前回の隠蔽化の話を受け、実際のプログラムの例を課題に説明。 複素数クラスを(実部,虚部)で実装した後に、(絶対値,偏角)に直したら…

基本プログラム(実部と虚部)

複素数を扱うクラスを作るのであれば、基本的には以下の様なコードとなるだろう。 複素数どうしの簡単な加算・乗算を記載する。

class Complex {
private:
   double re , im ;
public:
   Complex( double x , double y ) {
      re = x ;
      im = y ;
   }
   // 上記コンストラクタは、以下のようにも書ける。
   // Complex( double x , double y )
   // :   re( x ) , im( y )
   // { メンバ以外の初期化... }
   void print() {
      printf( "%lf+j%lf¥n" , re , im ) ;
   }
   void add( Complex &z ) {
      re = re + z.re ;
      im = im + z.im ;
   }
   void mul( Complex &z ) {
      double x = re * z.re - im * z.im ;
      double y = re * z.im + im * z.re ;
      re = x ;
      im = y ;
   }
} ;
int main() {
   Complex a( 1 , 2 ) ;
   Complex b( 2 , 3 ) ;
   a.add( b ) ;
   a.print() ;
   a.mul( b ) ;
   a.print() ;
   return 0 ;
}

Complexクラス内部をリファクタリング

しかし、前述プログラムでは、mul()メソッドは、add()メソッドよりは、 複雑なものとなっている。 しかし、複素数の乗算は、(絶対値と偏角)を用いれば、絶対値の乗算・偏角の加算で 処理は簡単に記述できる。そこで、クラス内部を乗算と偏角で処理をするように変更してみる。

class Complex {
private:
   double r , th ;
public:
   Complex( double x , double y ) {
      r = sqrt( x*x + y*y ) ;
      th = atan2( y , x ) ; // atan2は象限を考慮してくれる
   }
   void print() {
      printf( "%lf ∠ %lf¥n" , r , th / 3.141592 * 180.0 ) ;
   }
   void add( Complex &z ) {
      // ここは面倒な式になっちゃう
   }
   void mul( Complex &z ) {
      r  = r  * z.r ;
      th = th + z.th ;
   }
} ;
int main() {
   Complex a( 1 , 2 ) ;
   Complex b( 2 , 3 ) ;
   a.add( b ) ;
   a.print() ;
   a.mul( b ) ;
   a.print() ;
   return 0 ;
}

ここで重要なポイントは、2つめの絶対値∠偏角のプログラムの呼び出し側 main() は、 1つめのプログラムとまるっきり同じである。

このように、オブジェクト指向の隠蔽化を行っていれば、当初のクラス設計が悪くて後で変更 したくなった場合、利用者側からの見た目の動作を変更せずに、内部のデータ構造や処理メソッドを 変更が可能となる。 このように、利用者側からの見た目を変更せずに処理の内部を変更すること、 リファクタリング と呼ぶ。これにより、プログラムの不備や問題点があっても、積極的にプログラムを 改良できることから、不備の少ない安全なプログラムを作れるようになる。

隠蔽化の課題

以上の2つのプログラムで複素数の計算メソッド、加算(add),除算(sub),乗算(mul),除算(div)…その他を (実部,虚部)、(絶対値,偏角)で記載し、適切に記述をすれば、呼び出し側main()を まるっきり同じものにできることを通して、隠蔽化についてレポートにまとめよ。

レポートでは、以下の点を記載すること。(レポートは、本科中間試験の頃までに提出が望ましい)

• 2つの方式でのプログラム例
• 上記プログラムに対する説明
• 上記プログラムが正しく動作していたことが判る結果
• この課題から判る考察

前回の構造体の説明から、ポインタ渡しの説明を行った後、同様のプログラムをC++で書き換えることで、classやメソッドなどの説明を行う。

構造体でオブジェクト指向もどき

例えば、名前と電話番号の構造体で処理を記述する場合、 以下の様な記載を行うことで、データ設計者とデータ実装者で分けて 仕事ができることを説明。

struct Person {
   char name[10] ;
   int  phone ;
} ;
void readPerson( struct Person* p ) {
   // ポインタの参照で表記
   scanf("%s%d" ,
   (*p).name , &(*p).phone ) ;
}
void printPerson( struct Person* p ) {
   // アロー演算子で表記
   printf( "%s %d¥n" ,
   p->name , p->phone ) ;
}
void main() {
   struct Person table[ 10 ] ;
   for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
      readPerson( &table[i] ) ;
      printPerson( &table[i] ) ;
   }
}

このプログラムの書き方では、mainの中を読むだけもで、 データ入力とデータ出力を行うことはある程度理解できる。 この時、データ構造の中身を知らなくてもプログラムが理解でき、 データ実装者はプログラムを記述できる。これをデータ構造の隠蔽化という。 一方、readPerson()や、printPerson()という関数の中身についても、 入力・出力の方法をどうするのか知らなくても、 関数名から動作は推測できプログラムも書ける。 これを手続きの隠蔽化という。

C++のクラスで表現

上記のプログラムをそのままC++に書き直すと以下のようになる。

class Person {
private: // クラス外からアクセスできない部分
   char name[10] ; // メンバーの宣言
   int  phone ;
public: // クラス外から使える部分
   void read() { // メソッドの宣言
      // pのように対象のオブジェクトを明記する必要はない。
      scanf( "%s%d" , name , &phone ) ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d¥n" , name , phone ) ;
   }
} ;
void main() {
   Person table[ 10 ] ;
   for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
      table[i].read() ;  // メソッドの呼び出し
      table[i].print() ;  // オブジェクト.メソッド()
   }
   // 文法エラーの例
   printf( "%d¥n" , table[0].phone ) ;
   // phoneはprivateなので参照できない。
}

用語の解説：C++のプログラムでは、データ構造とデータの処理を、並行しながら記述する。 データ構造に対する処理は、メソッド(method)と呼ばれる。 データ構造とメソッドを同時に記載したものは、クラス(class)と呼ぶ。 そのclassに対し、具体的な値や記憶域が割り当てられたものをオブジェクト(object)と呼ぶ。

コンストラクタとデストラクタ

プログラムを記述する場合、そのデータ構造を使うにあたり、 初期値が代入を忘れその値を参照すると、予想外の動きの原因となってしまうことが多い。

そこでオブジェクト指向では、データ構造の初期化手続き(同様に処理が終わった後の事後手続き)を 明確に記載するための初期化のコンストラクタ(と事後処理はデストラクタ)の文法がある。

class Person {
private:
   char name[10] ;
   int  phone ;
public:
   Person( char s[] , int tel ) { // コンストラクタ
      strcpy( name , s ) ;
      phone = tel ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d¥n" , name , phone ) ;
   }
} ;
void main() {
   // オブジェクト宣言とコンストラクタでの初期化
   Person saitoh( "tsaitoh" , 272925 ) ;
   saitoh.print() ;
}

コンストラクタを宣言する場合には、返り値無しのクラス名を関数名として記述する。 デストラクタを宣言する場合には、先頭に「~」をつけたクラス名で無引数で記述する。 簡単な例として、文字列をヒープ領域に保存する処理を示す。

// デストラクタが便利な例
class String {
private:
   char* str ;
public:
   // コンストラクタ
   String( char*s ) {
      // ヒープメモリ上に文字列を確保
      str = (char*)malloc( strlen( s ) + 1 ) ;
      strcpy( str , s ) ;
   }
   // デストラクタ
   ~String() {
      free( str ) ; // freeしないとメモリーリークになる。
   }
   void print() {
      printf( "%s" , str ) ;
   }
} ;
void main() {
   String s( "abcdefg" ) ;
   s.print() ;
}  // mainを抜ける段階でsは不要となる。
// ここで自動的にデストラクタ呼び出し~String()をしてくれる。