objektorientierte Programmieren – Begriffsbestimmung ...+-Kurs/CPP-Kurs.pdf · Objekt, Klasse,...

Objektorientiertes Programmieren - Nils Schmeißer 1

Abteilung Kommunikation und Datenverarbeitung

Einführung in dasobjektorientierte Programmieren

Nils SchmeißerAbteilung Kommunikation und Datenverarbeitung

Forschungszentrum Rossendorf e.V.



Inhalt� Programmiersprachen� Der objektorientierte Programmierstil

– Begriffsbestimmung, Theorie, Anwendung� OO Sprachen

� C++ und Standardbibliotheken (STL, MFC)� Turbo-PASCAL, Java, Smalltalk, Eiffel, Oberon

� andere OO Systeme



Literatur– „A Theory of Objects“; M. Abadi, L. Cardelli

– „Eiffel: The Language“; B. Meyer– „Programming in Oberon: Steps beyond

Pascal and Modula“; M. Reiser, N. Wirth

– “The C++ Programming Language”;B. Stroustrup

– „Java - Die Programmiersprache“;K. Arnold, J. Gosling

– „Objektorientierte Datenbanken“; A. Heuer



Andere Quellen

� Unterlagen zum OOP/C++-Kurs:http://www.fz-rossendorf.de/FVTK/MITARB/schmei/doc/CPP-Kurs

� Unterlagen zum C-Kurs:http://www.fz-rossendorf.de/FVTK/MITARB/schmei/doc/C-Kurs



Geschichte der Programmierspr.

1955

1960

1970

1980

1985

1990

Assembler

FORTRAN

Algol68

Modula

Turbo-Pascal 5.5

Oberon

Ada

Ada95

Pascal

BC PL

C

C++

Simula

Java

Sketchpad

Smalltalk

Smalltalk 80

Eiffel



Programmiersprachen� imperative Sprachen

� Ada, ALGOL, BASIC, C, COBOL, FORTRAN,Modula-2, PL/1, Pascal, Simula, Snobol

� funktionale und applikative Sprachen� Lisp, Logo

� prädikative Sprachen� Prolog

� objektorientierte Sprachen� Smalltalk, Eiffel, Oberon, Java, Turbo-Pascal,

C++, Fortran2000



imperative Sprachen 1� ein Programm besteht aus einer Menge

von Befehlen� BASIC: 10 l et n=. . .

20 gosub 5030 nf =nfa k40 end50 l et nf ak=160 f or i= 1 t o n70 nf ak =nf ak * i80 next i90 r et urn



imperative Sprachen 2

� prozedurale Sprachen gruppierenBefehle in Unterprogrammen

� C: i nt f ac( in t n) { i f ( n==0) r et ur n 1; r et ur n n* f ac( n- 1);}. . .nf =fa c( n);



funktionale und applikative Sp.� ein Programm besteht aus einer Menge

von Funktionen und deren Anwendung� Lisp: ( fa c (n)

( cond (( equal n 0) 1)

( tim es n ( fa c ( diff eren ce n 1)

) ) ))...( fa c n)



prädikative Sprachen

� in prädikativen Sprachen wird eineMenge von Fakten und Regelnvorgegeben

� Prolog: f ac(0 , 1) .f ac(n , f ) - > f ac ( n- 1, f / n).



objektorientierte Sprachen 1

� alle zum Lösen eines Problems nötigenInformationen werden als Objekteaufgefaßt

� Objekte empfangen und versendenNachrichten

Integer a

value

*

Integer b

value

*

Int eger a,b ; a * b



objektorientierte Sprachen 2� Smalltalk: Obj ec t s ubcl ass : # In t eger

i nsta nceVar i abl eNames: ’v al ue’f ac nfa k: =In t eger new. [ 0=val ue] i fT r ue: [ nfa k s et : 1 . ] i fF al se: [ nf ak se t : ( ( ( se l f mi nus: 1) fa c: ) ti mes: val ue ) . ] ^nf ak.!

n: =(I nt eger new) set : . ..n f ac .



Der objektorientierte P.-Stil

� Basiskonzept (abstrakter Datentyp)� Begriffsbestimmung

� Objekt, Klasse, Instanz, Attribut, Methode� Vererbung� Polymorphie

� OOD (object oriented development)� Kriterien für OO Sprachen



abstrakter Datentyp 1� das Basiskonzept der objektorientierten

Programmierung bildet der abstrakteDatentyp (ADT)

� ein ADT wird definiert durch:� seinen Wertebereich (Sorte)� die, über dem Wertebereich erklärten

Operationen� eine Menge von Vorbedingungen� eine Menge von Axiomen



abstrakter Datentyp 2

� eine Sorte kann formal als Strukturdargestellt

� Beispiel: koor d=so r t I nt eger x; I nt eger y;end;

bzw.koord=x:Integer+y:Integer

Komponenten




� einem ADT werden Operationen (dienicht notwendig nur Operanden vomSortentyp enthalten) zugeordnet

� Beispiel: vec =ADT( koord ) Set X:( vec,I nt eger ) ; +: ( vec , vec) - >vec ; nor m:( vec)- >I nte ger ;end;




� zur vollständigen Beschreibung einesADT’s gehören zusätzlich

� die Vorbedingungen

pr e: x=0; y=0;

� eine Menge von Axiomen (Spezifikationen), diedas Verhalten der Operationen festlegen

+ ( vec a, ve c b) =( x=a. x+b. x, y=a. y+b. y)



abstrakter Datentyp 5� Beschreibung nach Meyer:

TYPE vec[koord]FUNCTIONS SetX: vec[koord] x Integer->vec[koord]

+: vec[koord] x vec[koord] -> vec[koord]norm: vec[koord] -> Integer

CONDITIONSAXIOMS FOR ALL i:Integer,a,b,c:vec[koord]:

SetX(a,i) = a.x := i+(a,b) = c: ( c.x:=a.x+b.x,

c.y:=a.y+b.y )norm(a) = max(a.x , a.y)




� abstrakte Datentypen werden alsKlassen implementiert

� Beispiel:cl ass vec is I nt eger x, y; vec + ( vec a, ve c b) i s r et ur n vec( a. x+b.x , a. y+b. y); end;end;



Begriffsbestimmung 1

� Objekt: eigenständiges Individuum mit

– charakteristischen Eigenschaften– einem inneren Zustand

– Attributen– Methoden



Beispiel� „Kreis“:

– charakteristische Eigenschaften:� alle Punkte des Kreises habe den gleichen

Abstand zum Mittelpunkt

– innerer Zustand:� sichtbar/unsichtbar

– Attribute:� Position, Radius, Farbe

– Methoden� Darstellen (Zeichnen), Verschieben




� Klasse:ist die Vereinigung und formaleBeschreibung aller Objekte mit gleichenEigenschaften– Klassen können als Implementation

abstrakter Datentypen aufgefaßt werden

– Klassen werden auch als “Objektfabriken”bezeichnet



Beispiel

c l ass Kr eis kl ass e i s Punk t M it t el punkt ; Real R adi us; Colo r Far be; Kr ei s New( Punk t M 0, Real R0, Col or C0) ; Zeic hnen( ) ; Vers chi eben( Punkt NeuerMi t t el punkt ) ;end;




� eine Instanz ist die konkreteRealisierung eines Objektes einerKlasse– eine Instanz ist genau ein Objekt– Instanzen haben einen Gültigkeitsbereich

(Lebensbereich)– Instanzen werden durch einen Konstruktor

erzeugt und einen Destruktor zerstört



Beispiel

obwohl k1 und k2 die gleichenAttributwerte haben, sind esvoneinander verschiedene Objekte

pr ogra m p1 i s Kr ei s k3=Kr eis kl ass e: : New( ( 4, 5) , 3, Gr ün) ; subpr ogra m ps1 i s Kr ei s k1=Kre i skla sse:: New(( 1, 2), 3, Rot ) ; Kr ei s k2=Kre i skla sse:: New(( 1, 2), 3, Rot ) ; .. . end;. . .end;




Attribute sind die Variablen, die deninneren Zustand eines Objektesbeschreiben

Attribute korrespondieren in ihrerBedeutung mit den Sorten desabstrakten Datentyps

die zugehörige Klasse heißtKomponentenklasse



Beispiel

die Klasse „Punktklasse“ ist eineKomponentenklasse von „Kreisklasse“

c l ass Kr eis kl ass e i s Punk t Mit t el punkt ; Real R adi us; . . .end;

c l ass Punkt kl ass e i s . . .end;



Begriffsbestimmung 5 Methoden sind die über einer Klasse

erklärten und ihr zugeordnetenOperationen

zwei spezielle Methoden– Konstruktor: generiert eine Instanz– Destruktor: zerstört eine Instanz

ein Methodenaufruf ist Teil einerNachricht, die an ein Objekt versandtwird



Beispiel

die gesamte, an k3 versendeteNachricht lautet:

k3: „Verschiebe (dich) nach (7,8)“

pr ogra m p1 i s Kr ei s k 3=Kr eis kl ass e: : New( ( 4, 5) , 3, Gr ün) ; . . . k3 . Vers chi eben( (7 , 8) ) ;end;



Vererbung 1

Vererbung ist die Weitergabe vonEigenschaften (Attributen undMethoden) einer Basisklasse an eineabgeleitete Klasse

die Weitergabe von Werten ist ebenfallsmöglich (Klonen)



Vererbung 2

Vererbung gibt es in verschiedenenAusprägungen:

� Spezialisierung: Objektmenge der Unterklasseist Teilmenge der Objektmenge der Oberklasse

� Is-a Hierarchie: wie Spezialisierung� Typhierarchie: jedes Objekt des Untertyps

verhält sich wie ein Objekt des Obertyps� Klassenhierarchie: Vererbung der

Implementation



Beispielc l ass El l ip senkl asse i s Punk t M it t el punkt ; Real a , b; El li pse New( Punkt M0, Real a 0, Real b0) ; Vers chi eben( Punkt NeuerMi t t el punkt ) ;end;

subcla ss Kr ei skl asse of El l i pse nkl as se is Punk t M it t el punkt ; Real a , b; / / a=b Kr ei s N ew( Punk t M 0, Real R0) ; Vers chi eben( Punkt NeuerMi t t el punkt ) ;end;



Vererbung 3 es wird ebenfalls zwischen einfacher

und mehrfacher Vererbungunterschieden

x x x

x x

Basisk l ass e Basisk l ass e2Basisk l ass e1



Vererbung 4 speziell auf die Weitergabe von

Methoden bezogen ist– Ersetzung: das vollständige Überschreiben

einer Methode– Verfeinerung: die ererbte Methode wird

innerhalb der neuen Methode gerufen– Delegation: die Ausführung einer Methode

wird an ein Objekt der Oberklasse(Prototyp) weitergereicht



Beispiel�

El l i ps enkla sse:: Skali er en( Real f a, Real fb ) i s a=a* f a; b=b* fb ; e nd;

� Ersetzung:Kr ei sk l asse : : Ska l i ere n( Real f ) i s a=a* f ; b= b* f ; end;

� Verfeinerung:Kr ei sk l asse : : Ska l i ere n( Real f ) i s El li psenk l asse : : ( f, 1. 0); b =b* f ;end;

� Delegation:Kr ei sk l asse : : Ska l i ere n( Real f ) i s El li psenk l asse : : ( f, f ) ;end;



Vererbung 5

manchmal kann es sinnvoll sein, dieErzeugung von Instanzen bestimmterKlassen zu verbieten (Festlegung einesKonzeptes); solche Klassen werdenabstrakte (Basis-)Klassen genannt



Beziehungen zwischen Klassen 1

� erbt eine Klasse B von einer Klasse A,so heißt A Basisklasse oderSuperklasse von B, B heißt Subklasse

� B genügt der is-a Relation (B is-a A)

AB




� besitzt eine Klasse A ein Attribut vomTyp der Klasse C, so heißt CKomponentenklasse von A

� A genügt der has-a Relation (A has-a C)

CA




� benutzt eine Klasse A eine Instanz derKlasse D, so genügt A deruse-a Relation (A use-a D)

� die Relationen sind vererbbar, alsoB has-a C und B use-a D

DA



Polymorphie 1

� die Methode Swi tc hUp( ) kann invielen verschiedenen Formen auftreten,sie heißt polymorph

c l ass Gear i s Swit chUp( ) i s . . . end;end;subcla ss ManualG ear of Gear i s Swit chUp( ) i s . . . end;end;subcla ss Aut omat i cGear of Gear i s Swit chUp( ) i s . . . end;end;



Polymorphie 2

� neben dem universellenPolymorphismus (vorhergehende Folie)gibt es den ad-hoc Polymorphismus

I nt eger Tru nc( In t eger x ) ;I nt eger Tru nc( Real x) ;

� ad-hoc P. basiert auf dem Konzept derimpliziten Typkonversion



Polymorphie 3

� das Konzept der Polymorphie erlaubtsomit unterschiedliche Sichtweisen aufObjekte

� Beispiel:– eine Instanz der Klasse ManualGear ist

ebenfalls mit den Eigenschaften der KlasseGear ausgestattet, kann also wie einesolche agieren



Polymorphie 4

� eine Variable vom Typ einerSuperklasse kann somit auch eineInstanz vom Typ einer Subklasseaufnehmen

� Beispiel: Gear g;g=new ManualG ear ;



Bindung 1

� der Bindungsmechanismus beschreibt,wie eine Methode einer Klasseaufgerufen wird

� verschiedene Bindungskonzepteerlauben eine effiziente Wiederver-wendung bzw. gemeinsame Nutzungvon Code auf sehr elegante Art undWeise



Bindung 2� statische Bindung:

– während der Übersetzung wird dieKlassenzugehörigkeit der Instanz bestimmtund daraus die zu rufende Methode ermittelt

� Beispiel: Manual Gear g=new Manual Gear ;g. Swi t ch Up( );

ruft die Methode der Klasse Manual GearGear g=new ManualG ear ;g. Swi t ch Up( );

die der Klasse GearObjektorientiertes Programmieren - Nils Schmeißer 46


Bindung 3� dynamische (späte) Bindung:

– die Klassenzugehörigkeit der Instanz wirderst zur Laufzeit bestimmt

� Beispiel: Manual Gear g=new Manual Gear ;g. Swi t ch Up( );

ruft die Methode der Klasse Manual GearGear g=new ManualG ear ;g. Swi t ch Up( );

ruft ebenfalls die der Klasse ManualGear



Bindung 4� späte Bindung wird nicht von allen

Sprachen unterstützt� standardmäßig wird eine Methode

statisch gebunden� dynamisch zu bindende Methoden

werden durch ein speziellesSchlüsselwort (meist “virtual”)gekennzeichnet

“virtuelle Methoden”Objektorientiertes Programmieren - Nils Schmeißer 48


Bindung 5c l ass Gear i s I nit ( ) ; v i rt ual Swi t ch Up( ) i s .. . end;end;subcla ss ManualG ear of Gear i s I nit ( ) ; v i rt ual Swi t ch Up( ) i s .. . end;end;

Gear g = new Manual Gear ;

g. I nit ( ) ; // Gear : : I ni tg. Swit chUp( ) ; / / Manual Gear : : Swi t ch Up



Beispiel 1� ein Verfahren zum Lösen von

Gleichungssystemen

A x = b

wird implementiert� ist A dünn besetzt, so werden die nicht-0

Elemente normalerweise als Liste abgelegt, umSpeicherplatz zu sparen der Löser müßte neu implementiert werden



Beispiel 2� die Neuimplementation ist nicht nötig,

wenn der Löser übercl ass Matr i x i s i nt n,m; Data t ype dat a[ maxz][ maxs ] ; v irt ual r eal Get ( int z , in t s) ; v irt ual void Set ( int z , in t s, r eal v);end;

erklärt wirdMat rix Sol ver ( Matr i x A, Matr i x b ) ;



Beispiel 3Mat rix Sol ver ( Matr i x A , Mat r ix b) is i nt i ,j, k ; r eal f; Matr i x x = new Matri x ; f or k = 0 to A.n do begi n if abs ( A. Get (k , k)) <eps the n swap(); fo r i = k+1 to A.n do begi n f =A. Get ( i ,k) / A. Get (k , k); f or j = k+1 t o A. m do A. Set( i ,j, A. Get (i, j )-f * A. Get (k, j )) ; b.Se t (i, b. Get (i) - f*b . Get ( k)); end; end; … re t urn x;end;



Beispiel 4

� eine dünn besetzte Matrix kann dannz.B. als

subcla ss Spars eMat r ix of Mat rix is i nt n,m; Data l ist dat a; v irt ual r eal Get ( int z , in t s) ; v irt ual void Set ( int z , in t s, r eal v);end;

erklärt werden



Beispiel 5

� der Löser kann auch dann aufSparseMatrix Objekte angewandtwerden, wenn sein Quelltext nichtverfügbar ist (Bibliothek)

Mat r i x A = new Spar seMat r ix ;Mat r i x b = new Mat r i x;Mat r i x x;.. .x=Sol ve r ( A,b ) ;



Zusammenfassung– abstrakter Datentyp

� Sorten, zugeordnete Operationen

– Klassenkonzept� Klasse, Instanz, Objekt

– Vererbung� einfach, mehrfach

– Polymorphie– Bindung

� statische und späte Bindung, virtuelle Methode



Und warum das Ganze?

� Programme sollen:– sicher– sauber

– wiederverwendbar– lesbar

– schnell

sein



Softwareentwurf 1

� Modularisierung� nach Funktionen:

» Funktionensammlungen, Bibliotheken� nach Daten bzw. Objekten:

» Klassenpool� Top-down Entwurf

� Anwendung abstrakte Funktion� Zerlegung festgelegter Systementwurf



Softwareentwurf 2� Object Oriented Design

� Identifiziere Objekte� Beschreibe Objekte� Beziehungen und Gemeinsamkeiten zwischen

Objekten� Klassenbildung� Beziehungen zwischen Klassen� Klassenhierarchie� Methodenimplementation� Programm aus Objektbeschreibung



Kriterien für OO-Sprachen 1

� nach Meyer� Modularisierung nach Objekten� Abstrakte Datentypen� Freispeicherverwaltung (! C++)� Module, Klassen und Standardtypen� Vererbung� Polymorphismus und dynamische Bindung� Mehrfachvererbung (! Smalltalk)



Kriterien für OO-Sprachen 2

� nach Wegner� Objekte� Klassen� Vererbung

� Strenge Typisierung� Abstrakte Datentypen� Nebenläufigkeit� Persistenz



OO-Sprachen

� “bedeutend”– Turbo-Pascal, Delphi, C++, Java,

Smalltalk-80, Oberon-2, Eiffel, Ada 95� weniger bedeutend

– CLOS, Modula-3, Objective-C, Python,Sather, Simula, Tcl/Tk, VBScript, VisualBasic, Objective-Pascal



C++

Einführung in die Sprache undNutzung der OO Eigenschaften



C++

� 1980-87 von B. Stroustrup bei AT&Tentwickelt

� 1989 ANSI Standard� C++ ist ein „besseres C“� C++ implementiert den gesamten C

Sprachumfang +� Klassen, Vererbung, späte Bindung



Sprachbeschreibung� für die nächsten Folien soll folgende

Notation gelten:� Schlüsselwörter werden gelb dargestellt� Metavariable, die beliebige andere syntaktische

Strukturen verkörpern, werden kursiv gesetzt� in [ ] geklammerte Spracheinheiten sind

optional zu verwenden� Code wi rd i n Cour i er angegeben



C Grundlagen 1� typisierte proz. imperative Sprache� alle Variablen und Funktionen müssen

deklariert und definiert werden– Deklarationen:

vardecl ::= [ aspec ] [ const ] typename varname ;aspec ::= extern | static | register

� Standardtypen: int, float, double, char– Erweiterung: [ signed | unsigned ] [ long ] stdtype

� Felder x[ ], Referenzen *x;



C Grundlagen 2

� Strukturenstrukt ::= struct { komp1 ... kompn } varname ;

� Beispiel: st ru ct { i nt x, y; i nt col or ; } poin t ;

poi nt . x=5;

Instanz



C Grundlagen 3

� Typdefinitionentypdef ::= typedef typedescr typename ;

� Beispiel:t ypedef str uct { str uct Poi nt { i nt x, y; i nt x, y;

i nt col or ; i nt co l or ;} Poin t ; } ;

Poi nt p;



C Grundlagen 4

� Steuerstrukturen– Verzweigung

verzw ::= if ( cond ) anw [ else anw ]

– Schleifeforloop ::= for ( zuw ; cond ; iter ) anwawhile ::= do block while ( cond ) ;nwhile ::= while ( cond ) anw



C Grundlagen 5

i f ( x>=0) abs=x; el se abs=- x;

f or ( i =0; i< n; i ++) s=s+i ;

do { xn=x- f ( x) / f p(x ) ; x=xn ;} whil e ( abs( f (x ) ) >0. 2) ;

whi l e ( l ock ) ;



C Grundlagen 6� Funktionsdefinitionen

fdefdecl ::= aspec rettype fname ( [ arglist ] ) ;fdef ::= rettype fname ( [ arglist ] ) block

� Beispiel:ex t er n i nt f act ( i nt x) ;in t f ac t ( i nt x) { i f (x ==0) r et ur n 1; r et ur n x* f act (x - 1) ;}

– eine nicht-void Funktion muß immer einenWert zurückgeben (return value ; )



C Grundlagen 7: Modulkonzept

#include <header.h>int main() {

return fct(3);}

int fct(int c) {return c;

}

int fct(int);

Header.h

Modul1.c Modul2.c

Applikation



C++ Spezifika

� neue Operatoren– new und delete

� ad-hoc Polymorphismus– Funktions- und Operatorüberladung

� Klassen� Templates� Streams



neue Operatoren in C++ 1

� new– allokiert die benötigte Menge Speicher für

ein „Objekt“ vom angegebenen Typ

– konstruiert die angegebene Anzahl vonInstanzen

� delete– zerstört die referenzierten Instanzen– gibt einen reservierten Speicherbereich frei




� Beispiel:

i nt * x ; i nt n, * f el d;x=new i nt ; f el d=new i nt [ n] ;. . . . ..del ete x ; del et e f el d;

x fe l d




� Problem:

i nt *x =new i nt ;. . .x=new i nt ;

x



Beispielt ypedef s tr uct { i nt n, m; doubl e ** dat a;} M atr i x ;

Mat r ix NewMat r ix ( i nt n0, in t m0) { Matr i x M; M. n=n0; M. m=m0; M. dat a = new double * [ M.n] ; f or ( i nt i =0;i <M. n; i ++) M.dat a[ i ] = new double [ M.m] ; r etu r n M;}



ad-hoc Polymorphismus 1

� Funktionen oder Operatoren, die sichnur durch ihre Semantik(Definitionsbereich), nicht aber durchihre Syntax unterscheiden heißenad-hoc polymorph

� Beispiel: int abs(int)double abs(double);



Funktionsüberladung

� eine vorhandene Funktion

F:A1xA2x…xAn WA

wird durch eine neue Definition

F:B1xB2x…xBm WB

überladen (A1xA2x…xAn=B1xB2x…xBm)� z.B.: in t s um( i nt a, i nt b) ;

doubl e sum(d ouble a , doubl e b) ;



ad-hoc Polymorphismus 2

� Typkonversion:� integral promotion: Aufzählungstypen können

ohne Einschränkung ev. unter Informations-verlust ineinander konvertiert werden

� integral conversion: int unsigned type wird im2er-Komplement das Bitmuster beibehalten

� float-double: ggf. unter Stellenverlust� floating-integral: Streichung von

Nachkommastellen (Keine Rundung!)



ad-hoc Polymorphismus 3� existiert eine Funktion in mehr als einer

Form, so wird aus den Typen deraktuellen Parameter der best matchbestimmtNiveau Konversion 1 exact match, einfache Konversion 2 promotions, float-double 3 Standard Konversionen, Klassenzeiger

Klassenreferenz 4 Nutzerdefinierte Konversion 5 ellipsis conversion



ad-hoc Polymorphismus 4� Beispiel:

i nt ro und( i nt x) ;i nt ro und( f l oat x) ;

– r ound( 4) ;� O.K.

– r ound( 1. 2);� Konflikt, da 1.2 double Konstante und integral-

promotion und float-double auf selbem Niveau

– r ound( ( f l oat ) 1. 2);� O.K.



ad-hoc Polymorphismus & ADT

� definieren Sie Ihre Datenstrukturen alsneue Typen

� erklären Sie Ihre Algorithmen alsFunktionen über diesen Datentypen

� Beispiel: verwenden Siet ypedef doubl e vec[ 3] ;double norm( vec a) ;

anstattdouble norm( doubl e a[ 3] ) ;



Operatorüberladung 1� ähnlich zur Funktionsüberladung

können prinzipiell alle Operatorenüberladen werden

� Einschränkungen:� es können keine neuen Operatoren erklärt

werden� die Syntax eines Operators kann nicht geändert

werden� die Semantik bestehender Definitionen kann

nicht geändert werden� die Priorität bleibt erhalten



Operatorüberladung 2� Syntax der Deklaration:

rtype operator opname (atype1 [ , atype2 ] );

� Beispiel: Vector oper ato r - ( Vect or a, Vect or b);

� Definition wie Funktionsdefinition Vector oper ato r - ( Vect or a, Vect or b) {

Vect or c; .. . r etu r n c;}



Operatorüberladung 3type def stru ct { unsigned i nt dim ; double x[1 0];} Vector ;

Vect or opera t or - ( Vector a, Vector b) { if ( a. dim ! =b. dim ) er ror (); fo r ( int i =0;i< a. di m;i++) c.x[i]= a. x[i] -b.x [ i]; c. dim =a. di m; re t urn c;}

main ( ) { Vector a={ 3,1,2,3}, b={3,4,5, 6}; Vector c=a - b;}



Operatorüberladung 4

� überladen werden kann z.B. auch [],allerding muß [] in diesem Fall direkt anden Datentyp gebunden werden

ty pede f st r uct { . .. doub l e & oper ator [] ( unsi gned int i); . ..} Vect or ;

� StrukturenObjektorientiertes Programmieren - Nils Schmeißer 86


Strukturen 1� Strukturen lassen sich als “Vorstufe”

zum abstrakten Datentyp interpretieren� Strukturen können Komponenten

beliebigen Typs und Funktionenenthalten

� Beispiel: str uct MySt ru ct { i nt x; i nt Va l ue() ;} ;



Strukturen 2� eine, einer Struktur zugeordnete

Funktion heißt Member-function� Member-functions können nur über eine

Variable des Typs, dem sie zugeordnetsind, aufgerufen werden

Beispiel: st r uct MyStr uct m;

Val ue( ) ; unzulässig m. Valu e( ) ; O.K.



Strukturen 3

� Member-functions müssen zusammenmit ihrer Struktur definiert werden

i nt My St r uc t : : Val ue( ) { r et ur n x; }

� Komponenten derselben Strukturbrauchen nicht qualifiziert zu werden

� Strukturen können nicht vererben



Array-Subscriptionty pede f st r uct { unsi gned int dim ; doub l e x[ 10] ; doub l e & oper ator [] ( uns i gned int i);} Vect or ;

double &Vector : : operat or [ ] ( unsign ed i nt i ) { i f ( ( i<0 ) || ( di m<=i ) ) er ror ( ); r etu r n x[ i] ;}.. .Vector a;

a[ 0]=5 . 0;pr i ntf ( ”%l f \n” , a[0 ] );



Datenkapselung 1

� die Komponenten einer Struktur sindgenerell von überall her zugänglich

� Beispiel: mai n() { s t ru ct My St r uc t m;

. . . pr in t f ( ”%d\ n”, m. x); pr in t f ( ”%d\ n”, m. Val ue( )) ;}



Datenkapselung 2� um Daten zu schützen, können sie

verborgen werden und sind dann nurnoch innerhalb von Member-functionszugreifbar

� Komponenten werden durch denVorsatz des Schlüsselwortes privategeschützt

� alle Komponenten nach private sindgeschützt



Datenkapselung 3� Beispiel: ty pede f st r uct {

priv ate: int x; int y; publ i c: int Val ue() ; voi d Set ( in t v) ;} MySt r uct ;

vo i d MyStr uct : : Set ( int v) { x=v; }

mai n() { MySt r uct m; m.x= 1; / / ni cht zulä ssig m.y= 1; / / ni cht zulä ssig m.Se t (1) ; / / O.K.}



Klassen

� Klassendefinition und Instanzierung� Vererbung

– einfache und mehrfache

– virtuelle Basisklassen– abstrakte Basisklasse

� universeller Polymorhpismus, Bindung� Friends



Klassendefinition 1

� die Implementation abstrakterDatentypen erfolgt in C++ als Klasse

classdef ::= class classname interface ;interface ::= { compdef }

� die Klassendefinition ist eine Anweisungund muß daher mit einem “;”abgeschlossen werden



Klassendefinition 2� Beispiel: clas s A { } ;� Klassendeklaration: clas s A;� Attribute werden wie Komponenten

einer Struktur erklärt� Attribute sind nur

innerhalb der Klassegültig (private), könnenaber öffentlich werden

cl ass B { int a1; A a 2;} ;



Klassendefinition 3

� Methoden werden ebenfalls alsKomponenten erklärt (und damit demzugrundeliegenden ADT zugeordnet)

� Beispiel:cla ss Poi nt { i nt x, y; voi d Set X( i nt xn ) ; i nt Ge t X( );} ;



Klassendefinition 4

die Methoden werden in derKlassendefinition nur erklärt(Interfacedefinition)

die Definition der Methoden erfolgtgetrennt in der Formmdef ::= rtype cname :: mname ( [ args ] ) block

Beispiel: in t Poi nt : : Get X() { re t ur n x; }



Klassendefinition 5 Konstruktor:

! ist eine spezielle Methode, die während der Instanzierung (automatisch) aufgerufen wird

! der Konstruktor trägt immer den Namen derKlasse und hat keinen Rückgabewert (auchnicht void)

cl ass Poin t { Poi nt ( );} ;



Klassendefinition 6

! der Konstruktor kann polymorph sein

c l ass Poi nt { Poin t ( ) ; Poin t ( i nt x0 , i nt y0) ;} ;

! ein Konstruktor ohne Argumente heißtStandardkonstruktor und sollte immer definiertwerden



Klassendefinition 7

Destruktor:! der Destruktor wird während der Zerstörung

einer Instanz (automatisch) gerufen! er trägt den Klassennamen mit einer

vorangestellten Tilde “~”

c l ass Poi nt { ~Poi nt ( ); ~Poi nt ( in t x0, i nt y0);} ;

! auch der Destruktor kann polymorph sein



Instanzierung 1 statische Instanzierung:

! durch die Deklaration einer Instanzvariablenwird eine Instanz der Klasse generiert

Poin t p;

! Lebensbereich der Instanz ist derGültigkeitsbereich der Instanzvariablen

! Beispiel: { i nt x ; Poi nt p; p. Set X(2 ) ;}

Gültigkeitsbereich



Instanzierung 2

dynamische Instanzierung:! die Anwendung des Operators new auf eine

Klasse generiert eine Instanz dieser Klasse

Poi nt * p; p = new Poin t ;

! die Instanz lebt bis zur expliziten Zerstörungdurch Anwendung des delete-Operators aufirgendeine Referenz auf die Instanz

Poi nt * r = p; del ete r ;



Instanzierung 3" soll ein anderer als der Standard-

konstruktor verwendet werden, so wirdan die Instanzvariable ein Parameter-satz angehangen Poi nt p1( 1,2 ) ;

Poi nt * p2=new Poi nt ( 3, y) ;

" die Auswahl des Konstruktors erfolgtnach den Regeln des ad-hocPolymorphismus



Datenkapselung 1

" C++ kennt drei Zugriffklassen– public:

Zugriff von überall her

– protected: Zugriff nur in der Instanz und in Instanzen abgeleiteter Klassen

– private: Zugriff nur in der Instanz



Datenkapselung 2c l ass A { in t a; pr iv at e: in t b; pr ot ect ed: in t c; publ i c : in t d; in t e; pr iv at e: in t f ; in t M() ;} ;

in t A: : M() { f =1; c=2; e=3;}

A m;m.a=-1 ;m.b=-2 ; m.c=-3 ;m.d=-4 ;m.e=-5 ;m.f =-6 ;m.M();

innerhalb der Klasseinnerhalb der Klasseinnerhalb der Klasse

privat (default)privatprotectedO.K.O.K.privatprivat



kurzer Rückblick

" Klassendefinition– c l ass A { t i a i ; t j mj ; . .. } ;

t j A: : mj ( . . . ) { . .. }" Instanzierung

– statisch: A a;

– dynamisch: A *b ; b=new A( . . .) ; del et e b;

" Datenkapselung– private, protected, public



Vererbung 1

" Klassen können voneinander abgeleitetwerden

cl ass A { … } ;cl ass B : A { … } ;

" eine abgeleitete Klasseübernimmt alle Attribute und Methodenden Basisklasse

A

B



Vererbung 2" Beispiel: cl ass Point {

i nt x,y; Point ( int x0int y 0); void Draw( ); void MoveTo( int x1, int y1) ; ~Point ();};

cl ass Circl e : Poin t { i nt r; Circle ( in t x0, int y0, int r 0); void Draw( ); ~Circle () ;};



Vererbung 3# C++ kennt mehrfache Vererbung

c l ass A { i nt x; A( );} ;c l ass B { i nt z; B( );} ;c l ass C: A, B { C( );} ;

A

C

B



Vererbung 4

# Namenskonflikte werden durchvollständige Qualifizierung aufgelöst

c l ass A { i nt x; } ;c l ass B { i nt x; } ;c l ass C: A, B { i nt sum() { re t ur n A: : x+B: : x ; }} ;



Vererbung 5

# virtuelle Basisklassen

c l ass A { };c l ass B: A { } ;c l ass C: A { } ;c l ass D: B,C { };

c l ass A { };c l ass B: vir t ual A { };c l ass C: vir t ual A { };c l ass D: B,C { };

A A

A

B

C

D

A

B

C

D

B C

D



Vererbung 6

# abstrakte Basisklassec l ass A { void m1() =0; / / a bs t r akt e Met hode void m2() { … } ; / / k onkr ete M eth ode} ;

# A kann nicht instanziert werdenc l ass B: A { void m1() { … } ; / / K onkr eti si eru ng m1} ;… B b;



Beispielc l ass Gear { unsi gned i nt g ear ; publ i c : vo i d Sw i t chUp( ) =0;} ;

c l ass Manual Gear : Gear { publ i c : vo i d Sw i t chUp( ) ;}

voi d Manual Gear : : Swit chUp( ) { . . . }



Vererbung und Datenkapselung 1# die Weitergabe von Eigenschaften kann

beschränkt erfolgenc las s Z : A, publ i c B , pr otect ed C , pr i vate D { …} ;

$ public: die Zugriffsbeschränkungen derElternklasse werden übernommen

$ protected: public protected$ private: public, protected private



Vererbung und Datenkapselung 2cl ass A { publ i c: i nt x ; A();};cl ass B { prot ecte d: i nt z; publ i c: B();};cl ass C: pr ote cted A, publ i c B { C();};C c ;c. x = 1; / / f alsc h, x ist prot ecte dc. A(); / / f alsc h, A ( ) is t pr otec t edc. z = 1; / / f alsc h, z ist prot ecte dc. B(); / / O . K.



Bindung 1

% Komponenten werden in C++ standard-mäßig statisch gebunden

% soll eine Methode dynamisch gebundenwerden, so muß dies durch dasSchlüsselwort ”virtual” kenntlichgemacht werden

% wird eine virtuelle Methodeüberschrieben, so bleibt sie virtuell



Bindung 2cl ass Gear { publ i c: vi r tua l vo i d Switc hUp( ) =0; vo i d Switc hDown(); ~Gear ( ) ;};cl ass ManualGe ar : pub l ic Gear { publ i c: vi r tua l vo i d Switc hUp( ) ; vo i d Switc hDown(); ~Gear ( ) ;};

Gear * g = new ManualGe ar () ;g- >Swi t chUp(); / / Manua l Gear :: Swi tch Upg- >Swi t chDown( ) ; / / Gear : : Swi t chDown



Bindung 3

% Frage: Welcher Destruktor wird imvorhergegangenen Beispiel gerufen,wenn

dele t e g;

aufgerufen wird und warum?



Bindung 4

% da der Destruktor zunächst nichtdynamisch gebunden wird, wird ~Gear()gerufen - das ist falsch! virtueller Destruktor

c l ass Gear { . .. v i rt ual ~Gear ( ) ;

} ;c l ass Manual Gear { .. . v i rt ual ~Manual Gear ( ) ;} ;



Bindung 5 - VMT

% die dynamische Bindung wird über einesogenannte VMT - Virtual Method Tableorganisiert

at t r

at t r

A * b = n ew B ;VMT B: A

st at .

v i r t uel l e M.

st at .

VMT VMT=vi r t . v i r t .=



Beispiel 1

cl ass Car { Gear * gear ; Engine * engine ; publ i c: Car ( Engine *e, Gear *g) ; vi r tua l vo i d A ccel ( double) =0;};Car ::C ar( Engin e *e , Gear *g ) { engi ne=e; gear =g;}



Beispiel 2cl ass Renault _R19: publ i c Car { publ i c: Renaul t _R19( Engine *e, Gear *g); vi r tua l vo i d Accel ( double) ;};Renaul t _R19:: Renau l t _R19(( Engi ne *e , Gear *g ) : Car (e , g) { }vo i d Renau l t _R19:: Acce l (do uble v) { . .. i f ( engi ne-> RPM() >3000) gear - >Swi t chUp(); . ..} Car * my_car =new Renaul t _R19( new Gasoli neEngi ne(2 . 5) , new Manual Gear ( 5) ) ;



static Members 1& ein static Member existiert nur ein

einziges mal für alle Instanzenc l ass A { i nt x; s t at i c in t y; s t at i c vo i d m1( ) ; void m2() ; v i rt ual voi d m3( ) ;} ;

A a , b;

& kein this

a bA

xa. x b. xA. y

VMT VMTVMT

m3

m1m2 m2 m2



static Members 2

& ein static Attribut muß extra erklärtwerden

c l ass A { s t at i c in t i ;} ;

i nt A: : i ;



Friends 1& Beispiel

c l ass Mat ri x { Matr i x oper ato r * ( Mat ri x&) ;} ;c l ass Vecto r { doubl e oper ato r * ( Vecto r &) ;} ;

& Wie sollte Matrix * Vector erklärt werdendamit * effizient arbeitet?



Friends 2& 1. Variante:

c l ass Mat ri x { Matr i x oper ato r * ( Vecto r &) ;} ;

– hängt von der Implementation von Matrix ab(muß also jedesmal neu erklärt werden)

& 2. Variantec l ass Mat ri x { f r ie nd Mat r i x opera t or *( Mat ri x&, Vect or &) ;} ;



Friends 3' die Implementation als friend gilt als

Hinweis darauf, daß die Klasseverändert werden kann

' ein friend ist quasi Member einer Klasseund hat Zugriff auf alle Komponentender Klassecl ass Matr i x { f rie nd Matri x operat or * (Mat rix& , Vect or &) ;};cl ass Vect or { f rie nd Matri x operat or * (Mat rix& , Vect or &) ;};



Zusammenfasung - Klassen

' Klassendefinition und Instanzierung' Vererbung

– einfache und mehrfache

– Datenkapselung– virtuelle und abstrakte Basisklassen

' universeller Polymorphismus, Bindung' Friends



Templates 1

' Templates stellen die Realisierung desparametrischen Typkonzeptes dar

' Motivation:( Verfahren können für einen abstrakten Typ T

erklärt werden, ohne das der Typ bekannt ist( die Konkretisierung des Typs erfolgt erst bei

der Nutzung des Verfahrens' Beispiel: das Konzept des Vektors



Templates 2– ein Vektor wird über einem Körper (T) erklärt

te mpla t e<cl ass T> c las s Vector { T * v; uns ign ed i nt d i m; publ i c: Vector ( uns i gned in t s) { i f ( s==0) er r or ( “ dim ensi on mu st not be 0“ ) ; v=new T[ dim=s]; } T &oper ato r [] ( uns ign ed i nt i) { r etu r n v[ i]; } uns ign ed i nt D i m() { r etur n dim ; }};



Templates 3

' Nutzung:

voi d f ( ) { Vect or <in t > v1 ( 100) ; / / 100 i nt eger / / El ement e Vect or <Gear * > g( 10) ; / / 10 Re f er enzen auf

/ / G et r i ebei nsta nzen . . . g[ 5] - >Swi t chUp( ) ; / / s ch al t e G. 5}



Templates 4' Member-functions von Templates

müssen nicht inline erklärt werdent empla t e<cl ass X> cla ss Y { X x; publ i c : voi d met hod( X x0 ) ;} ;

' die externe Definition erfolgt mit vollerQualifikation:t empla t e<cl ass X> voi d Y<X>: : met hod( X x0) { x=x0 ;}



Templates 5

) der Quelltext der Implementation vonnicht-inline Methoden von Templatesmuß nicht vorliegen,damit können quasi abstrakteBibliotheken geschaffen werden



Templates und Vererbung

) Template Klassen können vererben:te mpla t e<cl ass T> List { T * el ement s; } ;te mpla t e<cl ass T> Orde r edL i st : publi c Li s t <T> {}

cl ass A;te mpla t e<cl ass T> Base d_on_A : A { } ;

) Templates können auf verschiedenenTypen basieren:

te mpla t e<cl ass A, cl ass B, cl ass List <A>> C { . ..} ;



Templates und Argumente) Templates können Argumente erhalten:

te mpla t e<cl ass T, unsig ned i nt s> cl ass Arra y { T dat a[ s] ;};

) Templates können sogar parametrischerbente mpla t e<cl ass T, cl ass A> c las s Par amContai ner :public Cont ain er<T >, publi c A { . ..};



Funktions Templates 1

) Grundidee:* ein Funktionstemplate definiert eine Familie

von Funktionen) Beispiel:

t empla t e<cl ass T> voi d sor t ( Vec t or <T>&) ;voi d f ( Vect or <in t > & v i , Vec t or <f l oat > & vf ) { sort ( v i ); sort ( v f );}



Funktions Templates 2

) Implementation:t empla t e<cl ass T> voi d sor t ( Vec t or <T> & v) { unsi gned i nt n=v. si ze( ); f or ( i nt i =0;i <n- 1; i ++) fo r ( in t j =n- 1; i< j ; j -- ) i f ( v [ j ] <v [ j - 1] ) { T t emp=v [ j ] ; v[j ] =v[j - 1] ; v[j - 1] =t emp; }}



Funktionstemplates 3– Co-Existenz von Templates und

Spezialisierungen te mplate <cl ass T> c l ass Comp { public : static int comp( T &a,T & b) { ret urn a<b; } };

cl ass Comp <char *> { public : static int comp( const ch ar *a, co nst char * b) { re t urn strc mp(a,b); } };

te mplate <cl ass T> c l ass Sort ableVect or : public Vector <T>, public C omp<T> { . .. };



Funktionstemplates 4+ Operationen als Template-Argumente

te mplate <cl ass T, cl ass Comp > class S ort { public void sort ( vector <T>&); };

te mplate <cl ass T, cl ass Comp > vo i d Sort <T, Comp>:: sort ( Vect or <T> &v ) { . .. i f ( Comp: : comp(v[ j ],v[j-1] ) ) . .. }

te mplate <cl ass T> c l ass LT: public Co mp<T>; te mplate <cl ass T> c l ass GT:public Co mp<T>; Sor t < int , LT< int > >:: sort ( v i ); Sor t < int , GT< int > >:: sort ( v i );



Standard Template Library

+ ist eine Template Sammlung von SGI(http://www.sgi.com/Technology/STL)

+ die folgende Kategorien abdeckt, Container, Iteratoren, Algorithmen, Funktionsobjekte, „Utilities“, Speicherverwaltung



STL - Container

– Konzepte, allgemeine, Folgen, assoziative Conatiner

– Containerklassen, Folgen: vector, deque, list, slist, bit_vector, assoziative Container: set, map, hash, Stringpacket: char_traits, basic_string, rope, Adaptoren: stack, queue



STL - Iteratoren– Konzepte

, einfache I., E/A I., Vorwärts-I., Bidirektionaler I.,Random Access I.

– Iterator Tags, iterator traits, iterator category, distance type,

iterator tag Klassen, iterator Basisklassen

– Iteratorfunktionen, Abstand

– Iteratorklassen, istream, ostream, reverse, raw, sequence



STL - Algorithmen– nicht mutierenede Verfahren

, for-each, Suche, Zählen, Vergleich

– mutierende Verfahren, Kopieren, Vertauschen, Transformationen,

Ersetzen, Füllen, Generieren, Löschen,Permutieren

– Sortieren, Sortieren, Zusammenführen,

Mengenoperationen, MinMax

– allgemeine Verfahren, inneres Produkt, Partialsummen, Potenzieren



STL - Funktionsobjekte– Konzepte

, Generatoren, unäre/binäre Funktionen,Monoid-Operationen, Zufallszahlengenerator

– vordefinierte Funktionen, arithmetische Op., Relationen, logische Op.

– function object adaptors



STL- Utiliti es/Speicherverwaltung

– Konzepte– Funktionen

- Relationsoperatoren

– Klassen- Paar

– Speicherklassen- Allokatoren, Iteratoren

– Funktionen- Erzeugen, Zerstören, temporärer Puffer



Streams 1. Streams repräsentieren (gepufferte)

Übertragungskanäle. Streams gehören nicht zur Sprache C++

Dat enquel le Dat ens enke

Über tr agungskanal

Pr ogra mm cout Konsol e



Streams 2

. prinzipiell könnte eine Streamklasse wiefolgt aussehen

t empla t e<cl ass T> cla ss St r eam { T * buff er ; publ i c : St r eam( unsig ned i nt ma xsi ze ) ; vo i d Put ( T t ) ; T Get () ;} ;



Streams 3cl ass A { St r eam<int > *s ; publ i c: vo i d A t tac h(St r eam<int > * ss); vo i d s end( i nt i ); in t re cv() ;};

vo i d A : :At t ach ( Str eam<i nt> * ss ) { s =ss ; }vo i d A : :se nd(i nt i ) { s -> Put (i ) ; }in t A: : rec v() { re t urn s-> Get ( ) ; }

St r eam<int > s;A a,b; a. Atta ch(& s); b.At t ach ( &s);a. send( 10) ; pr int f (”% \ n”, b.re cv()) ;



Streams 4. um die Nutzung handlicher zu gestalten

wurden für die in C++ genutztenStreams die Operatoren << und >>überladen

. Philosophie:– in einen Datenstrom wird ein Element

eingefügt, alsoSt r eam<T> &opera t or << ( St r eam<T>&,T &) ;. . .vo i d A : :se nd(i nt i , int j) { s << i << j ; }



Streams 5

. die C++ Standardbibliothek erklärt zweiArten von Standard-Streams– bidirektionale Ströme

- class ios;

– unidirektionale Ströme- class ostream:public ios;- class istream:public ios;- Dateiströme: ifstream, ofstream- Stringströme: istrstream, ostrstream



Streams 6/ insbesondere werden zwei spezielle

Instanzen bereitgestellt– istream cin;

0 unidirektionaler Eingabestrom, derstandardmäßig mit der Konsole als Datenquelleverbunden ist

– ostream cout;0 unidirektionaler Ausgabestrom, der

standardmäßig mit der Konsole als Datensenkeverbunden ist



Streams 7/ cin und cout sind am jeweils anderen

Ende mit dem Programm verbunden/ die Operatoren << und >> stehen für

alle C++ Standardtypen bereit/ Beispiel: #i nclu de <i ostr eam.h>

mai n() { char name [ 1024]; cout << ” What ’ s y our name?”; c in >> na me; cout << ” Hell o ” << n ame;}



Ausnahmebehandlung 1/ Beispiel:

– numerische Integration einer Funktion(Summierung mit Schrittweite)

– Probleme:0 numerischer Unterlauf

– Ergebnis regulär aber falsch0 numerischer Überlauf

– Ergebnis kann regulär sein aber falsch/ Möglichkeit solche Zustände zu

signalisieren und darauf zu reagierenObjektorientiertes Programmieren - Nils Schmeißer 154


Ausnahmebehandlung 2/ Exceptions werden als Objekt

repräsentiertcla ss Excepti oncla ss;

/ Exceptions werden durch das throwKonstrukt “ausgelöst”

t hr ow Excepti oncla ss( );

/ Handler: cat ch ( Except i oncl ass &c) { Behandl ungs code}



Ausnahmebehandlung 3cl ass RangeCheck { publ i c: RangeCheck(c har* ) ;};

double int egra l (do uble eps ) { doub l e s um,psum; i f ( f abs ( psu m)<i r gendwas) th r ow RangeCheck(” Under flo w”); i f ( f abs ( psu m)>i r gendwas) th r ow RangeCheck(” Over f low ” );}.. . t r y { i=i nteg r al( epsi l on) ; } catch ( RangeCheck &r) { }



Ausnahmebehandlung 4/ Exceptions können in einer Deklaration

bekanntgegeben werden:ex t ern double i nte gral ( double) thro w( RangeCheck ) ;

/ vordefinierte Ausnahmeklassen:0 class exception;

– class logic_error:exception;» class domain_error:logic_error; invalid_argument,

length_error, out_of_range– class runtime_error:exception;

» class range_error:runtime_error; overflow_error– class bad_exception;



Ausnahmebehandlung 51 Regeln zur Verwendung von Exceptions

2 Ausnahmebehandlungen so festlegen, daß siebeschreiben, was eine Funktion tut und nicht,was sie tun sollte

2 Ausnahmen nur für wesentliche Funktionen2 throw(); nur in trivialsten Fällen2 bad_exception sollte immer in die Spezifikation

aufgenommen werden2 keine A.-Spezifikationen in F.-Templates2 nur allgemeine A.-Spezifikationen für virtuelle M.



Ausnahmebehandlung 6

2 keine A.-Spezifikationen in typedefs

t ypedef v oi d( * FooType) ( i nt , i nt) t hro w( ) ;

2 terminate_handler nicht in Bibliotheken verändern2 unexpected_handler sollte entweder

bad_exception oder eine andere gültigeAusnahme generieren



C++ und Performance

1 inline-Expansion1 Zeigerarithmetik vs. Feldindizierung1 temporäre Instanzen

1 HPC++



inline-Expansion1 normalerweise werden Funktionen bzw.

Methoden über einen call-Befehl alsUnterprogramm gerufen

1 inline expandiert denUnterprogrammcode direkt an der Stelledes Aufrufes (damit entfällt der call-overhead)

1 auch Methoden können inlineexpandiert werden



Beispieli nl i ne d oubl e fa bs( doubl e x) { i f ( x<0) r et ur n - x; r etu r n x;}double d ec( doubl e x ) { r etu r n x- 1;}

. . .double y ;

y=dec( 4. 0);y=f abs ( - 3.4 ) ;

ld f p0, - 3. 4 ld f p1, f p0 su b f p0, 0 js gnp M1 neg f p1M1: ld ( y), f p1

ld f p0, 4. 0 push fp 0 ca l l M_ dec pop f p0 ld ( Y), f p0



Zeigerarithmetik vs. Indizierung1 in älteren C Compilern waren

Feldzugriffe über den Index desFeldelementes relativ ineffizientimplementiert (das ist heute nicht mehrder Fall!)

1 prinzipiell ist fürT F [ di m] , *p ;

der Zugriff *(p+i) gleichwertig zu F[i]* ( p+i) ==F[i ] ; / / p+ i ~ p+s i ze of ( T) * i



temporäre Instanzen 1

3 problematisch sind temporäre Instanzen,diese entstehen z.B. bei folgendemKonstruktc l ass I nt eger { i nt val ue; I nte ger oper at or + ( I nte ger &b) { In t eger s ; s. val ue=valu e+b.v al ue; re t ur n I nt eger ( s) ; }} ;



temporäre Instanzen 2

3 für „größere“ Objekte ist es oft bessernur auf +=, -=, *=, /=, ... Operatorenzurückzugreifen, da hier dieKonstruktion einer temporären Instanzentfallen kann– der linke Operand erhält hier gleichzeitig

das Ergebnis der Operation



HPC++3 High Performance C++3 wird derzeit als ANSI Standard

vorbereitet3 besondere Eigenschaften

4 Loop level Parallelism: Compiler-Direktive4 Parallele Standard Template Library4 Feld-Container4 Interface für externe Objekte (CORBA)

3 Open/MP konformer C++ Compiler ?



C++ und C3 C++ verwendet einen anderen

Bindungs-/Aufrufmechanismus fürFunktionen als C

ext ern “ C“ doubl e f abs( doubl e);#i f def __cp l uspl us ext er n “ C“ {#endif i nt abs( i nt ) ; #i nc l ude <st ri ng. h>#i f def __cp l uspl us }#endif



Turbo-Pascal, Delphi



Entwicklung

3 Pascal wurde 1970 von N. Wirthentwickelt (zunächst als reineLehrsprache)

3 1983 ISO, DIN3 Dialekte: UCSD, MS, MT+, Turbo

– Unit Konzept (Module) durch UCSD undBorland



Eigenschaften5 erste OO-Sprache unter MS-DOS5 OO seit Version 5.55 Klasse wird als strukturierter Datentyp

erklärt (muß im Typdefinitionsteil einesProgrammes erklärt werden)

5 nur einfache Vererbung5 nur public und private5 kein Inlining5 kein ad-hoc Polymorphismus



Klassendefinitionty pe Vecto r =obj ect

cons t ruc t or I nit ( d0:I nteg er); f unc t ion Get ( i:I ntege r ):R eal;

proc edur e Set (v: Real, i :In t eger );pr i vat e var dim: I nte ger; x :^R eal;end;

Point =obj ect ( Vect or ) . . . end ;

constr ucto r Vector . Ini t (d0 : Int eger) ;begin . .. sel f .Se t (0. 0,0) ;end;



Instanzierung

5 der Konstruktor muß immer explizitgerufen werden– statisch: var x: Obj ect Type;

x . In i t ( );

– dynamisch: t ype PObj ect Type=^Obj ect Type;var x: PObj ectT ype;x : =new( PObj ect Type, I ni t( . . . )) ;



Semantik von new und dispose– neue Syntax und Semantik für new:

6 function new(Pointertype [ , Konstruktor ] ) : Pointer;6 new allokiert Platz auf dem Heap und ruft zusätzlich

den angegeben Konstruktor auf6 new gibt eine Referenz auf den allokierten Bereich

zurück

– new Syntax und Semantik für dispose:6 procedure dispose(Pointer [ , Destruktor ] );6 dispose ruft den angegebenen Destruktor und gibt

anschließend den Speicher frei



Destruktion5 eine Instanz wird zerstört wenn

6 der Gültigkeitsbereich der statischenInstanzvariablen verlassen wird

6 der dynamisch allokierte Platz freigegeben wird5 in beiden Fällen muß der Destruktor

explizit gerufen werden, also7 va r a: Obje ctTy pe; . .. a.I nit; ... a.Do ne;7 var p: PObj ectT ype; ...

p: =new( PObj ect Type , Ini t );.. . di spos e(p, Done) ;



Polymorphe Methoden

8 Methoden werden standardmäßigstatisch gebunden

8 dynamisch zu bindende Methodenwerden durch „virtual“ gekennzeichnet

8 Beispiel: t yp e O bj ect Type=obj ect pr ocedur e S; pr ocedur e V; vir t ual ; end;



Bibliotheken9 Turbo-Pascal wurde durch das Konzept

der Turbo-Vision Bibliothek sehrerfolgreich

9 die Turbo-Vision Bibliothek wurde nachTurbo-C++ übernommen

: unter MS-Windows wurde Object-Windows in Anlehnung an die Turbo-Vision eingeführt



Turbo-Vision 1

; ist eine Klassenbibliothek zur ErstellungSAA konformer Nutzerschnittstellen

; es gibt– Widget-Klassen

< Dialogboxen, Fenster, Eingabezeilen, Menüs, ..

– eine Applikationsklasse

– eine Ereignisklasse



Turbo-Vision 2; Beispiel:

pr ogra m TVGUID01;

uses A pp;

ty pe T MyApp = obje ct(T Appl i cat i on) end;

va r MyApp: T MyApp;

begin MyApp.In i t; MyApp.Ru n; MyApp.Do ne;end.



Turbo-Vision 3



Oberon



Eigenschaften

; N. Wirth, J. Gutknecht; System + Oberfläche + Sprache

< Nachfolger von Pascal und Modula< Blockstruktur< Modulkonzept< strenge Typisierung< Typerweiterung< ad-hoc Polymorphismus (Oberon-2)< Trait-basiert



Module

= der Hauptblock einesModuls wird beim Ladendes Moduls gerufen

= ein Modul ist persistent

MODULE Calc ;IMPORT In, O ut;

VAR a:Intege r ;

PROCEDURE Set A* ();BEGIN In . Open; I n.Int(a);END SetA ;

PROCEDURE Pr i vat : Typ ;BEGIN .. .END Privat ;

BEGIN .. .END Calc .

Syst em.Compi l e Calc.M od;

Calc . SetA 10 0

Calc ~System . Free



Klassen 1> Klassen werden als Erweiterung von

Records betrachtetTYPE ACla ssPt r = POINTER T O ACl ass ;

ACla ss = RECORDpriv_ m : PROCEDURE ( ... ) ;publi c_m* : PROCEDURE ( ... ) ;priv_ a : In t eger ;publi c_a* : Typ;

END;

> öffentliche Komponenten werden durcheinen * gekennzeichnet



Klassen 2

> die Bindung erfolgt durch expliziteÜbergabe der Instanz in einem formalenParameterPROCEDURE ( se l f : ACl ass ) public_ m* ( . ..) ;BEGIN I n.O pen; I n.I nteg er(s elf. priv _a);END public _m;



Vererbung

> ursprünglich objektbasiert, also vonObjektprototyp abgeleitet

= mögliche Inkonsistenz in Methoden= Speicherplatz

> Klassenbasiert? TYPE BCl ass Pt r = P OIN TER TO BCl ass;

BCl ass = RE CORD( ACl as s) new_m : PR OCEDURE( .. . ) ; END;



Instanzierung

@ Oberon verfügt über eine garbage-collection, d.h. Instanzen müssen nurerzeugt werden

VAR b : B Cl assPt r ;

NEW( b) ;

@ genauer: es gibt keine Möglichkeit eineInstanz explizit zu zerstören





Java



EntwicklungA 1990 ursprünglich unter dem Namen

„Oak“ als Sprache für dieProgrammierung „hybrider Systeme imConsumer Bereich“ (! Ada) vonJ. Gosling bei Sun entworfen, hatte abernie Erfolg

A 1993 in Java umbenannt und alsSprache für Internetanwendungenverwendet (! portabel)



Eigenschaften 1

A C++ ähnliche SyntaxA Garbage-collectionA multi-threadingA soll sicher und robust seinA Interpretersprache (basiert auf virtueller

Maschine, die Java-Bytecode ausführt),daher ineffizient



Eigenschaften 2

A Unterschiede zu C++B keine Typdefinitionen, kein Pre-ProzessorB keine Strukturen oder UnionsB keine nicht-Member-FunktionenB keine MehrfachvererbungB keine automatisch TypumwandlungB keine manuelle Speicherverwaltung (!Garbage-

collection) und Zeigermanipulation



Klassendefinition & InstanzierungA Klassen:

c l ass Poi nt { pr iv at e double x , y; publ i c Poi nt () { x= 0; y= 0; } publ i c do ubl e Get X( ) { r et urn x ; } publ i c vo i d Se t X( doubl e v) { x=v; }}

A Instazierung:Poi nt p; .. . p =new Poi nt () ;



Vererbung 1A Vererbung in Java bedeutet Erweiterung

c l ass Pi xel exte nds Poi nt { pr iv at e i nt co l or ; publ i c Pi xel () { su per .S et X(0 ) ; co l or =0; }}

A alle Klassen sind von Object abgeleitet



Vererbung 2C die Vererbung kann durch Festlegung

von “final” Klassen beschränkt werdenfi nal c las s Kei neVerer bung { . ..}

C auch die Methodenvererbung kanneingeengt werdencl ass Klas se { f ina l public Nic htVe r erb bar( ) { . . . }}



InterfacevererbungC statt Mehrfachvererbung unterstützt

Java Interfacevererbungi nt erf ace MyI nt1 { publ i c vo i d M1 ( ) ;}i nt erf ace MyI nt2 { publ i c vo i d M2 ( ) ;}c l ass Kl ass e ext ends Basis kl ass e i mpl ement s MyI nt 1, MyI nt 2 {. . .}



abstrakte MethodenC wie auch in C++ gibt es die Möglichkeit

abstrakte Methoden (abstrakte Klassen)zu erklären

abst ra ct cl ass ABasec l ass { abst r act publi c v oi d M() ;}

C eine Klasse muß abstrakt sein, sobaldeine abstrakte Methode existiert



ImplementierungC Definition und Implementation werden in

einem Modul gehaltenC Klassen können bzgl. eines Moduls

lokal oder global seinC Module/Klassen werden durch die

Anweisung

import Kategorie.Modul.Klasse;

bereitgestellt



ProgrammeC die “Hauptklasse” eines Java-

Programms muß die statisch Methodemain enthaltenc l ass MyPro g { publ i c st at i c voi d mai n( St r in g a rg s[ ] ) { } . . .}

C der Modulname muß mit demHaupklassennamen übereinstimmen



Internetanwendungen 1C für “Applets”, die als

Internetanwendungen geschriebenwerden gibt es ein anderes Verfahrenimport jav a.ap plet . *;cl ass MyApplet ext ends App l et { publ i c v oid s tar t () { // bei m Auf ruf des HTM L-Do kument es } publ i c v oid s top ( ) { // bei m Ver las sen des HTML- Dokument es }}



Internetanwendungen 2

D die Einbindung in das HTML-Protokollerfolgt durch

<ht ml> <body> <apple t code=” MyAppl et. c las s” wi dth =640 heigh t =480> </ appl et > </bo dy></ html >



Smalltalk-80



Eigenschaften

D reine OO-SpracheD untypisiertD Interpretersprache (virtuelle Maschine)D voll implementiertes

NachrichtenkonzeptD garbage-collectionD interaktive Programmierumgebung



interaktive Programmierungebung



Klassendefinition

D jede Klasse hat eine Superklasse, imeinfachsten Fall “Object”

D Klassen werden in Kategorien geordnetD Klasseneigenschaften:

E Instanzvariablen: private AttributeE Klassenvariablen: gemeinsame Attribute a la

static bei C++E Kategorie



Klassendefinition und Vererbung

Superk l asse subc l ass: #ACla ss i nst anceVar i abl eNames: ’p r i v1 pr i v2 . . .’ c l as sVari abl eNames: ’ shar ed1 shar ed2 . .. ’ pool Di cti onari es: ’’ cate gor y: ’ Kate gor ie ’!



Methodendefinition

F Methoden werden ebenfallskategorisiert

! ACl as s met hodsFor : ’m et hodcat egor y’!

m1 arg 1 a rg 2 . ... . .!



Invokation

F Smalltalk basiert auf demNachrichtenkonzept, d.h. alleMethodenaufraufe sind Bestandteileeiner Nachricht an eine Instanz

Empfängerobjekt Sel1 Arg1 Sel2 Arg2 .



BeispielObj ect s ubCl ass: #Compl ex i nst anceVar i abl eNames: ’i mag r eal ’ c l as sVari abl eNames: ’ ’ pool Di cti onari es: ’’!

! Compl ex me t hods For :’ ar i th met ic ’

Real : r v Im ag: i v r eal : = r v . i mag : = i v .!

Sel ekt or 1



Eiffel



Eigenschaften

F von B. Meyer entwickeltF implementiert alle, von ihm

aufgezählten Kriterien für OO-SprachenF läßt Definition von Vorbedingungen zuF keine statische Instanzierung



Klassendefinitionc l ass MyCla sscr eati on Kons t r ukt orf eat ur e { ALL} - oe f f ent l i che K omponenent en Kons t r ukt or ( i: i nt eger ) i s do .. . ! !v al ue. make( 1, i ) endf eat ur e { NONE} - pr i vate K omponent en valu e : ar r ay [ i nt eger ]end



VererbungG Einfach- und Mehrfachvererbung

c l ass DCl as si nheri t s ACla ss BCla ss re name b1 as BCl ass b1 endendf eat ur e { ALL}. . .end



Instanzierung

G Eiffel kennt keine statisch InstanzierungG es werden Instanzvariablen erklärt, die

Instanzierung erfolgt explizit durch denAufruf eines Konstruktors

i var : D Cla ss

! ! i var . Kons t r ukt or



OperatorenG in Eiffel können Operatoren überladen

und es können neue O. definiert werden

infix “ opsymbol ” [ , altname ]G Beispiel:

cl ass Compl exfe atur e {A LL} i nfi x ”+ ” ,Pl us ( b:Complex ) is do .. . endend



Vorbedingungencl ass Vect orfe atur e {A LL} Dim : in t eger is do re t urn dim ; end i nfi x ” +” (b : Vect or) : Vect or i s r eqi ure Di m=b. Dim do .. . endfe atur e {NONE} dim : in t egerend



FORTRAN 90/95/2000H Fortran 90

– Operatorüberladung (ad-hoc P.)– generische Funktionen

H Fortran 95– FORALL– pure und Elementfunktionen

H Fortran 2000– OO Eigenschaften:

» Konstr. und Destr.» Vererbung» Polymosphismus» Prozedurreferenzen



OO-Systeme

G OO-GUI‘sG OO-BetriebssystemeG verteiltes OOP (CORBA, DCOM)G OO-Datenbanken



OO GUI’ s

I graphische NutzerschnittstellenI Philosophie:

J SchreibtischphilosophieJ generisch Kommandos (drag and drop)J direktes Manipultieren (OLE)J IconsJ Persistenz von Objekten



OO-GUI‘ s

I Beispiele:J SmalltalkJ OberonJ GeoWorks EnsembleJ NextStepJ MS-Windows 3.x, 95 (OLE)J MS-WindowsNTJ IBM OS/2 Presentation Manager



Drag and Drop

I Erzeugen einer Instanz von B beigleichzeitigem Öffnen der Instanz a



OLE 1.0I OLE - Object Linking and Embedding

J ein Objekt enthält einen Verweis auf einanderes Objekt

J bei „anklicken“ des enthaltenen Objektes wirddas zugehörige Programm gestartet



OLE 2.0J wie OLE 1.0, aber die Applikation nimmt die Gestalt

der über has-a zugeordneten Anwendung an



OO-Betriebssystem

I Mach-Kernel– objektorientierter Betriebssystemkern

I Microsoft Windows mit OLEI OberonI Smalltalk



Verteiltes OOP

K CORBA– von der Object Management Group (OMG)

festgelegter Standard

– Common Object Request BrokerArchitecure

K DCOM– Konkurrenzprodukt von Microsoft



Prinzip von der ORB Technik

K Client-Server-Architektur

Kl asse nserv er=

I mpl ement at i on

Cl i entder Kl asse

Obj ect R equest Br oker



Interfacevererbung

K CORBA legt nur Interfacevererbung fest

Kl asse nserv ermi t gl ei chem

I nt erf aceCl i entder Kl asse

Obj ect R equest Br oker

Cl ass Repos i t ory



DatenbankenK relationale Datenbanken (RDBM)

L Menge von RelationenL R, SQL/DS, DB2,

INGRES, ORACLE, DBASEK semantisches Datenbankmodell (SMDB)

L Entity-Relationship Modell, prädikatenlogischeund mengentheoretische Modelle

L RM/T, TAXIS, SAM, IFOK objektorientiertes Datenbankmodell

(OODBM), i.A. Abbildung von OOKonzepten auf RDBMS oder SMDBS



OODBMSL Strukturkonzepte

» Objektidentität, Klassen, Typen, Beziehungen,zwischen Klassen, Strukturvererbung

L Operationen» Relationen, Generatoren, objekterhaltende

OperationenL höhere Konzepte

» Metaklassen, ADT, OO-KonzepteL GemStone, ONTOS/VBASE, O2, POET,

POSTGRES

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