ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9

ИЕРАРХИЯ: ТОЧКА, КРУГ, ЦИЛИНДР

Введение

Наследование и полиморфизм являются наиболее важными особенностями объектно-ориентированного программирования и позволяют эффективно преодолевать сложности программного обеспечения. Полиморфизм позволяет создавать программы, обрабатыващие широкий круг как существующих, так и еще даже не описанных родственных классов.

Наследование

Наследование – это способ повторного использования программного обеспечения, при котором новые классы создаются из уже существующих классов путем использования их атрибутов и функций. При создании нового класса можно указать, что он является наследником данных-элементов и функций-элементов ранее определенного базового класса. Новый класс называют производным классом. Он также может быть базовым для будущих производных классов. При простом наследовании класс порождается одним базовым классом.

Базовый класс может наследоваться как public (открытый), protected (защищенный) или private(закрытый). Защищенное и закрытое наследования встречаются редко. В случае public открытые элементы базового класса становятся открытыми элементами производного класса, а защищенные элементы базового класса становятся защищенными элементами производного класса. Закрытые элементы базового класса никогда не бывают доступны для производного класса. Элементы базового класса, которые не должны быть доступны производному классу через наследование, объявляются в базовом классе закрытыми.

Базовый класс может быть прямым или косвенным базовым классом производного класса. Прямой базовый класс явно перечисляется в заголовке при объявлении производного класса, а косвенный – наследуется через два или более уровней иерархии.

Производный класс обычно добавляет свои собственные данные-элементы и функции-элементы, так что производный класс в общем случае больше своего базового класса. Производный класс более специфичен по своему назначению, более узок, чем его базовый класс, и представляет меньшую группу объектов. При простом наследовании предполагается, что производный класс будет выполнять примерно те же функции, что и базовый класс.

Каждый объект производного класса при открытом наследовании является также объектом соответствующего базового класса, но не наоборот.

Одной из проблем наследования является то, что производный класс может наследовать открытые функции-элементы, когда в этом нет необходимости или когда это недопустимо. В таких случаях эти элементы соответствующим образом переопределяют в производном классе. Если имена функций-элементов в классах совпадают, то при переопределении в производном классе функции-элемента базового класса принято вызвать версию базового класса и после этого выполнять некоторые дополнительные операции. При этом ссылка на функцию-элемент базового класса должна использовать операцию разрешения области действия. Следует отметить, что при переопределении нет необходимости получать такую же сигнатуру, как у функции-элемента базового класса.

Наследование формирует древовидные иерархические структуры. Класс может существовать сам по себе, но когда класс входит в иерархию, он становится либо базовым классом, который снабжает атрибутами и функциями другие классы, либо производным классом, который наследует эти атрибуты и функции.

Виртуальные функции и полиморфизм

Виртуальные функции и полиморфное программирование позволяют автоматически выполнять логику, аналогичную логике оператора switch.

Виртуальная функция объявляется с помощью ключевого слова virtual, предшествующего прототипу функции в базовом классе, например, virtual float getX()const;. Функция может быть чистой виртуальной, тогда virtual float getX()const=0;. Несмотря на то, что некоторые функции могут быть неявно виртуальными, поскольку они были объявлены такими на более высоком уровне иерархии, рекомендуется явно объявлять функции виртуальными на каждом уровне иерархии, чтобы обеспечить ясность программы.

Производные классы могут иметь собственные реализации виртуальных функций базового класса, но если они их не имеют, то используются реализации, описанные в базовом классе.

Если виртуальная функция вызывается обращением к объекту по имени и при этом используется операция доступа точка, то эта ссылка обрабатывается во время компиляции (это называется статическим связыванием) и в качестве вызываемой определяется функция класса данного объекта (или наследуемая этим классом).

Использование виртуальных функций делает целесообразным определять в иерархии абстрактный базовый класс, который содержит хотя бы одну чистую вуртуальную функцию. В отличие от конкретных классов, абстрактные классы не могут порождать объекты. Однако указатель на абстрактный базовый класс может быть объявлен. Если класс является производным от класса с чистой виртуальной функцией и если эта чистая виртуальная функция не определена в производном классе, то функция остается чистой виртуальной и в производном классе. Тогда производный класс также является абстрактным классом.

Переопределенная в производном классе виртуальная функция должна иметь тот же самый тип возвращаемого значения и ту же сигнатуру, что и виртуальная функция базового класса.

С помощью виртуальных функций реализуется полиморфизм – это возможность для объектов разных классов, связанных с помощью наследования, реагировать различным образом при обращении к одной и той же функции-элементу.

Если запрос виртуальной функции для объекта иерархии осуществляется с помощью указателя базового класса (или ссылки, но в случае абстрактного базового класса - только с помощью указателя), то будет выбрана правильная переопределенная функция в соответствующем производном классе, связанном с данным объектом. Следовательно, благодаря использованию виртуальных функций и полиморфизму, один и тот же вызов функции-элемента может привести к различным действиям в зависимости от типа объекта, принимающего этот вызов. Очевидно, указатели на абстрактные базовые классы наиболее удобны для полиморфного оперирования объектами производных конкретных классов.

Когда вызов виртуальной функции осуществляется по указателю, вызываемая виртуальная функция будет установлена для вызванного объекта во время выполнения программы, т.е. при помощи динамического (позднего) связывания.

Динамическое связывание требует, чтобы во время выполнения программы вызов виртуальной функции-элемента был бы направлен варианту виртуальной функции соответствующего класса. Для этого служит таблица виртуальных методов, которая реализуется в виде массива, содержащего указатели на функции. У каждого класса, который содержит виртуальные функции, имеется таблица виртуальных методов. Для каждой виртуальной функции в классе таблица имеет элемент, содержащий указатель на вариант виртуальной функции, используемый в объектах данного класса. Виртуальная функция, используемая в некотором классе, может быть определена в этом классе или прямо или косвенно наследоваться из базового класса, стоящего выше в иерархии. В производных классах может быть переопределена или не переопределена виртуальная функция-элемент базового класса. Поэтому производный класс может использовать вариант виртуальной функции-элемента базового класса и это будет отражено а таблице виртуальных методов.

Каждый объект класса, содержащего виртуальные функции, имеет указатель на таблицу виртуальных методов этого класса, недоступный для программиста. Во время выполнения программы вызовы виртуальных функций осуществляются через разыменование соответствующего указателя в таблице виртуальных методов.

В класс с виртуальными функциями рекомендуется включать виртуальный деструктор. Это приведет к тому, что все деструкторы производных классов станут виртуальными, даже если они имеют имена, отличные от имени деструктора базового класса. В этом случае, если объект в иерархии уничтожен явным использованием операции delete, примененной к указателю базового класса на объект производного класса, то будет вызван деструктор соответствующего класса.

Конструкторы не могут быть виртуальными.

В данной лабораторной работе изучается пример иерархии – точка, круг, цилиндр, с прямым открытым наследованием. Для демонстрации возможностей полиморфизма в лабораторной работе рассмотрено два варианта иерархии. Виртуальные функции находятся во втором варианте. В первом варианте для отображения объектов использовано приведение типов указателей базовых классов к указателям производных классов, во втором – полиморфизм, реализованный при помощи виртуальных функций-элементов.