Как обратиться к методу класса с

Как обратиться к методу класса с

Эта статья даст базовое понимание терминов «класс», «метод», «наследование», «перегрузка метода»

Содержание

Методы

Методы — это функции, объявление которых размещено внутри определения класса или структуры. В список переменных, доступных для метода, неявно попадают все поля структуры или класса, в котором он объявлен. Другими словами, в список областей видимости метода попадает область видимости структуры.

Взгляните на пример:

Методу Vec2f::getLength доступны все символы (т.е. переменные, функции, типы данных), которые были объявлены в одной из трёх областей видимости. При наличии символов с одинаковыми идентификаторами один символ перекрывает другой, т.к. поиск происходит от внутренней области видимости к внешней.

Понять идею проще на схеме. В ней область видимости названа по-английски: scope.

Схема

Поднимаясь по схеме от внутренней области видимости к внешней, легко понять, какие имена символов доступны в методе getLength:

  1. локальная переменная “lengthSquare”
  2. поля Vec2f под именами “x” и “y”
  3. всё, что есть в глобальной области видимости

К слову, в других методах структуры Vec2f переменная “lengthSquare” будет недоступна, а поля “x” и “y” будут доступны.

Конструкторы

Конструктор — это специальный метод, который вызывается автоматически при выполнении инструкции объявления переменной. При этом память под переменную уже выделена заранее, т.к. память под все локальные переменные выделяется на стеке программы в момент вызова функции. Конструктор позволяет выполнить сложный код для инициализации переменной.

Посмотрите на простой пример. В нём есть проблема: и поля, и параметры конструктора названы одинаково. В результате в области видимости конструктора доступны только параметры, и своими именами они перекрывают поля!

Язык C++ предлагает два решения. Первый способ — использовать косвенное обращение к полям через привязанный к методу объект. Указатель на него доступен по ключевому слову this :

Второй путь считается более правильным: мы используем специальную возможность конструкторов — “списки инициализации конструктора” (англ. constructor initializer lists). Списки инициализации — это список, разделённый запятыми и начинающийся с “:”. Элемент списка инициализации выглядит как field(expression) , т.е. для каждого выбранного программистом поля можно указать выражение, инициализирующее его. Имя переменной является выражением. Поэтому мы инициализируем поле его параметром:

Объявление и определение методов

C++ требует, чтобы каждый метод структуры или класса был упомянут в определении этой структуры или класса. Но допускается писать лишь объявление метода, о определение размещать где-нибудь в другом месте:

Классы и структуры

В C++ есть ключевое слово class — это практически аналог ключевого слова struct . Оба ключевых слова объявляют тип данных, и разница между ними есть только на стыке наследования и инкапсуляции. Других различий class и struct не существует.

Основы инкапсуляции

В C++ можно блокировать доступ к полям извне, но сохранять доступ для методов. Для этого введены три области доступа

  1. public — символ в этой области доступен извне
  2. private — символ из этой области доступен лишь собственных в методах
  3. protected — используется редко, о нём можете прочитать в документации

Давайте сделаем поля типа Vec2f недоступными извне. Также мы заменим ключевое слово struct на class — это не меняет смысла программы, но считается хорошим тоном использовать struct только если все поля доступны публично.

Запомните несколько хороших правил:

  • Используйте struct, если все поля публичные и не зависят друг от друга; используйте class, если между полями должны соблюдаться закономерности (например, поле “площадь” круга должно быть)

Основы наследования

В C++ новый тип может наследовать все поля и методы другого типа. Для этого достаточно указать структуру или класс в списке базовых типов. Такой приём используется в SFML при объявлении классов фигур:

Что означает public перед именем базового типа? Во-первых внешний код может передать RectangleShape в функцию, принимающую ссылку на Shape, то есть возможен так называемы upcast от более низкого (и более конкретного) типа RectangleShape к более высокому (и более абстрактному) типу Shape:

Во-вторых из-за public наследования все унаследованные поля и методы сохраняют свой уровень доступ: приватные остаются приватными, публичные остаются публичными. А если бы мы наследовали Shape с ключевым словом private, то уровень доступа стал бы ниже: все методы и поля стали бы приватными:

Контроль уровня доступа полей и методов — хитрый механизм, пройдёт немало времени, прежде чем вы научитесь пользоваться им правильно. В начале просто старайтесь сделать правильный выбор между private и public. Скорее всего поля будут private, а конструктор и все методы будут public. Это позволяет сохранять инвариант класса, то есть держать поля объекта в согласованном состоянии независимо от того, какие методы вызывают извне.

Основы полиморфизма: виртуальные методы и их перегрузка

SFML использует ещё одну идиому C++: виртуальные методы. Ключевые слова virtual , final , override относятся именно к этой идиоме. Например, в SFML определяется класс Drawable, который обозначает “сущность, которую можно нарисовать”. Все рисуемые классы SFML, включая sf::Sprite , sf::RectangleShape , sf::Text , прямо или косвенно наследуются от sf::Drawable .

Зачем это надо? Дело в том, что метод draw класса RenderWindow принимает параметр типа Drawable . Тем не менее, этот метод успешно рисует любые типы объектов: спрайты, фигуры, тексты. Он не выполняет проверок — он просто настраивает состояние рисования (RenderStates) и вызывает метод draw у сущности, которая является Drawable .

Виртуальный метод вызывается косвенно: если класс Shape , унаследованный от Drawable , переопределил метод, а потом был передан как параметр типа Drawable , то вызов метода draw всё равно приведёт к вызову переопределённого метода Shape::draw , а не метода Drawable::draw ! С обычными (не виртуальными) методами такого не происходит: если бы мы убрали слово virtual из объявления draw , то вызов метода draw у параметра типа Drawable всегда приводил бы к вызову Drawable::draw , даже если реальный тип объекта, скрытого за этим параметром, совсем другой.

Возможность по-разному реагировать на одинаковый вызов метода извне называется полиморфизмом. Точнее, это одна из разновидностей полиморфизма объектов.

Другими словами, RenderWindow и RectangleShape не знают, что они работают друг с другом, но тем не менее каждый вызывает правильный метод другого класса!

Иллюстрация

Когда вы просто вызываете window.draw(shape) , повышение класса происходит дважды: сначала конкретный класс фигуры повышается до более ограниченного класса Drawable, затем конкретный класс RenderWindow повышается до абстрактного RenderTarget. Всё это не требует времени при выполнении: просто компилятор выполняет проверки типов данных ещё при компиляции, не более того.

Как унаследовать Drawable: практический пример

Мы создадим класс, который рисует флаг России. Он будет унаследован от Drawable, чтобы использовать для рисования обычный метод draw у объекта окна.

Теперь мы можем реализовать конструктор и метод draw. В конструкторе мы должны вычислить и установить позиции и размеры трёх полос на флаге, а в методе draw мы должны их последовательно нарисовать.

Классы C++

Начиная изучать классы, мы подошли к важному этапу – изучению объектно-ориентированного программирования (ООП) в C++. Классы – довольно обширная тема. Поэтому я разобью её на несколько частей. Таким образом, начинающим будет достаточно просто освоить информацию и разобраться с основами этой темы.

В данном уроке мы познакомимся с синтаксисом классов C++, со спецификаторами доступа к членам (полям) класса ( private и public ). Узнаем, что такое методы класса и как обращаться к членам класса из программы.

классы c++, классы с++ для начинающих, спецификаторы доступа privat и public, методы класса

Классы C++ похожи на структуры, но обладают своими особенностями и преимуществами. До этого в программах мы определяли структуры и функции отдельно. В классах они объединены в одно целое, чтобы к закрытым данным класса могли обращаться только функции этого класса. Мне понравилась иллюстрация из книги Объектно-ориентированное программирование в С++” Р. Лафоре

В наших первых уроках об ООП мы будем рассматривать простые для понимания классы. Сложные примеры будут только отвлекать от важных деталей, которые касаются определения классов и объектов. В заключительном уроке о классах мы подытожим все изученное и ответим на вопросы – зачем нужны классы и в чём заключаются основные принципы ООП.

Сейчас напишем и разберём следующий код:

В строках 4 – 19 находится определение класса. Чтобы объявить класс надо использовать ключевое слово class и дать ему имя. В фигурных скобках описать его и, в конце поставить ; точку с запятой.

классы c++, классы с++ для начинающих, спецификаторы доступа privat и public, методы класса

После объявления имени класса, оно становится именем нового типа данных. С этим типом будут создаваться объекты класса.

В теле класса (между фигурными скобками) могут находиться данные (переменные базовых типов и строки ), функции, принадлежащие классу, структуры, классы… Всё это чаще называют членами или полями класса. Функции, которые объявлены и/или определены в теле класса – это методы класса. Далее так их и будем называть. Просто надо запомнить: методы класса – это функции, специально созданные для работы с данными (членами) этого класса.

Рассмотрим новые для вас ключевые слова – private и public . В С++ принято защищать некоторые данные класса от внешнего вмешательства. То есть, чтобы из главной функции, например, никто не мог напрямую обратиться к этим данным через объект и внести какие-либо изменения.

классы c++, классы с++ для начинающих, спецификаторы доступа privat и public, методы класса

Попытка обращения к закрытому члену класса из main-функции

Чтобы сделать данные “закрытыми” надо разместить их в поле private . По умолчанию, всё что объявлено в классе, становится закрытым от прямого доступа и доступно только для других членов или методов класса. Так что, если такие данные объявляются в самом верху тела класса, слово private можно не использовать.

Чтобы объявить открытые члены класса, надо применить ключевое слово public . В этом поле зачастую находятся методы класса, которые и будут работать с приватными (закрытыми) данными. Публичные (открытые) методы и другие члены класса доступны из любой другой части кода/программы, в которой определен класс. Иногда для работы вам возможно понадобится объявить публичный член класса или приватный метод.

Обратите внимание на определение методов класса. Мы не передаем в них параметры. При этом вносим изменение в переменную number и показываем её на экран. Дело в том, что члены и методы класса находятся в одной области видимости. И методы класса свободно обращаются к данным-членам класса.

В нашем коде мы разместили определение методов прямо в теле класса, так как определение занимает очень мало места. Но чаще придётся выносить его за пределы тела класса или даже в другой файл, а в самом классе оставлять только прототипы методов. Посмотрите, как выглядит определение методов вне класса:

Классы в C++ — урок 10

Весь реальный мир состоит из объектов. Города состоят из районов, в каждом районе есть свои названия улиц, на каждой улице находятся жилые дома, которые также состоят из объектов.

Практически любой материальный предмет можно представить в виде совокупности объектов, из которых он состоит. Допустим, что нам нужно написать программу для учета успеваемости студентов. Можно представить группу студентов, как класс языка C++. Назовем его Students .

Основные понятия

Классы в программировании состоят из свойств и методов. Свойства — это любые данные, которыми можно характеризовать объект класса. В нашем случае, объектом класса является студент, а его свойствами — имя, фамилия, оценки и средний балл.

У каждого студента есть имя — name и фамилия last_name . Также, у него есть промежуточные оценки за весь семестр. Эти оценки мы будем записывать в целочисленный массив из пяти элементов. После того, как все пять оценок будут проставлены, определим средний балл успеваемости студента за весь семестр — свойство average_ball .

Методы — это функции, которые могут выполнять какие-либо действия над данными (свойствами) класса. Добавим в наш класс функцию calculate_average_ball() , которая будет определять средний балл успеваемости ученика.

  • Методы класса — это его функции.
  • Свойства класса — его переменные.

Функция calculate_average_ball() просто делит сумму всех промежуточных оценок на их количество.

Модификаторы доступа public и private

Все свойства и методы классов имеют права доступа. По умолчанию, все содержимое класса является доступным для чтения и записи только для него самого. Для того, чтобы разрешить доступ к данным класса извне, используют модификатор доступа public . Все функции и переменные, которые находятся после модификатора public , становятся доступными из всех частей программы.

Закрытые данные класса размещаются после модификатора доступа private . Если отсутствует модификатор public , то все функции и переменные, по умолчанию являются закрытыми (как в первом примере).

Обычно, приватными делают все свойства класса, а публичными — его методы. Все действия с закрытыми свойствами класса реализуются через его методы. Рассмотрим следующий код.

Мы не можем напрямую обращаться к закрытым данными класса. Работать с этими данными можно только посредством методов этого класса. В примере выше, мы используем функцию get_average_ball() для получения средней оценки студента, и set_average_ball() для выставления этой оценки.

Функция set_average_ball() принимает средний балл в качестве параметра и присваивает его значение закрытой переменной average_ball . Функция get_average_ball() просто возвращает значение этой переменной.

Программа учета успеваемости студентов

Создадим программу, которая будет заниматься учетом успеваемости студентов в группе. Создайте заголовочный файл students.h, в котором будет находиться класс Students .

Мы добавили в наш класс новые методы, а также сделали приватными все его свойства. Функция set_name() сохраняет имя студента в переменной name , а get_name() возвращает значение этой переменной. Принцип работы функций set_last_name() и get_last_name() аналогичен.

Функция set_scores() принимает массив с промежуточными оценками и сохраняет их в приватную переменную int scores[5] .

Теперь создайте файл main.cpp со следующим содержимым.

В самом начале программы создается объект класса Students . Дело в том, что сам класс является только описанием его объекта. Класс Students является описанием любого из студентов, у которого есть имя, фамилия и возможность получения оценок.

Объект класса Students характеризует конкретного студента. Если мы захотим выставить оценки всем ученикам в группе, то будем создавать новый объект для каждого из них. Использование классов очень хорошо подходит для описания объектов реального мира.

После создания объекта student , мы вводим с клавиатуры фамилию, имя и промежуточные оценки для конкретного ученика. Пускай это будет Вася Пупкин, у которого есть пять оценок за семестр — две тройки, две четверки и одна пятерка.

Введенные данные мы передаем set-функциям, которые присваивают их закрытым переменным класса. После того, как были введены промежуточные оценки, мы высчитываем средний балл на основе этих оценок, а затем сохраняем это значение в закрытом свойстве average_ball , с помощью функции set_average_ball() .

Скомпилируйте и запустите программу.

Отделение данных от логики

Вынесем реализацию всех методов класса в отдельный файл students.cpp.

А в заголовочном файле students.h оставим только прототипы этих методов.

Такой подход называется абстракцией данных — одного из фундаментальных принципов объектно-ориентированного программирования. К примеру, если кто-то другой захочет использовать наш класс в своем коде, ему не обязательно знать, как именно высчитывается средний балл. Он просто будет использовать функцию calculate_average_ball() из второго примера, не вникая в алгоритм ее работы.

Над крупными проектами обычно работает несколько программистов. Каждый из них занимается написанием определенной части продукта. В таких масштабах кода, одному человеку практически нереально запомнить, как работает каждая из внутренних функций проекта. В нашей программе, мы используем оператор потокового вывода cout , не задумываясь о том, как он реализован на низком уровне. Кроме того, отделение данных от логики является хорошим тоном программирования.

В начале обучения мы говорили о пространствах имен (namespaces). Каждый класс в C++ использует свое пространство имен. Это сделано для того, чтобы избежать конфликтов при именовании переменных и функций. В файле students.cpp мы используем оператор принадлежности :: перед именем каждой функции. Это делается для того, чтобы указать компилятору, что эти функции принадлежат классу Students .

Создание объекта через указатель

При создании объекта, лучше не копировать память для него, а выделять ее в в куче с помощью указателя. И освобождать ее после того, как мы закончили работу с объектом. Реализуем это в нашей программе, немного изменив содержимое файла main.cpp.

При создании статического объекта, для доступа к его методам и свойствам, используют операция прямого обращения — « . » (символ точки). Если же память для объекта выделяется посредством указателя, то для доступа к его методам и свойствам используется оператор косвенного обращения — « -> ».

Конструктор и деструктор класса

Конструктор класса — это специальная функция, которая автоматически вызывается сразу после создания объекта этого класса. Он не имеет типа возвращаемого значения и должен называться также, как класс, в котором он находится. По умолчанию, заполним двойками массив с промежуточными оценками студента.

Мы можем исправить двойки, если ученик будет хорошо себя вести, и вовремя сдавать домашние задания. А на «нет» и суда нет 🙂

Деструктор класса вызывается при уничтожении объекта. Имя деструктора аналогично имени конструктора, только в начале ставится знак тильды

Указатели на методы классов в C++

Решил написать статью об указателях на методы классов. Недавно мне пришлось столкнуться с тем, как они работают изнутри, когда писал некоторые вещи ориентированные под компилятор. Эти указатели работают не совсем как обычные указатели, не имеют возможности быть приведенными в void, и часто имеют размер больше 8 байт. Информации на эту тему в интернете я нашел относительно немного, потому решил разобраться сам.

Особенно пугают такие страшилки, которые мало что объясняют о том как происходит на самом деле и почему, а лишь пытаются приучить программиста слепо следовать требованиям.

Давайте разберемся что и почему происходит.
Все манипуляции будут произведены для архитектуры x86-64.

Взглянем на код.

Размер указателя на метод больше 8 байт. В некоторых компиляторах это не так, например компилятор Microsoft ужимает до 8 байт указатель на метод в некоторых случаях. В последних версиях компиляторов clang и gcc для Linux принимал размер 16 байт.

Как мне кажется, разработчики компиляторов не могли без особой причины заменить обычный указатель на нечто другое. Давайте же разберемся почему они так сделали.

Посмотрим такой код на C++. Это базовый пример вызова метода из указателя на метод.

Скомпилировав код такой командой:

Получаем вывод LLVM IR:

LLVM IR является промежуточным представлением между машинным кодом и C++ в компиляторе Clang. Он позволяет компилятору производить оптимизации не зависящие от конкретной архитектуры процессора, а нам он дает понять что происходит на тех или иных стадиях компиляции, и является более читаемым чем язык ассемблера.

Подробнее про LLVM IR можно узнать в Википедии, официальном сайте LLVM и Clang.

  • Взглянув на первую строчку, видно что указатель на метод является структурой ``, а не обычным указателем. Эта структура содержит два i64 элемента, которые могут уместить в себя 2 обычных указателя. Видно почему мы не можем приводить указатели на методы в обычные. Мы не можем без потерь преобразовать 16 байт в 8 байт в общем случае.
  • В блоке `entry`, начинающимся с 5 строки, видно что происходит корректирование указателя `this`. Это значит, что компилятор прибавляет к указателю на `this` значение второго элемента этой структуры, и позже в блоке `memptr.end` передает его в вызов метода.
  • Нечто странное происходит происходит в блоке `entry` на 14 строке с первым элементом структуры. Компилятор вычисляет выражение аналогичное следующему: `bool isvirtual = val & 1`. Компилятор считает указатель на метод виртуальным, если число в нем нечетное, в противном случае невиртуальным.
  • Если указатель на метод указывает на невиртуальный метод, то значение первого элемента считается обычным указателем на функцию, который позже вызывается. Эти предположения происходят в блоке `memptr.nonvirtual`.
  • Если указатель на метод указывает на виртуальный метод, то тут сложнее. Вначале вычитается единица из первого элемента структуры, и вычисленное значение является отступом для виртуальной таблицы, указатель на которую берется из значения указателя на `this`. Это происходит в блоке `memptr.virtual`.
  • Информацию является ли он виртуальным
  • Указатель на адрес метода (если не виртуальный)
  • Смещение в vtable (если виртуальный)
  • корректирование `this`

Метод класса имеет невидимый первый параметр — указатель на `this`, который передается компилятором при вызове метода. Остальные аргументы передаются после в том же порядке, что и были.

Если бы мы писали этот код на C++, то он выглядел бы примерно так:

Чтобы разобраться с значением корректирования, рассмотрим следующий пример:

Как мы видим, тут представлены примеры указателей на методы и аналогичные функции, которые принимают указатель на класс как указатель на `this`. Однако компилятор не может преобразовать указатели a1 и b1 в связи с тем, что мы не можем бесплатно преобразовывать указатели дочернего типа в указатели родительского типа. Компилятору необходимо запомнить отступ (значение корректирования) внутри дочернего класса для родительского класса и сохранить его где-то.

Посмотрим такой код:

Скомпилируем код командой:

Видно, что указатель на метод указывает на одну и ту же функцию. Однако значение корректирования разное из-за того что класс B расположен по сути внутри класса C.
Компилятору C++ необходимо знать отступ от базового класса для того чтобы передать `this` в метод класса.

Что плохого в этой реализации:

  • Размер указателя относительно большой, даже если корректирование отсутствует каким либо образом в gcc и clang
  • Каждый раз идет проверка виртуальности метода, даже если мы знаем что он не виртуальный
  • Использовать статический метод, принимающий экземпляр класса
  • Забыть про существование указателей на методы, и решить проблему как-то иначе в прочих случаях
  • В интернете есть советы использовать std::bind, std::function и подобные библиотечные функции. Проверив их поведение, я не обнаружил существования каких либо оптимизаций для указателей на методы.
  • У меня нет технической возможности проверить что происходит в компиляторах Microsoft, поэтому не особо про них рассказал. Однако протестировав онлайн компиляторы, я заметил что MSVC умеет анализировать структуру классов и удалять поле значения корректирования, если оно не требуется.

В данном примере компилятор не будет проверять метод на виртуальность, и сразу вызовет его как невиртуальный. Это лишь пример необычной оптимизации, не стоит использовать его в реальности.

Также я написал маленькую программку, что выводит данные об указателях на методы и помогает понять их внутренности, пока писал эту статью. Работает в clang и gcc под Linux. Код выложен тут.

Проведя это маленькое расследование, я понял как работают указатели на методы и как с ними жить. Надеюсь, это оказалось полезно для кого-то.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *