程序设计

程序设计 翁惠玉 Email: hyweng@sjtu.edu.cn weng-hy@cs.sjtu.edu.cn

教材参考教材 • C++程序设计思想与方法人民邮电出版社翁惠玉 • C++ Primer（第4版）人民邮电出版社 • C++大学教程（第5版）电子工业出版社

第10章创建功能更强的类型 • 从面向过程到面向对象 • 类的定义 • 对象的使用 • 对象的构造与析构 • 常量对象与const成员函数 • 常量数据成员 • 静态数据成员与静态成员函数 • 友元

从面向过程到面向对象 • 抽象的过程 • 面向对象的程序设计的特点 • 库和类

抽象的过程 • 计算机的工作是建立在抽象的基础上。 • 机器语言和汇编语言是对机器硬件的抽象 • 高级语言是对汇编语言和机器语言的抽象 • 现有抽象的问题： • 要求程序员按计算机的结构去思考，而不是按要解决的问题的结构去思考。 • 当程序员要解决一个问题时，必须要在机器模型和实际要解决的问题模型之间建立联系。 • 而计算机的结构本质上还是为了支持计算，当要解决一些非计算问题时，这个联系的建立是很困难的

面向对象的程序设计 • 为程序员提供了创建工具的功能 • 解决一个问题时 • 程序员首先考虑的是需要哪些工具 • 创建这些工具 • 用这些工具解决问题 • 工具就是所谓的对象 • 现有的高级语言提供的工具都是数值计算的工具

过程化vs面向对象 以计算圆的面积和周长的问题为例 • 过程化的设计方法：从功能和过程着手 • 输入圆的半径或直径 • 利用S=πr2和C=2πr计算面积和周长 • 输出计算结果 • 面向对象的程序设计方法： • 需要什么工具。如果计算机能提供给我们一个称为圆的工具，它可以以某种方式保存一个圆，告诉我们有关这个圆的一些特性，如它的半径、直径、面积和周长。 • 定义一个圆类型的变量，以他提供的方式将一个圆保存在该变量中，然后让这个变量告诉我们这个圆的面积和周长是多少

面向对象的程序设计的特点 • 代码重用：圆类型也可以被那些也需要处理圆的其他程序员使用 • 实现隐藏： • 类的创建者创造新的工具 • 类的使用者则收集已有的工具快速解决所需解决的问题 • 这些工具是如何实现的，类的使用者不需要知道

人教师学生教辅高级中级初级本科硕士博士实验室行政面向对象的程序设计的特点 • 继承：在已有工具的基础上加以扩展，形成一个功能更强的工具。如在学校管理系统中，可以形成如下的继承关系

面向对象的程序设计的特点 • 多态性： • 当处理层次结构的类型时，程序员往往想把各个层次的对象都看成是基类成员。 • 如需要对教师进行考核，不必管他是什么职称，只要向所有教师发一个考核指令。每位教师自会按照自己的类型作出相应的处理。如高级职称的教师会按高级职称的标准进行考核，初级职称的教师会按初级职称的标准进行考核。 • 好处：程序代码就可以不受新增类型的影响。如增加一个院士的类型，它也是教师类的一个子类，整个程序不用修改，但功能得到了扩展。

库和类 • 类是更合理的库 • 例：设计一个库，提供动态实型数组服务，该数组满足两个要求： • 可以任意指定下标范围； • 下标范围可在运行时确定； • 使用下标变量时会检查下标的越界。

库的设计 • 数组的保存 • 数组需要一块保存数组元素的空间。这块空间需要在执行时动态分配。 • 数组的下标可以由用户指定范围。因此，对每个数组还需要保存下标的上下界。 • 保存这个数组的三个部分是一个有机的整体，因此可以用一个结构体把它们封装在一起。 • 数组操作 • 给数组分配空间 • 给数组元素赋值 • 取某一个数组元素的值 • 由于这个数组的存储空间是动态分配的，因此，还必须有一个函数去释放空间

Array库的头文件 #ifndef _array_h #define _array_h //可指定下标范围的数组的存储 struct DoubleArray { int low; int high; double *storage; };

//根据low和high为数组分配空间 bool initialize(DoubleArray &arr, int low, int high); //设置数组元素的值 bool insert(const DoubleArray &arr, int index, double value); //取数组元素的值 bool fatch(const DoubleArray &arr, int index, double &value); //回收数组空间 void cleanup(const DoubleArray &arr); #endif

Array库的实现文件 #include "array.h" #include <iostream> using namespace std; bool initialize(DoubleArray &arr, int low, int high) { arr.low = low; arr.high = high; arr.storage = new double [high - low + 1]; if (arr.storage == NULL) return false; else return true; }

bool insert(const DoubleArray &arr, int index, double value) { if (index < arr.low || index > arr.high) return false; arr.storage[index - arr.low] = value; return true; } bool fatch(const DoubleArray &arr, int index, double &value) { if (index < arr.low || index > arr.high) return false; value = arr.storage[index - arr.low] ; return true; } void cleanup(const DoubleArray &arr) { delete [] arr.storage; }

Array库的应用 #include <iostream> using namespace std; #include "array.h" int main() { DoubleArray array; double value; int low, high, i; cout << "请输入数组的下标范围："; cin >> low >> high; if (!initialize(array, low, high)) { cout << "空间分配失败" ; return 1; }

for (i = low; i <= high; ++i) { cout << "请输入第" << i << "个元素："; cin >> value; insert(array, i, value); } while (true) { cout << "请输入要查找的元素序号（0表示结束）："; cin >> i; if (i == 0) break; if (fatch(array, i, value)) cout << value << endl; else cout << "下标越界\n"; } cleanup(array); return 0; }

Array库的问题 • 这个数组的使用相当笨拙。每次调用和数组有关的函数时，都要传递一个结构体给它。 • 我们可能在一个程序中用到很多库，每个库都可能需要做初始化和清除工作。库的设计者都可能觉得initialize和cleanup是比较合适的名字，因而都写了这两个函数。 • 系统内置的数组在数组定义时就指定了元素个数，系统自动会根据元素个数为数组准备存储空间。而我们这个数组的下标范围要用initialize函数来指定，比内置数组多了一个操作。 • 当数组使用结束后，还需要库的用户显式地归还空间。 • 对数组元素的操作不能直接用下标变量的形式表示。

Array库的改进 • 将函数放入结构体 • 好处： • 函数原型中的第一个参数不再需要。编译器自然知道函数体中涉及到的low, high和storage是同一结构体变量中的成员 • 函数名冲突的问题也得到了解决。现在函数名是从属于某一结构体，从属于不同结构体的同名函数是不会冲突的。

改进后的Array库的头文件 #ifndef _array_h #define _array_h struct DoubleArray{ int low; int high; double *storage; bool initialize(int lh, int rh); bool insert(int index, double value); bool fatch(int index, double &value); void cleanup(); }; #endif 函数都瘦身了！

改进后的Array库的实现文件 • 与原来的实现有一个变化：函数名前要加限定 bool IntArray::initialize(int lh, int rh) {low = lh; high = rh; storage = new double [high - low + 1]; if (storage == NULL) return false; else return true; }

改进后的Array库的应用 • 函数的调用方法不同。就如引用结构体的成员一样，要用点运算符引用这些函数

#include <iostream> using namespace std; #include "array.h“ int main() { DoubleArray array; double value; int low, high, i; cout << "请输入数组的下标范围："; cin >> low >> high; if (!array.initialize(low, high)) { cout << "空间分配失败" ; return 1;}

for (i = low; i <= high; ++i) { cout << "请输入第" << i << "个元素:"; cin >> value; array.insert(i, value); } while (true) { //数组元素的查找 cout << "请输入要查找的元素序号(0表示结束）:"; cin >> i; if (i == 0) break; if (array.fatch(i, value)) cout << value << endl; else cout << "下标越界\n"; } array.cleanup(); return 0; }

将函数放入结构体的意义 • 将函数放入结构体是从C到C++的根本改变 • 在C中，结构体只是将一组相关的数据捆绑了起来，它除了使程序逻辑更加清晰之外，对解决问题没有任何帮助。 • 将处理这组数据的函数也加入到结构体中，结构体就有了全新的功能。它既能描述属性，也能描述对属性的操作。事实上，它就成为了和内置类型一样的一种全新的数据类型。 • 为了表示这是一种全新的概念，C++用了一个新的名称 — 类来表示。

类定义的一般格式 • class 类名 { [private:] 私有数据成员和成员函数 public: 公有数据成员和成员函数 }；

公有和私有成员 • 私有成员(private)：只能由类的成员函数调用 • 公有成员(public)：类的用户可以调用的信息，是类对外的接口 • 私有成员被封装在一个类中，类的用户是看不见的

DoubleArray类的定义 class DoubleArray { private: int low; int high; double *storage; public: bool initialize(int lh, int rh); bool insert(int index, double value); bool fatch(int index, double &value); void cleanup(); };

类定义说明 • private 和public的出现次序可以是任意的。也可以反复出现多次。 • 成员还可以被说明为protected • 数据成员一般说明为private，需要被用户调用的函数说明为public

接口和实现分开 • 与库设计一样，类的定义写在接口文件中，成员函数的实现写在实现文件中。 • 某些简单的成员函数的定义可以直接写在类定义中。 • 在类定义中定义的成员函数被认为是内联函数。

类定义实例 • 试定义一个有理数类，该类能提供有理数的加和乘运算。要求保存的有理数是最简形式。如2/6应记录为1/3。

设计考虑 • 保存有理数：保存一个有理数就是保存两个整数。 • 有理数类的操作： • 加函数 • 乘函数 • 创建有理数的函数，用以设置有理数的分子和分母 • 输出有理数函数 • 化简函数 • 访问权限设计： • 数据成员是私有的 • 化简函数是内部调用的函数，与用户无关，因此也是私有的 • 其他函数都是公有的

有理数类的定义 #ifndef _rational_h #define _rational_h #include <iostream> using namespace std; class Rational { private: int num; int den; void ReductFraction(); //将有理数化简成最简形式 public: void create(int n, int d) { num = n; den = d;} void add(const Rational &r1, const Rational &r2); void multi(const Rational &r1, const Rational &r2); void display() { cout << num << '/' << den;} }; #endif

有理数类的实现 #include "Rational.h“ //add函数将r1和r2相加，结果存于当前对象 void Rational::add(const Rational &r1, const Rational &r2) { num = r1.num * r2.den + r2.num * r1.den; den = r1.den * r2.den; ReductFraction(); }

void Rational::multi(const Rational &r1, const Rational &r2) { num = r1.num * r2.num; den = r1.den * r2.den; ReductFraction(); } // ReductFraction实现有理数的化简 void Rational::ReductFraction() {int tmp = (num > den) ? den : num; for (; tmp > 1; --tmp) if (num % tmp == 0 && den % tmp ==0) {num /= tmp; den /= tmp; break;} }

对象的定义 • 类与对象的关系：类型与变量的关系 • 对象定义方法： • 直接在程序中定义某个类的对象存储类别类名对象列表；如定义两个IntArray类的对象arr1和arr2，可写成：IntArray arr1, arr2; • 用动态内存申请的方法申请一个动态对象。 Rational *rp; Rp = new Rational; rp = new Rational[20]; delete Rp；或　delete ［］rp；

对象的引用 • 对象名.数据成员名或对象指针->数据成员名 arr1.storage 或 rp->num • 对象名.成员函数名（实际参数表）或对象指针->成员函数名（实际参数表） arr1.insert() 或 rp->add() • 外部函数不能引用对象的私有成员

有理数类的使用 计算两个有理数的和与积 #include <iostream> using namespace std; #include "Rational.h" //使用有理数类 int main() { int n, d; Rational r1, r2, r3; //定义三个有理数类的对象

cout << "请输入第一个有理数（分子和分母）："; cin >> n >> d; r1.create(n,d); cout << "请输入第二个有理数（分子和分母）："; cin >> n >> d; r2.create(n,d); r3.add(r1, r2); //执行r3=r1+r2 r1.display(); cout << " + "; r2.display(); cout << " = "; r3.display(); cout << endl; r3.multi(r1, r2); //执行r3=r1*r2 r1.display(); cout << " * "; r2.display(); cout << " = "; r3.display(); cout << endl; return 0; }

执行实例 请输入第一个有理数（分子和分母）：1 6 请输入第二个有理数（分子和分母）：1 6 1 / 6 + 1 / 6 = 1 / 3 1 / 6 ＊1 / 6 = 1 / 36

对象赋值语句 • 同类型的对象之间可以互相赋值，如两个有理数对象r1和r2，可以执行 r1 = r2; • 当一个对象赋值给另一个对象时，所有的数据成员都会逐位拷贝。上述赋值相当于执行 r1.num = r2.num r1.den = r2.den

this指针 • 当定义一个对象时，系统会为对象分配空间，用于存储对象的数据成员。而类中的成员函数对该类的所有对象只有一份拷贝。那么对于类的成员函数，它如何知道要对哪个对象进行操作呢？ • 每个成员函数都有一个隐藏的指向本类型的指针形参this，它指向当前调用成员函数的对象 • 如对函数 void create(int n, int d) { num = n; den = d;} 经过编译后，实际函数为 void create(int n, int d) { this->num = n; this->den = d;}

this指针 • 通常，在写成员函数时可以省略this，编译时会自动加上它们。 • 如果在成员函数中要把对象作为整体来访问时，必须显式地使用this指针。这种情况常出现在函数中返回一个对调用函数的对象的引用，

对象的构造与析构 • 某些类的对象，必须在对它进行了初始化以后才能使用。 • 对于某些类的对象在消亡前，往往也需要执行一些操作，做一些善后的处理。 • 初始化和扫尾的工作给类的用户带来了额外的负担，使他们觉得类和内置类型还是不一样。 • 用户希望使用类的对象就和使用内置类型的变量一样，一旦定义了，就能直接使用。用完了，由系统自动回收。

程序设计

程序设计

Presentation Transcript