METODY A OPERÁTORY
PB161 PROGRAMOVÁNÍ V JAZYCE C++
Nikola Beneš
5. března 2024
PŘETĚŽOVÁNÍ FUNKCÍ
DEKLARACE VS. DEFINICE
Deklarace funkce
• „hlavička“ – návratový typ, typy a případně jména parametrů
• nenásleduje-li tělo, jen ;, jde o dopřednou deklaraci
• v hlavičkových souborech, pro nepřímou rekurzi apod.
Definice funkce
• deklarace + tělo
• tělo je typicky blok, ale může mít i speciální podobu
• (uvidíme později)
Deklarace a definice typu
• dopředná deklarace struct jméno;
• není možné pracovat s hodnotami typu jméno (v tělech funkcí)
před skutečnou definicí
1
PŘETĚŽOVÁNÍ (OVERLOADING) FUNKCÍ
• různé funkce se stejným jménem, ale různými definicemi
• musí se lišit typem nebo počtem parametrů
• nestačí, když se liší pouze návratovým typem!
void f(int x) {
std::cout << "int: " << x << '\n';
}
void f() {
std::cout << "no parameters\n";
}
void f(double d) {
std::cout << "double: " << d << '\n';
}
f(42); f(3.14); f();
2
fun_overload.cpp
PŘETĚŽOVÁNÍ (OVERLOADING) FUNKCÍ
Pravidla pro přetěžování
• přesná shoda
• implicitní typové konverze
• standardní
• uživatelsky definované (uvidíme později)
• přednost má promotion1
(konverze na typ s větším rozsahem)
• jsou-li dvě možnosti stejně „daleko“, jde o chybu
• nejednoznačné (ambiguous) volání
void f(int);
void f(double);
f(3.14f); // floating-point *promotion*, OK
f(42u); // two possible *conversions*, error
1
viz https://en.cppreference.com/w/cpp/language/implicit_conversion
3
PŘETĚŽOVÁNÍ A REFERENCE
Nekonstantní reference
• má přednost před konstantní referencí
• použije se, pokud je argumentem modifikovatelná l-hodnota
• proměnná apod.
• výraz, který je typu nekonstantní reference
void f(int&) {
std::cout << "reference\n";
}
void f(const int&) {
std::cout << "const reference\n";
}
Poznámka: Přetížení funkce pro referenci a hodnotu vede
k nejednoznačnosti. 4
ref_overload.cpp
PŘETĚŽOVÁNÍ A GENERICKÉ FUNKCE
Funkce s parametry auto
• použije se, nenajde-li se funkce s přesnou shodou
• (hodnotou nebo referencí)
• tj. předtím, než se začnou zkoušet implicitní konverze
• nedojde ani na promotion
void f(auto) {}
void f(int x) {
std::cout << "int: " << x << '\n';
}
f(3); // only this one calls f(int)
f('x');
f(0.0);
5
auto_overload.cpp
IMPLICITNÍ PARAMETRY
Parametry s implicitní hodnotou
• za povinnými parametry (tj. co nejvíce „vpravo“)
• jako inicializace u deklarace proměnné
• hodnota vzniká v okamžiku volání funkce
• více deklarací: inicializace jen u té první
• zvyk pro čitelnost: opakovat v komentáři
• rozumně nefunguje pro generické parametry (auto)
void f(int x, int y = 7, std::vector<int> v = {}) {
// ...
}
6
implicit.cpp
HLEDÁNÍ JMÉNA (LOOKUP)
Nekvalifikované jméno (nemá před sebou ::) – velmi zjednodušeně
• postupuje se od vnitřního rozsahu směrem k vnějším
• vnitřní blok uvnitř funkce
• vnější blok atd.
• položka složeného typu – uvnitř metody (uvidíme za chvíli)
• jmenný prostor, v němž je funkce deklarovaná
• vnější jmenný prostor atd.
• jmenné prostory dle using namespace
• u funkcí navíc tzv. argument-dependent lookup
Kvalifikované jméno (má před sebou ::)
• hledá se uvnitř jmenného prostoru nebo složeného typu
• ::jméno se hledá v globálním jmenném prostoru
Detaily: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/lookup
(velice obtížné čtení) 7
HLEDÁNÍ JMÉNA FUNKCE
Hledání podle argumentů (Argument-dependent lookup, ADL)
• kromě klasického hledání se hledá i uvnitř jmenných prostorů
souvisejících s argumenty
• díky tomuto funguje přetěžování některých operátorů
std::vector<int> v;
erase(v, 0); // ADL finds std::erase
• má přednost před deklarací using
• idiom pro použití funkce swap
• od C++20 možno nahradit std::ranges::swap(a, b);
using std::swap;
swap(a, b);
• pokud typ a nebo b je ve jmenném prostoru, kde je definována
funkce swap, použije se ta; jinak se použije std::swap 8
METODY
NÁZVOSLOVÍ
Objekt (dle standardu C++)
• úložiště pro hodnotu, s identitou
• má velikost, životnost2
(lifetime), typ, … (viz odkaz níže)
• abstrakce místa v paměti
• místo v paměti uchovává bajty, má adresu
• objekt uchovává hodnoty svého typu, má identitu
• objekty se často realizují jako sekvence bajtů v paměti,
ale nemusí tomu tak nutně být
Dočasné objekty
• dočasné hodnoty se za určitých okolností stanou objekty
• „když se na ně někdo podívá“ (podrobněji příště)
https://en.cppreference.com/w/cpp/language/object
2
bude tématem příští přednášky 9
NÁZVOSLOVÍ
Členské proměnné (member variables)
• položky složeného datového typu struct
• v jiných jazycích „atributy“
• (v C++ má tento pojem jiný význam)
Členské funkce (member functions)
• funkce deklarované uvnitř struct
• operují nad hodnotami daného typu
• jinde nazývané „metody“
• budeme jim tak říkat i zde
• ne-členským funkcím (non-member function)
někdy říkáme „volné“ (free)
10
METODY
Deklarace a definice metod
• deklarace uvnitř definice typu
• definice:
• uvnitř definice typu (vhodné pro malé metody)
• odděleně (větší metody)
struct canvas {
std::map<std::tuple<int, int>, char> pixels;
// ...
void clear() { pixels.clear(); }
void draw() const;
// ...
};
11
methods.cpp
METODY
Tělo metody
• jako tělo funkce
• přístup k položkám aktuálního objektu – přímo jejich jmény
• volání jiných metod aktuálního objektu – přímo jejich jmény
• nezávisí na pořadí deklarace
• *this je reference na aktuální objekt (více o this později)
Volání metody
• pomocí tečkové notace
• výraz před tečkou – aktuální objekt
canvas c;
c.pixel(1, 1) = 'X';
c.pixel(2, 3) = 'Y';
c.draw();
12
methods.cpp
NEMODIFIKUJÍCÍ METODY
Kvalifikátor const
• součást hlavičky metody, píše se za parametry
• metoda nemění hodnotu objektu – hlídá překladač
• máme-li konstantní (referenci na) objekt,
smíme volat pouze const metody
• možno mít dvě metody stejného jména, s const a bez
Doporučení
• deklarujte jako const všechny metody,
které nemají měnit stav objektu
• ochrana proti chybám
13
methods.cpp
ŘETĚZENÍ METOD
Metody pro volání object.metoda1().metoda2().metoda3()
• někdy oblíbený3
idiom pro některé návrhové vzory
• (named parameter, builder pattern, fluent interface, …)
• implementace:
• návratová hodnota je reference na aktuální typ
• každé volání vrátí referenci na aktuální objekt
• pomocí return *this;
• používá se u některých operátorů (uvidíme za chvíli)
3
existují argumenty pro i proti; závisí na konkrétním použití
14
PŘÁTELSKÉ FUNKCE
Klíčové slovo friend
• deklarace volné funkce (případně i s definicí),
která úzce souvisí s naším typem – uvnitř definice typu
• tj. není to metoda, volá se jako běžná volná funkce
• nechceme nebo nemůžeme-li implementovat jako metodu
• časté použití u operátorů (za chvíli)
• technicky má dva významy:
• friend smí přistupovat k soukromým členům (uvidíme později)
• friend funkce včetně definice uvnitř typu nejsou vidět pro
normální hledání jména, ale najde je ADL (tzv. hidden friend
idiom, má různé výhody, mimo záběr předmětu)
• existují i friend typy (opět uvidíme později)
15
PŘETĚŽOVÁNÍ OPERÁTORŮ
MOTIVACE
Přetížené operátory (overloaded operators)
• už jste viděli
• téměř v libovolném jazyce
• např. aritmetické operátory pro int vs. float
• + pro zřetězení, spojení seznamů (Python) apod.
• C++ umožňuje přetížit operátory pro vlastní datové typy
Proč používat?
• lepší čitelnost kódu, snazší použití uživatelských typů
• (redukce chyb)
BigInteger a, b, c;
c += a * b;
// vs
c = c.add(a.multiply(b));
16
PŘETÍŽENÉ OPERÁTORY
Syntax
• volná funkce nebo metoda
• v případě metody je prvním operandem aktuální objekt
• operator a označení operátoru
Zdroje
• https://en.cppreference.com/w/cpp/language/operators
• https://en.wikipedia.org/wiki/Operators_in_C_and_C++
• https://stackoverflow.com/questions/4421706/what-are-the-
basic-rules-and-idioms-for-operator-overloading
• https://isocpp.org/wiki/faq/operator-overloading
Operator overloading makes life easier for the users of a class, not
for the developer of the class! (C++ FAQ)
17
PŘETÍŽENÉ OPERÁTORY
Operátor jako volná funkce
• unární operátor – jeden parametr
• binární operátor – dva parametry
• často jako friend
a + b ⟹ operator+(a, b)
Operátor jako metoda
• první (levý) operand je aktuální objekt
• počet parametrů: o jeden méně než pro volnou funkci
a + b ⟹ a.operator+(b)
18
op2.cppop1.cpp
PŘETÍŽENÉ OPERÁTORY
Kterou formu zvolit?
• některé operátory není možno přetížit
• ::, ., .*, ? :
• některé musí být metody
• =, [], ->, ()
• ostatní je možno implementovat oběma způsoby
Doporučení
• není-li typ prvního operandu „náš“: volná (friend) funkce
• unární operátor: metoda
• binární operátor
• chová se k operandům stejně: volná (friend) funkce
• chová se k prvnímu operandu jinak: metoda
19
PŘETÍŽENÉ OPERÁTORY
Omezení
• nelze definovat nové operátory
• nelze měnit počet parametrů (kromě operátoru ())
• nelze definovat operátory pro vestavěné typy
• typ alespoň jednoho operandu musí být uživatelsky definovaný
• nelze měnit prioritu ani asociativitu
20
ARITMETICKÉ OPERÁTORY
Binární operator+, operator+= apod.
• doporučeno: vždy obě verze (samostatná, s přiřazením)
• +: volná funkce, vrací hodnotu
• neměla by modifikovat operandy
• +=: metoda, vrací referenci na aktuální objekt (*this)
• neměla by modifikovat pravý operand
• často je výhodné implementovat + pomocí += (viz další slajd)
• složité objekty s „drahým“ kopírováním
• někdy je ale výhodná obrácená implementace (+= pomocí +)
nebo dvě oddělené – závisí na konkrétní situaci
• interakce s jinými typy: pamatujte na symetrii
• např. násobení vektoru skalárem zleva i zprava
21
ARITMETICKÉ OPERÁTORY
struct counter {
std::map<char, int> freq;
// ...
counter& operator+=(const counter& other) {
// ...
return *this;
}
friend counter operator+(counter lhs,
const counter& rhs) {
lhs += rhs;
return lhs;
}
};
22
op_arith.cpp
ARITMETICKÉ OPERÁTORY
friend counter operator+(counter lhs,
const counter& rhs) {
lhs += rhs;
return lhs;
}
• levý operand je hodnota, ne reference
• je-li skutečný argument l-hodnota, vytvoří se kopie
• je-li skutečný argument dočasná hodnota, kopie se nevytvoří
• hodnotový parametr za return umožňuje tzv. přesun
• vhodné pro sekvence typu a + b + c + d (levá asociativita)
více o tom, kdy se dějí a nedějí kopie, a co znamená přesun – příště
23
op_arith.cpp
INKREMENT A DEKREMENT
operator++, operator--
• typicky jako metody
• postfixová varianta má navíc (nepoužitý) parametr typu int
• prefix: vrací referenci na aktuální objekt
• postfix: vrací hodnotu (kopii objektu před modifikací)
label& operator++() { // prefix
// ... actual code ...
return *this;
}
label operator++(int) { // postfix
auto copy = *this;
++*this;
return copy;
}
24
op_inc.cpp
POROVNÁVACÍ OPERÁTORY
operator==, operator< a další
• před C++20 bylo třeba přetížit každý zvlášť… …ale teď máme
operator<=>
• vrací speciální hodnotu, kterou je možné
• porovnávat s literálem 0 pomocí ==, < atd., přičemž
(a <=> b) < 0 znamená a < b apod.
• použít s funkcemi std::is_eq, std::is_lt atd.
• návratový typ je
• std::strong_ordering – totální4
uspořádání,
rovnost znamená nerozlišitelnost
• std::weak_ordering – totální předuspořádání
(povoluje rovnost různých hodnot)
• std::partial_ordering – částečné předuspořádání
(povoluje neporovnatelné hodnoty, rovnost různých hodnot)
4
tj. lineární; pro každé a, b platí jedno z a < b, a == b, a > b
25
POROVNÁVACÍ OPERÁTORY
Automatické generování všeho
friend auto operator<=>(const full&,
const full&) = default;
• vygeneruje jak <=>, tak všechny ostatní porovnávací operátory
• vygenerované ==, != fungují po složkách
• ostatní lexikograficky v pořadí deklarace (jako u std::tuple)
• návratový typ <=> dle „nejslabší“ položky
Automatické generování jen (ne)rovnosti
friend bool operator==(const only_eq&,
const only_eq&) = default;
• vygeneruje == a !=
• nechceme-li ostatní (nebo nedávají smysl)
26
op_cmp_auto.cpp
POROVNÁVACÍ OPERÁTORY
Uživatelsky definované chování
• implementujeme-li ==, automaticky se doplní !=
• implementujeme-li <=>, automaticky se doplní <, >, <=, >=
• ale ne operátory (ne)rovnosti
• důvod: rovnost typicky umíme implementovat efektivněji
(zejména pro případ, že se hodnoty nerovnají)
friend auto operator<=>(const rev_lex& a,
const rev_lex& b) {
if (auto cmp = a.y <=> b.y; cmp != 0) {
return cmp;
}
return a.x <=> b.x;
}
27
op_cmp_user.cpp
POROVNÁVACÍ OPERÁTORY
Požadavek standardní knihovny
• pro std::set, std::map, std::sort, atd.
• operátor < musí být strict weak ordering
• ireflexivní, tranzitivní
• neporovnatelnost musí být tranzitivní
(neporovnatelné prvky se považují za ekvivalentní)
• výsledek porovnání dvou klíčů uvnitř stejného (uspořádaného)
asociativního kontejneru musí být pokaždé stejný
https://en.cppreference.com/w/cpp/named_req/LessThanComparable
28
DALŠÍ OPERÁTORY
Unární aritmetické operátory (unární +, -, ~)
• typicky jako metoda vracející novou hodnotu
• my_type operator-() const { /* ... */ }
Přiřazení =
• uvidíme příště
Dereference (unární *, ->)
Funkční volání (operátor ())
Typové konverze
• uvidíme na konci druhého bloku
Proudový vstup / výstup >>, <<
• uvidíme na konci třetího bloku
29
DALŠÍ OPERÁTORY
Operátor indexování []
• necháme na navazující předmět
• (vhodná implementace potřebuje šablony, static, …)
Vynecháme úplně
• operátor ->*
Nedoporučeno přetěžovat
• &&, ||, , (operátor čárka), unární &
30
PŘETĚŽOVÁNÍ OPERÁTORŮ
Doporučení
• nezapomeňte na princip nejmenšího překvapení
• používejte operátory jen tam, kde je jasný jejich význam
• implementujte operátory tak, aby měly očekávanou sémantiku
• které operátory objekt modifikují
• které operátory vytvářejí nové hodnoty
• co se čeká, že vracejí
• (někdy porušuje i standardní knihovna…)
I saw cout being shifted "Hello world!" times to the left and
stopped right there. (Steve Gonedes)
31