty si posílají zprávy
můžeme napsat objekt, který dokáže přijmout libovolnou zprávu
objekty mohou přeposílat zprávy jiným objektům
objekty mohou měnit své chování (reakci na zprávy) za běhu
OOP ve stylu C++/Java/C#
třída je datový typ; objekt je instance třídy (hodnota daného typu)
třídy definují metody; posílání zpráv je volání metod
rozhraní (seznam metod) třídy je statické (nemění se za běhu)
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 6 / 21
Principy OOP
Zapouzdření
Abstrakce
Dědičnost
Polymorfismus
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 7 / 21
Principy OOP – Zapouzdření (Encapsulation)
Data
Kód
Objekt Rozhraní data i kód na jednom místě
objekt komunikuje jen skrze rozhraní
umožňuje skrýt vnitřní reprezentaci dat
Výhody:
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 8 / 21
Principy OOP – Zapouzdření (Encapsulation)
Data
Kód
Objekt Rozhraní data i kód na jednom místě
objekt komunikuje jen skrze rozhraní
umožňuje skrýt vnitřní reprezentaci dat
Výhody:
možnost změnit vnitřní implementaci
ochrana proti chybám
nutí rozvrhnout program do nezávislých částí
umožňuje další OOP vlastnosti
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 8 / 21
Principy OOP – Abstrakce
souvisí se zapouzdřením
umožňuje pracovat s ideální představou, nezatěžuje programátora
implementačními detaily
Datová abstrakce
použití dat bez znalosti skutečného umístění/reprezentace
příklad: soubor na disku, na serveru, …
Funkční abstrakce
uživatel nemusí znát detaily implementace
příklad (strategická hra): zpráva „zaútoč“ pro různé druhy jednotek
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 9 / 21
Principy OOP – Dědičnost
objekt (třída) může dědit od jiného objektu (třídy)
vztah předek–potomek (podtyp–nadtyp)
může snižovat opakování kódu; umožňuje polymorfismus
Příklad:
Pozemní jednotka
Rytíř Lučištník
Liskovové princip nahraditelnosti: potomek může zastoupit předka
Vícenásobná dědičnost, kompozice: příště
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 10 / 21
Principy OOP – Polymorfismus
souvisí s abstrakcí
umožňuje psát kód obecně, pouze se znalostí rozhraní
polymorfismus skrze dědičnost
Příklad: poslat všem pozemním jednotkám ve vybrané oblasti stejný povel
existují i jiné způsoby realizace polymorfismu
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 11 / 21
Polymorfismus
Obecný princip polymorfismu
možnost psát obecný kód, který funguje s různými typy objektů
Různé realizace polymorfismu
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 12 / 21
Polymorfismus
Obecný princip polymorfismu
možnost psát obecný kód, který funguje s různými typy objektů
Různé realizace polymorfismu
přetěžování funkcí
ad-hoc polymorfismus
generické programování (C++: šablony, jiné jazyky: generika, …)
parametrický polymorfismus
ve funkcionálním programování: často jediný druh polymorfismu
dědičnost
podtypový polymorfismus (subtype polymorphism)
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 12 / 21
Realizace OOP v C++
přístup založený na třídách (class, struct)
členské proměnné tříd – atributy
členské funkce – metody
přístupová práva
public – vidí všichni
private – vidí jen objekty dané třídy (+ přátelé)
protected
vidí objekty dané třídy a jejích potomků (+ přátelé)
implicitní přístupová práva
class – private
struct – public
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 13 / 21
Realizace OOP v C++
Dědičnost (inheritance)
třída v C++ může dědit od jiné třídy
class Animal { /* ... */ };
class Dog : public Animal { /* ... */ };
co to znamená?
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 14 / 21
Realizace OOP v C++
Dědičnost (inheritance)
třída v C++ může dědit od jiné třídy
class Animal { /* ... */ };
class Dog : public Animal { /* ... */ };
co to znamená?
všechny atributy Animal jsou i atributy Dog
(jaký je k nim přístup?)
všechny metody Animal jsou i metody Dog (ale co když chceme jiné
chování?)
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 14 / 21
Realizace OOP v C++
Dědičnost a přístupová práva
metody potomka (Dog) mají možnost přistupovat pouze k public a
protected položkám předka (Animal)
z vnějšku je možno přistupovat ke všem public položkám potomka,
ať už jsou definovány v potomkovi nebo předkovi
Jiná než veřejná dědičnost
pro zajímavost, v tomto předmětu nebudeme používat
protected dědičnost → všechny public položky předka se změní na
protected; podobně private
není vztah podtyp – nadtyp (tj. IS-A; více příště)
http://www.gotw.ca/publications/mill06.htm
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 15 / 21
Realizace OOP v C++
Co bude výstupem?
lecture07_02.cpp
class Animal {
public:
void speak() const { std::cout << "<generic sound>\n"; }
};
class Dog : public Animal {
public:
void speak() const { std::cout << "Whoof\n"; }
};
int main() {
Dog laika;
Animal& animal = laika;
laika.speak();
animal.speak();
} PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 16 / 21
Časná a pozdní vazba
Časná vazba (early binding)
klasické volání funkcí a metod
překladač ví při překladu, kterou metodu má volat
v kódu (assembleru) je přímo adresa funkce
https://godbolt.org/g/nDqasd
Pozdní vazba (late binding)
která metoda se má volat, se zjistí až za běhu
v C++ klíčové slovo virtual
každá třída má tabulku virtuálních funkcí
každý objekt si s sebou nese ukazatel do správné tabulky
https://godbolt.org/g/Tuf8Cd
Zkuste si zde: https://godbolt.org/g/xBV5b7
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 17 / 21
Tabulka virtuálních metod
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 18 / 21
Časná a pozdní vazba
Časná vazba Pozdní vazba
metoda známa v době překladu metoda známa až za běhu
v asm kódu přímo adresa funkce nutno se podívat do vtable
rychlejší pomalejší
v C++ implicitní způsob v C++ klíčové slovo virtual
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 19 / 21
Různé využití tříd/objektů v C++
Polymorfní třídy Hodnotové třídy RAII třídy
virtuální metody inline metody inline metody
objekty s identitou bez identity objekty spravují zdroje
chování (interní) stav (externí) stav
typicky se nekopírují typicky se kopírují typicky se nekopírují,
ani nepřesouvají a přesouvají ale přesouvat se mohou
často se alokují typicky se používají téměř vždy se používají
na haldě lokálně lokálně
OOP se zabývá třídami v levém sloupci
(toto není nutně vyčerpávající klasifikace všech typů tříd v C++)
pro zajímavost: https://www.youtube.com/watch?v=_cwVvBsZE6M
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 20 / 21
Kvíz
lecture07_03.cpp
https://kahoot.it
class A {
public:
void f() { cout << "Af "; }
virtual void g() { cout << "Ag "; }
};
class B : public A {
public:
void f() { cout << "Bf "; }
virtual void g() override { cout << "Bg "; }
};
int main() {
}
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 21 / 21
Kvíz
lecture07_03.cpp
https://kahoot.it
class A {
public:
void f() { cout << "Af "; }
virtual void g() { cout << "Ag "; }
};
class B : public A {
public:
void f() { cout << "Bf "; }
virtual void g() override { cout << "Bg "; }
};
int main() {
A a; a.f(); a.g(); // 1
}
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 21 / 21
Kvíz
lecture07_03.cpp
https://kahoot.it
class A {
public:
void f() { cout << "Af "; }
virtual void g() { cout << "Ag "; }
};
class B : public A {
public:
void f() { cout << "Bf "; }
virtual void g() override { cout << "Bg "; }
};
int main() {
B b; b.f(); b.g(); // 2
}
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 21 / 21
Kvíz
lecture07_03.cpp
https://kahoot.it
class A {
public:
void f() { cout << "Af "; }
virtual void g() { cout << "Ag "; }
};
class B : public A {
public:
void f() { cout << "Bf "; }
virtual void g() override { cout << "Bg "; }
};
int main() {
A a; A& refa = a; refa.f(); refa.g(); // 3
}
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 21 / 21
Kvíz
lecture07_03.cpp
https://kahoot.it
class A {
public:
void f() { cout << "Af "; }
virtual void g() { cout << "Ag "; }
};
class B : public A {
public:
void f() { cout << "Bf "; }
virtual void g() override { cout << "Bg "; }
};
int main() {
B b; A& refb = b; refb.f(); refb.g(); // 4
}
PB161 přednáška 7: static, základy OOP 6. listopadu 2018 21 / 21