Olio-ohjelmoinnin perusteet luento 5: Rajapinnoista, perinnän huomioon ottamisesesta

1. Olio-ohjelmoinnin perusteetluento 5: Rajapinnoista, perinnän huomioon ottamisesesta Sami Jantunen LTY/Tietotekniikan osasto

2. Sisältö • Rajapinnoista • Esimerkki • Abstrakti luokka • Puhdas virtuaalinen funktio • Rajapinnan käytöstä • Komponentteihin jaottelusta • Perinnän vaikutus olion luontiin ja tuhoamiseen • Rakentajat ja perintä • Purkajat ja perintä • Perityn luokan eri tyypit • Aliluokan ja kantaluokan suhde • Tyyppimuunnokset • Olioiden sijoitus ja kopiointi • Olioiden kopiointi • Olioiden sijoitus • Yhteenveto • Puhdasoppinen luokka • Kertaus

3. Tarina… • Kauan aikaa sitten työskentelin erään palvelimen parissa • Palvelimen oli tarkoitus pystyä kommunikoimaan lukuisten erilaisten asiakasohjelmien kanssa

4. Tarina jatkuu…. • Palvelimen ja asiakasohjelmien väliseksi kommunikointitavaksi valittiin 2-suuntainen putki

5. Tarina jatkuu…. • Pian huomasin, että 2-suuntaisen putken käyttö ei ollut ihan helppoa • 2-suuntaisen liikenteen hallinta vaati synkronointitaitoja • Putkesta “tipoittain” lukeminen tukkeutti putken • Putkia piti tarjota sitä mukaan kun asiakasohjelmat ottivat palvelimeen yhteyttä Säikeistyksen hallinta • Kaikki asiakasohjelmat eivät olleet tiedossa ja niitä tehtiin muiden henkilöiden voimin.kommunikointimekanismi ei saa olla sen käyttäjälle vaikeaa! • …

6. Tarina jatkuu… • Niinpä ajattelin soveltaa yhtä olioajattelun perusajatuksista: Tiedon piilottamista Loin kirjaston, joka piilotti putken monimutkaisuuden (synkronointi, säikeiden hallinta, viestien puskurointi, ym.)

7. Tarina jatkuu…. • Ja sen putken käyttö oli niin mukavaa… • Viis hankalista hallinnoitiasioista. • Riitti kun avaa ja lähettää…. PipeServer create() send() disconnect() getNumberOfClients() PipeClient open() send() disconnect()

8. Tarina jatkuu… • Entäpä viestin vastaanottaminen? • Olisipa mukavaa kun putki osaisi itse kutsua asiakkaan messageArrived –funktiota kun viesti on saapunut • Ainoa asia mitä asiakkaan tarvitsisi tehdä on toteuttaa messageArrived funktio, mihin määriteltäisiin viestin saapumisesta aiheutuva toimintalogiikka.

9. Ja sitten tarinan kysymys! Mistä putkikirjasto voi tietää ketä kutsua kun viesti saapuu???

10. Ratkaisu? • Mitä jos kukin putkea käyttävä olio esittelee itsensä ja antaa osoittimen itseensä. • Putki voisi sitten jatkossa vain käyttää osoitinta ja kutsua sen avulla käyttäjäolion messageArrived-funktiota

11. Taustatietoa • Jokaisella oliolla on olemassa osoitinmuuttuja this, mikä osoittaa itseensä • this –osoitin on aina samaa tyyppiä kun siihen liittyvä osoitinkin aivan kun this olisi määritelty luokassa tyyliin: MyClass *this; This

12. Lähdetään ratkaisemaan ongelmaa • Oletetaan että putkea käyttävä olio identifioi itsensä kun se avaa putken: PipeClient _myPipe; _myPipe.open(this); • Nyt putki tietää sitä käyttävän olion osoitteen. Ratkaisiko tämä meidän ongelman?

13. Vielä ongelmia • Okei, nyt sitten tiedetään putkea käyttävän olion osoite. Se ei kuitenkaan riitä • Mistä ihmeestä putkikirjasto tietää minkä tyyppinen annettu osoitin on? • Eihän se muuten voi kutsua annettua oliota

14. Heureka! • Mitäs jos vaadittaisiin, että kaikki putken käyttäjäluokat periytyvät MessageReader-luokasta • Silloinhan tiedettäisiin, että asiakkaat ovat aina myös tyyppiä MessageReader! • putkikirjastoon voitaisiin siis kirjoittaa seuraava koodipätkä: //Luokan määrittelyssäMessageReader *_addressOfClient;...//Putkea avattaessaPipeClient::open(MessageReader *client){ _addressOfClient=client;}...//jossain päin missä luetaan putkea_addressOfClient->messageArrived();

15. Mitä taas tuli tehtyä? • Loimme luokan (MessageReader), joka ei itse tee yhtään mitään. • Tämähän on ihan selvä rajapintaluokka! • Ne luokat jotka haluavat tarjota rajapintaluokan määrittelemiä palveluita perivät itsensä rajapintaluokasta MessageReader virtual void messageArrived(CArchive *message) = 0; PipeUser PipeClient *myPipe

16. Rajapintaluokista • Rajapintaluokat ovat yleensä abstrakteja luokkia • Eivät sisällä mitään muuta kuin rajapinnan määrittelyjä • Ei siis jäsenmuuttujia eikä jäsenfunktioiden toteutuksia • Jossain oliokielissä (kuten Java) tällaisille puhtaille rajapinnoille on oma syntaksinsa eikä niitä silloin varsinaisesti laskeata edes luokiksi

17. Abstrakti luokka • Mikä hyvänsä luokka, jossa on yksi tai useampi puhdas virtuaalifunktio, on abstrakti luokka eikä sen tyyppisiä olioita voi käyttää. • Puhdas virtuaalifunktio kertoo luokan käyttäjälle kaksi asiaa: • Luokan tyyppistä oliota ei voida luoda vaan siitä pitää periyttää aliluokkia • Jokainen puhdas virtuaalifunktio pitää korvata uudella funktiolla abstraktista luokasta periytetyssä luokassa

18. Puhdas virtuaalifunktio • Abstrakti luokka tehdään käyttämällä puhtaita virtuaalifunktioita (pure virtual function) • Virtuaalifunktio on puhdas, jos se alustetaan nollalla, esimerkiksi:virtual void Piirra () = 0;

19. Puhtaan virtuaalifunktion ohjelmointi • Yleensä abstraktissa kantaluokassa olevalle puhtaalle virtuaalifunktiolle ei kirjoiteta funktion määrittelyä • Koska luokan tyyppisiä olioita ei voida koskaan luoda, niin ei ole mitään syytä ohjelmoida luokkan mitään toiminnallisuuttakaan. • Abstrakti luokka on siitä periytetyille luokille yhteinen käyttörajapinta • On toki mahdollista tehdä kantaluokkaan puhtaalle virtuaalifunktiolle toteutus • Sitä kutsutaan silloin lapsiluokista käsin. • Esim. se toiminnallisuus, joka on yhteistä kaikille lapsille siirretään kantaluokkaan.

20. Milloin kannattaa käyttää abstrakteja luokkia? • Ei yksiselitteistä vastausta • Päätös tehtävä sen perusteella onko luokan abstraktisuudesta jotain hyötyä • Esimerkki: Eläin-luokka kannattaa olla abstrakti, mutta Koira-luokka ei, jotta ohjelmassa voidaan käyttää koira-olioita • Toisaalta: Jos ohjelmassa simuloidaan kenneliä, koira-luokka kannattaa jättää abstraktista ja periyttää siitä erirotuisia koiria. Käytettävä abstraktiotaso määräytyy sen mukaan, kuinka hienojakoisesti ohjelman luokat pitää erotella toisistaan

21. Muistatko viel?Moniperintä -käyttökohteita • Rajapintojen yhdistäminen. • Halutaan oman luokan toteuttavan useiden eri rajapintojen toiminnallisuus • Luokkien yhdistäminen. • Halutaan esimerkiksi käyttää hyväksi muutamaa yleiskäyttöistä luokkaa oman luokan kehitystyössä. • Luokkien koostaminen valmiista ominaisuuskokoelmista. Esimerkki: • Kaikki lainaamiseen liittyvät toiminnot on kirjoitettu Lainattava-luokkaan. • Vastaavasti kaikki tuotteen myymiseen liittyvät aisat ovat luokassa Myytävät. • Voimme luoda KirjastonKirja –luokan perimällä sen Kirja-kantaluokasta ja maustamalla sen Lainattava-luokasta saaduilla ominaisuuksilla • Voimme yhtä lailla luoda KaupallinenCD-ROM-luokan perimällä sen CD-ROM kantaluokasta ja ottaa käyttöön ominaisuudet Myytävä-luokasta

22. Rajapintaluokat ja moniperiytyminen • Jos abstraktit kantaluokat sisältävät ainoastaan puhtaita virtuaalifunktioita • Moniperiytymisen käytöstä ei aiheudu yleensä ongelmia. • Jos moniperiytymisessä kantaluokat sen sijaan sisältävät myös rajapintojen toteutuksia ja jäsenmuuttujia • Moniperiytyminen aiheuttaa yleensä enemmän ongelmia kuin ratkaisee.

23. Rajapinnoista • Rajapintojen käyttö ja toteutuksen kätkentä on yksi ehkä tärkeimmistä ohjelmistotuotannon perusperiaatteista • Tästä huolimatta sen tärkeyden perustelu uraansa aloittelevalle ohjelmistoammattilaiselle on vaikeaa • Merkityksen tajuaa yleensä itsestäänselvyytenä sen jälkeen, kun on osallistunut tekemään niin isoa ohjelmistoa, ettei sen sisäistä toteutusta pysty kerralla hallitsemaan ja ymmärtämään yksikään ihminen.

24. Komponentteihin jaottelusta • Isoissa ohjelmissa komponenttijako helpottaa huomattavasti kehitystyötä. • Yksittäinen ohjelmoijan ei enää tarvitse jatkuvasti hahmottaa kokonaisuutta • Kehittäjä voi enemmän keskittyä oman komponenttiensa vastuiden toteutukseen.

25. Missä mennään? • Rajapinnoista • Esimerkki • Abstrakti luokka • Puhdas virtuaalinen funktio • Rajapinnan käytöstä • Komponentteihin jaottelusta • Perinnän vaikutus olion luontiin ja tuhoamiseen • Rakentajat ja perintä • Purkajat ja perintä • Perityn luokan eri tyypit • Aliluokan ja kantaluokan suhde • Tyyppimuunnokset • Olioiden sijoitus ja kopiointi • Olioiden kopiointi • Olioiden sijoitus • Yhteenveto • Puhdasoppinen luokka • Kertaus

26. Sä muistatko viel? Rakentajien käyttö perinnän yhteydessä Isäluokan rakentajaa kutsutaan aina!* CPoodle.cpp CPoodle::CPoodle(int x, char y[ ]) : CDog (x,y) { cout << “Tuli muuten tehtyä puudeli" << endl; } Normaalia rakentaja tavaraa Luokkia perittäessä on rakentajien ja purkajien käytössä on paljon huomioitavaa

27. Periytyminen ja rakentajat • Jokainen aliluokan olio koostuu kantaluokkaosasta (tai osista) sekä aliluokan lisäämistä laajennuksista  Aliluokalla on oltava oma rakentajansa. • Mutta miten pitäisi hoitaa kantaluokkien alustus? Mammal int weight giveBirth( ) Land-Mammal int numLegs Dog boolean rabid SheepDog

28. Periytyminen ja rakentajatVastuut • Aliluokan vastuulla on: • Aliluokan mukanaan tuomien uusien jäsenmuuttujien ja muiden tietorakenteiden alustaminen. • Em. vastuita varten aliluokkiin toteutetaan oma(t) rakentaja(t) • Kantaluokan vastuulla on: • Pitää huoli siitä, että aliluokan olion kantaluokkaosa tulee alustetuksei oikein, aivan kun se olisi irrallinen kantaluokan olio • Tämän alustuksen hoitavat aivan normaalit kantaluokan rakentajat

29. Periytyminen ja rakentajatParametrit? • Miten taataan että kaikki rakentajat saavat tarvitsemansa parametrit? • Päivänselvää aliluokalle. Sitä luodessahan kutsutaan aliluokan itse määrittelemiä rakentajia • Kantaluokan parametrien saannin takaamiseksi C++:n tarjoama ratkaisu on, että aliluokan rakentajan alustuslistassa kutsutaan kantaluokan rakentajaa ja välitetään sille tarvittavat parametrit CPoodle.cpp CPoodle::CPoodle(int x, char y[ ]) : CDog (x,y) { cout << “Tuli muuten tehtyä puudeli" << endl; }

30. Entä jos? • Jos aliluokan rakentajan alustuslistassa ei kutsuta mitään kantaluokan rakentajaa: • Kääntäjä kutsuu automaattisesti kantaluokan oletusrakentajaa (joka ei siis tarvitse parametreja) • Tällainen ratkaisu harvemmin johtaa toivottuun tulokseen Muista siis kutsua aliluokan rakentajassa kantaluokan rakentajaa itse!

31. Rakentajien suoritusjärjestys • Huipusta alaspäin • Olio ikäänkuin rakentuu vähitellen laajemmaksi ja laajemmaksi. • Näin taataan se, että aliluokan rakentaja voi jo turvallisesti käyttää kantaluokan jäsenfunktioita.

32. Periytyminen ja purkajat • Alustamisen tapaan myös olion siivoustoimenpiteet vaativat erikoiskohtelua luokan “kerrosrakenteen” vuoksi • Purkajien vastuut jaettu samalla lailla kuin rakentajienkin • Kantaluokan tehtävänä on siivota kantaluokkaolio sellaiseen kuntoon, että se voi rauhassa tuhoutua • Aliluokat puolestaan siivoavat periytymisessä lisätyt laajennusosat tuhoamiskuntoon

33. Purkajien suoritusjärjestys • Purkajia kutsutaan päinvastaisessa järjestyksessä kuin rakentajia • Ensin kutsutaan aliluokan purkajia ja siitä siirrytään perintähierakiassa ylöspäin • Näin varmistetaan se, että aliluokan purkajassa voidaan vielä kutsua kantaluokkien toiminnallisuutta

34. Esimerkki Jotain pahasti pielessä! -Mitä? • Mammal *myMammal; • myMammal = new SheepDog(); • ... • //koodia missä käytetään SheepDog-luokkaa • ... • delete myMammal; Mammal int weight giveBirth( ) Land-Mammal int numLegs Dog boolean rabid SheepDog

35. Esimerkki • Vain kantaluokka tuhoutuu! Kuinka korjata tilanne? • Mammal *myMammal; • myMammal = new SheepDog(); • ... • //koodia missä käytetään SheepDog-luokkaa • ... • delete myMammal; Mammal int weight giveBirth( ) Land-Mammal int numLegs Dog boolean rabid SheepDog

36. Virtuaalipurkaja • Jos luokasta peritään muita luokkia, muista aina määritellä purkaja virtuaaliseksi! • Ei haittaa vaikka purkaja on eri niminen lapsiluokassa.

37. Missä mennään? • Rajapinnoista • Esimerkki • Abstrakti luokka • Puhdas virtuaalinen funktio • Rajapinnan käytöstä • Komponentteihin jaottelusta • Perinnän vaikutus olion luontiin ja tuhoamiseen • Rakentajat ja perintä • Purkajat ja perintä • Perityn luokan eri tyypit • Aliluokan ja kantaluokan suhde • Tyyppimuunnokset • Olioiden sijoitus ja kopiointi • Olioiden kopiointi • Olioiden sijoitus • Yhteenveto • Puhdasoppinen luokka • Kertaus

38. Aliluokan ja kantaluokan suhde • Aliluokka tarjoaa kaikki ne palvelut mitä kantaluokkakin (+ vähän lisää omia ominaisuuksia) • Periytymisessähän vaan lisätään ominaisuuksia • Aliluokkaa voi siis käyttää kantaluokan sijasta missä päin hyvänsä koodia

39. Aliluokan ja kantaluokan suhde • Voidaan siis ajatella, että aliluokan olio on tyypiltään myös kantaluokan olio! • Aliluokan oliot kuuluvat ikään kuin useaan luokaaan: • Aliluokkaan itseensä • Kantaluokkaan • Kantaluokan kantaluokkaan, jne • Tämä is-a suhde tulisi pitää mielessä aina kun periytymistä käytetään! • Jos aliluokka on muuttunut vastuualueeltaan niin paljon, että se ei enää ole kantaluokan mukainen, periytymistä on ilmeisesti käytetty väärin

40. Aliluokan ja kantaluokan suhde • C++:ssa aliluokan olio kelpaa kaikkialle minne kantaluokan oliokin. • Kantaluokan osoittimen tai viitteen voi laittaa osoittamaan myös aliluokan olioon: class Kantaluokka {…}; class Aliluokka : public Kantaluokka {…}; void funktio (Kantaluokka& kantaolio); Kantaluokka *k_p =0; Aliluokka aliolio; k_p = &aliolio; funktio(aliolio);

41. Olion tyypin ajonaikainen tarkastaminen • Kantaluokkaosoittimen päässä olevalle oliolle voi kutsua vain kantaluokan rajapinnassa olevia funktioita • Ei auta vaikka osoittimen päässä todellisuudessa olisikin aliluokan olio. • Normaalisti kantaluokan rajapinnan käyttö onkin aivan riittävää • Joskus tulee kuitenkin tarve päästä käsiksi aliluokan rajanpintaan.

42. Olion tyypin ajonaikainen tarkastaminen • Jos aliluokan olio on kantaluokkaosoittimen päässä ei aliluokan rajapinta ole siis näkyvissä • Ainoa vaihtoehto on luoda uusi osoitin aliluokkaan ja laittaa se osoittamaan kantaluokkaosoittimen päässä olevaan olioon

43. Tyyppimuunnokset (type cast) • Tyyppimuunnos on operaatio, jota ohjelmoinnissa tarvitaan, kun käsiteltävä tieto ei ole jotain operaatiota varten oikean tyyppistä • Tyyppimuunnos on terminä hieman harhaanjohtava • tyyppiä ei oikeastaan muuteta vaan luodaan pikemminkin uusi arvo haluttua tyyppiä, joka vastaa vanhaa arvoa • Tyyppimuunnos muistuttaa tässä suhteessa suuresti kopiointia. Erona on vaan se, että uusi ja vanha olio on kopioinnista poiketen eri tyyppiä

44. C++ tyyppimuunnosoperaattorit • Vanha C-kielinen tyyppimuunnos:(uusiTyyppi)vanhaArvo • sulkujen sijainti hieman epälooginen • C++ kielessä mahdollista myös: uusiTyyppi(vanhaArvo)

45. Ongelmia tyyppimuunnosten kanssa • Tyyppimuunnoksia voidaan käyttää suorittamaan kaikenlaisia muunnoksia. Esim: • kokonasiluvuista liukuluvuiksi • olio-osoittimista kokonaisluvuiksi • Kaikki tyyppimuunnokset eivät ole järkeviä! • Kääntäjä ei tarkista tyyppimuunnosten järkevyyttä • Kääntäjä luottaa täysin ohjelmoijan omaan harkintaan • Tyyppimuunnoksiin jää helposti kirjoitusvirheitä • Tyyppimuunnosvirheitä on vaikea löytää

46. Parannellut tyyppimuunnosoperaattorit • Parannellut tyyppimuunnosoperaattorit ovat: • static_cast<uusiTyyppi>(vanhaArvo) • const_cast<uusiTyyppi>(vanhaArvo) • dynamic_cast<uusiTyyppi>(vanhaArvo) • reinterpret_cast<uusiTyyppi>(vanhaArvo) • Yhteensopivia mallien käyttämän syntaksin kanssa (malleista puhutaan myöhemmin) • Kukin operaattoreista on tarkoitettu vain tietynlaisen mielekkään muunnoksen tekemiseen • kääntäjä antaa virheilmoituksen jos niitä yritetään käyttää väärin. • Vanhat tavat tehdä tyyppimuunnokset ovat yhteensopivuuden takia edelleen käytettävissä • vältä niiden käyttöä ja suosi uusia operaattoreita

47. static_cast • Suorittaa tyyppimuunnoksia, joiden mielekkyydestä kääntäjä voi varmistua jo käännösaikana. • Esimerkkejä: • muunnokset eri kokonaislukutyyppien välillä • muunnokset enum-luettelotyypeistä kokonaisluvuiksi ja takaisin • muunnokset kokonaislukutyyppien ja likulukutyyppien välillä • Käyttöesimerkki. Lasketaan kahden kokonaisluvun keskiarvo liukulukuna:double ka = (static_cast<double>(i1) + static_cast<double>(i2))/ 2.0;

48. static_cast • static_cast ei suostu suorittamaan sellaisia muunnoksia, jotka ei ole mielekkäitä. Esimerkki:Paivays* pvmp = new Paivays();int* ip = static_cast<int*>(pvmp); //KÄÄNNÖSVIRHE! • static_cast:ia voidaan käyttää myös osoittimen tyyppimuutokseen • muunnoksen mielekkyyttä ei tällaisessa tapauksessa testata ajon aikana • Pitää olla itse varma, että kantaluokkaosoittimen päässä on varmasti aliluokan olio • dynamic_cast:n käytto olisi turvallisempaa! • static_cast on nopeampi kuin dynamic_cast

49. const_cast • joskus const-sanan käyttö tuo ongelmia • const_cast tarjoaa mahdollisuuden poistaa const-sanan vaikutuksen • voi tehdä vakio-osoittimesta ja –viitteestä ei-vakio-osoittimen tai –viitteen • const_cast-muunnoksen käyttö rikkoo C++ “vakiota ei voi muuttaa” periaatetta vastaan. • sen käyttö osoittaa että jokin osa ohjelmasta on suunniteltu huonosti • Pyri pikemminkin korjaamaan varsinainen ongelma kuin käyttämään const_cast:ia

50. dynamic_cast • Muunnos kantaluokkaosoittimesta aliluokkaosoittimeksi onnistuuu tyyppimuunnoksella:dynamic_cast<Aliluokka*>(kluokkaosoitin) • Muunnoksen toiminta on kaksivaiheinen: • Ensin tarkastetaan, että kantaluokkaosoittimen päässä oleva olio todella on aliluokan olio. • Jos kantaluokkaosoittimen päässä on väärän tyyppinen olio, palautetaan tyhjä osoitin 0. • Jos kantaluokkaosoittimen päässä on okean tyyppinen olio, palautetaan kyseiseen olioon osoittava aliluokkaosoitin.