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UMLと構造図

前回の説明のUMLのできたころの話を踏まえ、UMLの中のプログラムの構造図の説明を行う。

UML(Unified Modeling Language)記法が生まれるまで

巨大なプロジェクトでプログラムを作る場合、対象となるシステムを概念として表現する場合、オブジェクト指向分析(OOA: Object Oriented Analysis)オブジェクト指向設計(OOD: Object Oriented Design)とよばれるソフトウェア開発方法が重要となる。(総称して OOAD – Object Oriented Analysis and Design)

これらの開発方法をとる場合、(1)自分自身で考えを整理したり(2)グループで設計を検討したり(3)ユーザに仕様を説明したりといった作業が行われる。この時に、自分自身あるいはチームメンバーあるいはクライアントに直感的に図を用いて説明する。この時の図の書き方を標準化したものが UML であり、(a)処理の流れを説明するための振る舞い図(以前であればフローチャートやPAD)と、(b)データ構造を説明するための構造図を用いる。

UMLは、ランボーによるOMT(Object Modeling Technique どちらかというとOOA中心)と、 ヤコブソンによるオブジェクト指向ソフトウェア工学(OOSE)を元に1990年頃に 発生し、ブーチBooch法(どちらかというとOOD中心)の考えをまとめ、 UML(Unified Modeling Language)としてでてきた。

UMLでよく使われる図を列記すると、以下の物が挙げられる。

  • 構造図
    • クラス図
    • コンポーネント図
    • 配置図
    • オブジェクト図
    • パッケージ図
  • 振る舞い図
    • アクティビティ図
    • ユースケース図
    • ステートチャート図(状態遷移図)
    • 相互作用図
    • シーケンス図
    • コミュニケーション図(コラボレーション図)

UMLを正しく使うことができるようになれば、UMLで仕様書を書けばそれがそのままプログラムになることが理想的な姿かもしれない。ソフトウェア開発やソフトウェアの保守にソフトウェアツールを利用することは、CASE(Computer Aided Software Engineering)と呼ばれ、そのようなツールをCASEツールと呼ぶ。地元福井の永和システムマネジメントでは、astar* というCASEツールを開発している。


UMLの構造図の書き方の説明。 詳しくは、参考ページのUML入門などが、分かりやすい。

クラス図

クラス図は、構造図の中の基本的な図で、 枠の中に、上段:クラス名、中段:属性(要素)、下段:メソッド(関数)を記載する。 属性やメソッドの可視性を示す場合は、”-“:private、”+”:public、”#”:protected 可視性に応じて、”+-#”などを記載する。

関連

クラスが他のクラスと関係がある場合には、その関係の意味に応じて、直線や矢印で結ぶ。
(a)関連(association):単純に関係がある場合、
(b)集約(aggregation):部品として持つが、弱い結びつき。関係先が消滅しても別に存在可能。(has-a)
(c)コンポジション(composition):部品として持つが強い結びつき。関係先と一緒に消滅。(has-a)
(d)依存(dependency):依存関係にあるだけ
(e)派生(generalization):派生・継承した関係(is-a)
(f)実現(realization): Javaでのinterfaceによる多重継承

上図の例では、乗り物クラスVehicleから自動車Carが派生し(CarからVehicleへの三角矢印―▷)、 自動車は、エンジン(Engine)を部品として持つ(EngineからCarへのひし形矢印―◆)。エンジンは車体と一緒に廃棄なら、コンポジション(C++であれば部品の実体を持つ)で実装する。

自動車は、同じく車輪(Wheel)を4つ持つが、自動車を廃棄してもタイヤは別に使うかもしれないので、集約(部品への参照を持つ)で実装する(WheelからCarへのひし形矢印―◇)。 集約で実装する場合は、C++などであれば、ポインタで部品を持ち、部品の廃棄(delete)は、別に行うことになる。

Javaなどのプログラム言語では、オブジェクトはデータの実体へのポインタで扱われるため、コンポジションと集約を区別して表現することは少ない。

is-a 、has-a の関係

前の課題でのカモノハシクラスで、羽や足の情報をどう扱うべきかで、悩んだ場合と同じように、 クラスの設計を行う場合には、部品として持つのか、継承として機能を持つのか悩む場合がある。 この場合には、“is-a”の関係“has-a”の関係で考えると、部品なのか継承なのか判断しやすい。

たとえば、上の乗り物(Vehicle)クラスと、車(Car)のクラスは、”Car is-a Vehicle” といえるので、is-a の関係。 “Car is-a Engine”と表現すると、おかしいことが判る。 車(Car)とエンジン(Engine)のクラスは、”Car has-a Engine”といえるので、has-a の関係となる。 このことから、CarはVehicleからの派生であり、Carの属性としてEngineを部品として持つ設計となる。

オブジェクト図

クラス図だけで表現すると、複雑なクラス関係では、イメージが分かりづらい場合がでてくる。 この場合、具体的な値を図に書き込んだオブジェクトで表現すると、説明がしやすい場合がある。 このように具体的な値で記述するクラス図は、オブジェクト図と言う。 書き方としては、クラス名の下に下線を引き、中段の属性の所には具体的な値を書き込んで示す。

パッケージ図

パッケージ図は、クラス図をパッケージ毎に分類して記載する図。 パッケージのグループを、フォルダのような図で記載する。


IT専科から引用

コンポーネント図とコンポジット構造図

コンポジット構造図は、クラスやコンポーネントの内部構造を示すもので、コンポーネント図は、複数のクラスで構成される処理に、 インタフェースを用意し、あたかも1つのクラスのように扱ったもの。 接続するインタフェースを飴玉と飴玉を受けるクチのイメージで、提供側を◯───で表し、要求側を⊃──で表す。


IT専科から引用

配置図

配置図は、システムのハードウェア構成や通信経路などを表現するための図。 ハードウェアは直方体の絵で表現し、 デバイスの説明は、”≪device≫”などを示し、実行環境には、”≪executionEnvironment≫” などの目印で表現する。


IT専科から引用

多重継承の問題

派生や継承について、一通りの説明が終わったので、最後に特殊な継承の問題を説明する。

動物・鳥類・哺乳類クラス

派生継承を使うと、親子関係のあるデータ構造をうまく表現できることを、ここまでの授業で示してきた。

しかしながら、以下に述べるような例では、問題が発生する。

// 動物クラス
class Animal {
private:
  char name[ 10 ] ;
public:
  Animal( const char s[] ) {
    strcpy( name , s ) ;
  }
  const char* get_name() const { return name ; }
  virtual void move() = 0 ;
  virtual void birth() = 0 ;
} ;

// 鳥類クラス
class Bird : public Animal {
public:
  Bird( const char s[] ) : Animal( s ) {}
  virtual void move() {
    printf( "%s fry.\n" , get_name() ) ;
  }
  virtual void birth() {
    printf( "%s lay egg.\n" , get_name() ) ;
  }
} ;

// 哺乳類クラス
class Mammal : public Animal {
public:
  Mammal( const char s[] ) : Animal( s ) {}
  virtual void move() {
    printf( "%s walk.\n" , get_name() ) ;
  }
  virtual void birth() {
    printf( "%s lay baby.\n" , get_name() ) ;
  }
} ;

int main() {
  Bird chiken( "piyo" ) ;
  chiken.move() ;
  chiken.birth() ;
  Mammal cat( "tama" ) ;
  cat.move() ;
  cat.birth() ;
  return 0 ;
}

ここで、カモノハシを作るのであれば、どうすれば良いだろうか?

鳥類・哺乳類とは別にカモノハシを作る

class SeaBream : public Animal {
public:
  Mammal( const char s[] ) : Animal( s ) {}
  virtual void move() {
    printf( "%s walk.\n" , get_name() ) ;
  }
  virtual void birth() {
    printf( "%s lay egg.\n" , get_name() ) ;
  }
} ;

この例では、簡単な処理だが、move() の中身が複雑であれば、改めて move() を宣言するのではなく、継承するだけの書き方ができないだろうか?

多重継承

C++ には、複数のクラスから、派生する多重継承という機能がある。であれば、鳥類と哺乳類から進化したのだから、以下のように書きたい。

class SeaBream : public Bird , Mammal {
   //
} ;

しかし、カモノハシに move() を呼び出すと、鳥類の move() と哺乳類の move() のどちらを動かすか曖昧になる。

しかし一番の問題は、派生クラスは親クラスのデータ領域と、派生クラスのデータ領域を持つため、鳥類の name[] と、哺乳類の name[] を二つ持つことになる。

足と羽のクラスを作る場合(本来は継承で実装すべきではない)

class Animal {
private:
  char name[ 10 ] ;
public:
  Animal( const char s[] ) {
    strcpy( name , s ) ;
  }
  const char* get_name() const { return name ; }
  virtual void move() = 0 ;
} ;
// 羽
class Wing {
public:
   const char* move_method() { return "fly" ; }
} ;
// 
class Leg {
public:
   const char* move_method() { return "walk" ; }
} ;
class Bird : public Animal , Wind {
public:
  Bird( const char s[] ) : Animal( s ) {}
  virtual void move() {
    printf( "%s %s.\n" , get_name() , move_method() ) ;
  }
} ;
class Mammal : public Animal , Leg {
public:
  Mammal( const char s[] ) : Animal( s ) {}
  virtual void move() {
    printf( "%s %s.\n" , get_name() , move_method() ) ;
  }
} ;

ただし、ここで述べた方式は、UML による設計の際に改めて説明を行うが、is-a , has-a の関係でいうなら、

  • Bird is a Animal.
  • Bird has a Wing.

であることから、Wing は 継承で実装するのではなく、集約もしくはコンポジションのような部品として実装すべきである。

C++では、以下のような方法で、ダイヤモンド型の継承問題を解決できる。

class Animal {
private:
   char name[ 10 ] ;
public:
   Animal( const char s[] ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   const char* get_name() const { return name ; }
   virtual void move() = 0 ;
   virtual void birth() = 0 ;
} ;

// 鳥類クラス
class Bird : public virtual Animal {
public:
   Bird( const char s[] ) : Animal( s ) {}
   virtual void move() {
      printf( "%s fry.\n" , get_name() ) ;
   }
   virtual void birth() {
      printf( "%s lay egg.\n" , get_name() ) ;
   }
} ;

// 哺乳類クラス
class Mammal : public virtual Animal {
public:
   Mammal( const char s[] ) : Animal( s ) {}
   virtual void move() {
      printf( "%s walk.\n" , get_name() ) ;
   }
   virtual void birth() {
      printf( "%s lay baby.\n" , get_name() ) ;
   }
} ;

class SeaBream : public virtual Bird , virtual Mammal {
public:
   SeaBream( const char s[] ) : Animal( s ) {}
   void move() {
      Mammal::move() ;
   }
   void birth() {
      Bird::birth() ;
   }
} ;

ただし、多重継承は親クラスの情報と、メソッドを継承する。この場合、通常だと name[] を二つ持つことになるので、問題が発生する。そこで、親クラスの継承に virtual を指定することで、ダイヤモンド型継承の 2つの属性をうまく処理してくれるようになる。

しかし、多重継承は処理の曖昧さや効率の悪さもあることから、採用されていないオブジェクト指向言語も多い。特に Java は、多重継承を使えない。その代わりに interface という機能が使えるようになっている。

多重継承を使える CLOS や Python では、適用するメソッドやインスタンス変数の曖昧さについては親クラスへの優先度を明確にできる機能がある。曖昧さの問題を避けるのであればクラス限定子”::”を使うべきである。

複素数クラスでre-imとr-thのコンストラクタ

複素数クラスの課題で、直交座標系のコンストラクタと曲座標系のコンストラクタを作りたいとの質問。でも、以下のようなコンストラクタでは、どちらも Complex( double , double ) であり、区別できない。

class Complex {
private:
    double re , im ;
public:
    Complex( double x , double y ) // コンストラクタ
      : re( x ) , im( y ) {}
    Complex( double r , double th )
      // Complex(double,double)では直交座標系のコンストラクタと区別できない。
      : re( r * cos( th ) ) , im( r * sin( th ) ) {}
    // Complex( double r , double th ) { // これもダメ...
    //     return Complex( r * cos(th) , r * sin(th) ) ;
    // }

    // static は、静的メンバ関数(オブジェクトに対してのメソッドではない)
    static Complex complex_rth( double r , double th ) {
        return Complex( r * cos(th) , r * sin(th) ) ;
    }
} ;

int main() {
    Complex a( 1.0 , 1.0 ) ;
    Complex b = Complex::complex_rth( 1 , 45.0/180.0*3.14 ) ;
    a.print() ; 
    b.print() ;
    return 0 ;
}

色々な書き方はあると思うけど、static Complex Complex::complex_rth( double r , double th ) ; を宣言するのが自然かな…と思ったけど、初期化が Complex a = Complex::complex_rth( 1 , 2 ) ; みたいに書くことになってちょっとダサい。”Complex::” のクラス限定子が邪魔っぽいけど、関数の名前空間を不必要に使わないという意味ではいいのかもしれないが。 C++ の complex クラスを見たら、以下のように使えるようになっていた。なるほど。

class Complex {
private:
    double re , im ;
public:
    Complex( double x , double y ) : re( x ) , im( y ) {}
    void print() const { printf( "%lf+j%lf\n" , re , im ) ; }
} ;

// 曲座標系のコンストラクタ? (正確に言えばコンストラクタではない)
inline Complex polar( double r , double th ) {
    return Complex( r * cos( th ) , r * sin( th ) ) ;
} ;

int main() {
    Complex a( 1 , 2 ) ;
    Complex b = polar( 3 , 30.0 / 180.0 * 3.141592 ) ;
    Complex c( polar( 3 , 30.0 / 180.0 * 3.141592 ) ) ;
      // こっちの書き方の方がコンストラクタを使ってるっぽく見える。
      // デフォルトコピーコンストラクタが使われている。
    a.print() ;
    b.print() ;
    c.print() ;
    return 0 ;
}

抽象クラス(純粋仮想基底クラス)

前回説明した仮想関数では、基底クラスから派生させたクラスを作り、そのデータが混在してもクラスに応じた関数(仮想関数)を呼び出すことができる。

この仮想関数の機能を逆手にとったプログラムの記述方法として、抽象クラス(純粋仮想基底クラス)がある。その使い方を説明する。

JavaのGUIにおける派生の使い方

先週の講義では、派生を使ったプログラミングは、GUI で使われていることを紹介したが、例として Java のプログラミングスタイルを少し紹介する。

例えば、Java で アプレット(ブラウザの中で動かすJavaプログラム)を作る場合の、最小のサンプルプログラムは、以下のようになる。

import java.applet.Applet; // C言語でいうところの、Applet 関連の処理を include
import java.awt.Graphics;

public class App1 extends Applet {  // Applet クラスから、App1 クラスを派生
    public void paint(Graphics g) { // 画面にApp1を表示する必要がある時に呼び出される。
        g.drawString("Hello World." , 100 , 100);
    }
}

この例では、ブラウザのGUIを管理する Applet クラスから、App1 というクラスを派生(extendsキーワード)し、App1 固有の処理として、paint() メソッドを定義している。GUI のプログラミングでは、本来ならマウスが押された場合の処理などを記述する必要があるが、このプログラムでは paint() 以外何も書かれていない。これはマウス処理などは、基底クラスのAppletのマウス処理が継承されるので、省略してもうまく動くようになっている。

純粋仮想基底クラス

純粋仮想基底クラスとは、見かけ上はデータを何も持たないクラスであり、本来なら意味がないデータ構造となってしまう。しかし、派生クラスで要素となるデータと仮想関数で機能を与えることで、基底クラスという共通部分から便利な活用ができる。(実際には、型を区別するための型情報を持っている)

例えば、C言語であれば一つの配列に、整数、文字列、実数といった異なる型のデータを記憶させることは本来ならできない。しかし、以下のような処理を記載すれば、可能となる。

C言語では、1つの記憶域を共有するために共用体(union)を使うが、C++では仮想関数が使えるようになり、型の管理をプログラマーが行う必要のある「面倒で危険な」共用体を使う必要はなくなった。

// 純粋仮想基底クラス
class Object {
public:
   virtual void print() const = 0 ;
   // 中身の無い純粋基底クラスで、
   // 仮想関数を記述しない時の書き方。
} ;

// 整数データの派生クラス
class IntObject : public Object {
private:
   int data ;
public:
   IntObject( int x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%d\n" , data ) ;
   }
} ;

// 文字列の派生クラス
class StringObject : public Object {
private:
   char data[ 100 ] ;
public:
   StringObject( const char* s ) {
      strcpy( data , s ) ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%s\n" , data ) ;
   }
} ;

// 実数の派生クラス
class DoubleObject : public Object {
private:
   double data ;
public:
   DoubleObject( double x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%lf\n" , data ) ;
   }
} ;

// 動作確認
int main() {
   Object* data[3] = {
      new IntObject( 123 ) ,
      new StringObject( "abc" ) ,
      new DoubleObject( 1.23 ) ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) { // 123
      data[i]->print() ;            // abc
   }                                // 1.23 と表示
   return 0 ;
} ;

このプログラムでは、純粋仮想基底クラスObjectから、整数IntObject, 文字列StringObject, 実数DoubleObject を派生させ、そのデータを new により生成し、Objectの配列に保存している。

仮想関数を使うと、Object型の中に自動的に型情報が保存されるようになる。一般的な実装では、各派生クラス用の仮想関数のポインタテーブル(vtable)へのポインタが使われる。

Javaなどのオブジェクト指向言語では、全てのクラス階層のスーパークラスとして、Object を持つように作られている。

様々な型に適用できるプログラム

次に、純粋仮想基底クラスの特徴を応用したプログラムの作り方を説明する。

例えば、以下のような最大選択法で配列を並び替えるプログラムがあったとする。

int a[5] = { 11, 55, 22, 44, 33 } ;

void my_sort( int array[] , int size ) {
   for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
      int max = i ;
      for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) {
         if ( array[j] > array[max] )
            max = j ;
      }
      int tmp = array[i] ;
      array[i] = array[max] ;
      array[max] = tmp ;
   }
}
int main() {
   my_sort( a , 5 ) ;
}

しかし、この整数を並び替えるプログラムがあっても、文字列の並び替えや、実数の並び替えがしたい場合には、改めて文字列用並び替えの関数を作らなければいけない。しかも、ほとんどが同じような処理で、改めて指定された型のためのプログラムを作るのは面倒である。

C言語のデータの並び替えを行う、qsort() では、関数ポインタを用いることで、様々なデータの並び替えができる。しかし、1件あたりのデータサイズや、データ実体へのポインタを正しく理解する必要がある。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int a[ 4 ] = { 11, 33, 22, 44 } ;
double b[ 3 ] = { 1.23 , 5.55 , 0.11 } ;
// 並び替えを行いたいデータ専用の比較関数を作る。
// a>bなら+1, a=bなら0, a<bなら-1を返す関数
int cmp_int( int* pa , int* pb ) { // int型用コールバック関数
   return *pa - *pb ;
}
int cmp_double( double* pa , double* pb ) { // double型用コールバック関数
   if ( *pa == *pb )
      return 0 ;
   else if ( *pa > *pb )
      return 1 ;
   else
      return -1 ;
}
int main() {                                   // C言語の怖さ
   qsort( a , 4 , sizeof( int ) ,              //   このあたりの引数を書き間違えると
          (int(*)(void*,void*)) cmp_int ) ;    //   とんでもない目にあう。
   qsort( b , 3 , sizeof( double ) ,
          (int(*)(void*,void*)) cmp_double ) ;
} 

このように、自分が作っておいた関数のポインタを、関数に渡して呼び出してもらう方法は、コールバックと呼ぶ。
JavaScript などの言語では、こういったコールバックを使ったコーディングがよく使われる。

// コールバック関数 f を呼び出す関数
function exec_callback( var f ) {
   f() ;
}
// コールバックされる関数 foo()
function foo() {
   console.log( "foo()" ) ;
}
// foo() を実行する。
exec_callback( foo ) ;
// 無名関数を実行する。
exec_callback( function() {
                  console.log( "anonymous" ) ;
               } ) ;

任意のデータを並び替え

class Object {
public:
   virtual void print() const = 0 ;
   virtual int  cmp( Object* ) = 0 ;
} ;

// 整数データの派生クラス
class IntObject : public Object {
private:
   int data ;
public:
   IntObject( int x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%d\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      int pdata = ((IntObject*)p)->data ;  // 本当はこのキャストが危険
      return data - pdata ;                //  ↓安全な実装したいなら↓
   }                                       // IntObject* pi = dynamic_cast<IntObject*>(p) ;
} ;                                        // return pi != NULL ? data - pi->data : 0 ;

// 文字列の派生クラス
class StringObject : public Object {
private:
   char data[ 100 ] ;
public:
   StringObject( const char* s ) {
      strcpy( data , s ) ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%s\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      char* pdata = ((StringObject*)p)->data ;
      return strcmp( data , pdata ) ; // 文字列比較関数
   }
} ;

// 実数の派生クラス
class DoubleObject : public Object {
private:
   double data ;
public:
   DoubleObject( double x ) {
      data = x ;
   }
   virtual void print() const {
      printf( "%lf\n" , data ) ;
   }
   virtual int cmp( Object* p ) {
      double pdata = ((DoubleObject*)p)->data ;
      if ( data == pdata )
         return 0 ;
      else if ( data > pdata )
         return 1 ;
      else
         return -1 ;
   }
} ;

// Objectからの派生クラスでcmp()メソッドを
//   持ってさえいれば、どんな型でもソートができる。
void my_sort( Object* array[] , int size ) {
   for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
      int max = i ;
      for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) {
         if ( array[j]->cmp( array[max] ) > 0 )
            max = j ;
      }
      Object* tmp = array[i] ;
      array[i] = array[max] ;
      array[max] = tmp ;
   }
}
// 動作確認
int main() {
   Object* idata[3] = {
      new IntObject( 11 ) ,
      new IntObject( 33 ) ,
      new IntObject( 22 ) ,
   } ;
   Object* sdata[3] = {
      new StringObject( "abc" ) ,
      new StringObject( "defghi" ) ,
      new StringObject( "c" ) ,
   } ;
   my_sort( idata , 3 ) ; // 整数のソート
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
      idata[i]->print() ;
   my_sort( sdata , 3 ) ; // 文字列のソート
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
      sdata[i]->print() ;
   return 0 ;
} ;

このような方式でプログラムを作っておけば、新しいデータ構造がでてきてもソートのプログラムを作らなくても、比較専用の関数 cmp() を書くだけで良い。

ただし、この並び替えの例では、Object* を IntObject* に強制的に型変換している。

また、このプログラムでは、データを保管するために new でポインタを保管し、データの比較をするために仮想関数の呼び出しを行うことから、メモリの使用効率も処理効率でもあまりよくない。

こういう場合、最近の C++ ではテンプレート機能が使われる。

template <typename T>
void my_sort( T a[] , int size ) {
  for( int i = 0 ; i < size - 1 ; i++ ) {
    int max = i ;
    for( int j = i + 1 ; j < size ; j++ ) { if ( a[j] > a[max] )
        max = j ;
    }
    T  tmp = a[i] ;
    a[i] = a[max] ;
    a[max] = tmp ;
  }
}

int main() {
  int idata[ 5 ] = { 3, 4, 5 , 1 , 2 } ;
  double fdata[ 4 ] = { 1.23 , 0.1 , 3.4 , 5.6 } ;

  // typename T = int で int::mysort() が作られる
  my_sort<int>( idata , 5 ) ;
  for( int i = 0 ; i < 5 ; i++ )
    printf( "%d " , idata[i] ) ;
  printf( "\n" ) ;

  // typename T = double で double::mysort() が作られる
  my_sort<double>( fdata , 4 ) ;
  for( int i = 0 ; i < 4 ; i++ )
    printf( "%lf " , fdata[i] ) ;
  printf( "\n" ) ;
  return 0 ;
}

C++のテンプレート機能は、my_sort( int[] , int ) で呼び出されると、typename T = int で、整数型用の my_sort() の処理が自動的に作られる。同じく、my_sort( double[] , int ) で呼び出されると、typename = double で 実数型用の my_sort() が作られる。

テンプレート機能では、各型用のコードが自動的に複数生成されるという意味では、出来上がったコードがコンパクトという訳ではない。

派生と継承と仮想関数

前回の派生と継承のイメージを改めて記載する。

// 基底クラス
class Person {
private:
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( const char s[] , int x )
     : age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ; 
   saitoh.print() ; // 表示 t-saitoh 55
   yama.print() ;   // 表示 yamada 21
                    //      - ES 1
   nomu.print() ;   // 表示 nomura 22
   return 0 ;       //      - PS 2
}

このような処理でのデータ構造は、次のようなイメージで表される。

派生クラスでの問題提起

基底クラスのオブジェクトと、派生クラスのオブジェクトを混在してプログラムを記述したらどうなるであろうか?
上記の例では、Person オブジェクトと、Student オブジェクトがあったが、それをひとまとめで扱いたいこともある。

以下の処理では、Person型の saitoh と、Student 型の yama, nomu を、一つの table[] にまとめている。

int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      table[ i ]->print() ;
   }
   return 0 ;
}

C++では、Personへのポインタの配列に代入する時、Student型ポインタは、その基底クラスへのポインタとしても扱える。ただし、このように記述すると、table[] には、Person クラスのデータして扱われる。

このため、このプログラムを動かすと、以下のように、名前と年齢だけが3人分表示される。

t-saitoh 55
yamada   21
nomura   22

派生した型に応じた処理

上記のプログラムでは、 Person* table[] に、Person*型,Student*型を混在して保存をした。しかし、Person*として呼び出されると、yama のデータを表示しても、所属・学年は表示されない。上記のプログラムで、所属と名前を表示することはできないのだろうか?

// 混在したPersonを表示
for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
   table[i]->print() ;
// Student は、所属と名前を表示して欲しい
t-saitoh 55
yamada 21
- ES 1
nomura 22
- PS 2

上記のプログラムでは、Person型では、後でStudent型と区別ができないと困るので、Person型に、Person型(=0)なのか、Student型(=1)なのか区別するための type という型の識別番号を追加し、type=1ならば、Student型として扱うようにしてみた。

// 基底クラス
class Person {
private:
   int  type ; // 型識別情報
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( int tp , const char s[] , int x )
     : type( tp ) , age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   int type_person() { return type ; }
   void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( int tp , const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( tp , s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   // type=0 は Person 型、type=1は Student 型
   Person saitoh( 0 , "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( 1 , "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( 1 , "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      switch( table[i]->type_person() ) {
      case 0 :
         table[i]->print() ;
         break ;
      case 1 :
         // 強制的にStudent*型として print() を呼び出す。
         //   最近のC++なら、(static_cast<Student*>(table[i]))->>print() ;
         ((Student*)table[i])->print() ;
         break ;
      }
   }
   return 0 ;
}

しかし、このプログラムでは、プログラマーがこのデータは、Personなので type=0 で初期化とか、Studentなので type=1 で初期化といったことを記述する必要がある。

また、関数を呼び出す際に、型情報(type)に応じて、その型にふさわしい処理を呼び出すための switch 文が必要になる。

もし、派生したクラスの種類がいくつもあるのなら、(1)型情報の代入は注意深く書かないとバグの元になるし、(2)型に応じた分岐処理は巨大なものになるだろう。実際、オブジェクト指向プログラミングが普及する前の初期の GUI プログラミングでは、巨大な switch 文が問題となっていた。巨大な switch 文は、選択肢だけの if else-if else-if が並ぶと処理効率も悪い。

仮想関数

上記の、型情報の埋め込みと巨大なswitch文の問題の解決策として、C++では仮想関数(Virtual Function)が使える。

型に応じて異なる処理をしたい関数があったら、その関数の前に virtual と書くだけで良い。このような関数を、仮想関数と呼ぶ。

// 基底クラス
class Person {
private:
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( const char s[] , int x )
     : age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   virtual void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
            : Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
   virtual void print() {
      Person::print() ;       // 基底クラスPersonで名前と年齢を表示
      printf( "- %s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
int main() {
   // type=0 は Person 型、type=1は Student 型
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   Student yama( "yamada" , 21 , "ES" , 1 ) ;
   Student nomu( "nomura" , 22 , "PS" , 2 ) ;

   Person* table[3] = {
      &saitoh , &yama , &nomu ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ ) {
      table[i]->print() ;
   }
   return 0 ;
}

クラスの中に仮想関数が使われると、C++ では、プログラム上で見えないが、何らかの型情報をオブジェクトの中に保存してくれる。

また、仮想関数が呼び出されると、その型情報を元に、ふさわしい関数を自動的に呼び出してくれる。このため、プログラムも table[i]->print() といった極めて簡単に記述できるようになる。

関数ポインタ

仮想関数の仕組みを実現するためには、関数ポインタが使われる。

以下の例では、返り値=int,引数(int,int)の関数( int(*)(int,int) )へのポインタfpに、最初はaddが代入され、(*fp)(3,4) により、7が求まる。

int add( int a , int b ) {
   return a + b ;
}
int mul( int a , int b ) {
   return a * b ;
}
int main() {
   int (*fp)( int , int ) ;
   fp = add ;
   printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3+4=7
   fp = mul ;
   printf( "%d\n" , (*fp)( 3 , 4 ) ) ; // 3*4=12

   int (*ftable[2])( int , int ) = {
      add , mul ,
   } ;
   for( int i = 0 ; i < 2 ; i++ )
      printf( "%d\n" , (*ftable[i])( 3 , 4 ) ) ;
   return 0 ;
}

仮想関数を使うクラスが宣言されると、一般的にそのコンストラクタでは、各クラス毎の仮想関数へのポインタのテーブルが型情報として保存されるのが一般的。仮想関数の呼び出しでは、仮想関数へのポインタを使って処理を呼び出す。このため効率よく仮想関数を動かすことができる。

仮想関数の実装方法

仮想関数の一般的な実装方法としては、仮想関数を持つオブジェクトには型情報として仮想関数へのポインタテーブルへのポインタを保存する。この場合、仮想関数の呼び出しは、object->table[n]( arg… ) のような処理が行われる。

派生と継承

隠ぺい化の次のステップとして、派生・継承を説明する。オブジェクト指向プログラミングでは、一番基本となるデータ構造を宣言し、その基本構造に様々な機能を追加した派生クラスを記述することでプログラムを作成する。今回は、その派生を理解するためにC言語で発生する問題点を考える。

説明が中途半端になるので、講義後半は先週のレポート課題の時間とする。

派生を使わずに書くと…

元となるデータ構造(例えばPersonが名前と年齢)でプログラムを作っていて、 途中でその特殊パターンとして、所属と学年を加えた学生(Student)という データ構造を作るとする。

// 元となる構造体(Person) / 基底クラス
struct Person {
   char name[ 20 ] ; // 名前
   int  age ;        // 年齢
} ;
// 初期化関数
void set_Person( struct Person* p ,
                 char s[] , int x ) {
   strcpy( p->name , s ) ;
   p->age = x ;
}
// 表示関数
void print_Person( struct Person* p ) {
   printf( "%s %d\n" , p->name , p->age ) ;
}
int main() {
   struct Person saitoh ;
   set_Person( &saitoh , "t-saitoh" , 50 ) ;
   print_Person( &saitoh ) ;
   return 0 ;
}

パターン1(そのまんま…)

上記のPersonに、所属と学年を加えるのであれば、以下の方法がある。 しかし以下パターン1は、要素名がname,ageという共通な部分があるようにみえるが、 プログラム上は、PersonとPersonStudent1は、まるっきり関係のない別の型にすぎない。

このため、元データと共通部分があっても、同じ処理を改めて書き直しになる。(プログラマーの手間が減らせない)

// 元のデータに追加要素(パターン1)
struct PersonStudent1 {
   // Personと同じ部分
   char name[ 20 ] ; // 名前
   int  age ;        // 年齢

   // 追加部分
   char dep[ 20 ] ;  // 所属
   int  grade ;      // 学年
} ;
void set_PersonStudent1( struct PersonStudent1* p ,
                         char s[] , int x ,
                         char d[] , int g ) {
   // set_Personと同じ処理を書いている。
   strcpy( p->name , s ) ;
   p->age = x ;

   // 追加された処理
   strcpy( p->dep , d ) ;
   p->grade = g ;
}

// 名前と年齢 / 所属と学年を表示
void print_PersonStudent1( struct PersonStudent1* p ) {
   // print_Personと同じ処理を書いている。
   printf( "%s %d\n" , p->name , p->age ) ;
   printf( "- %s %d¥n" , p->dep , p->grade ) ;
}

int main() {
   struct PersonStudent1 yama1 ;
   set_PersonStudent1( &yama1 ,
                       "yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
   print_PersonStudent1( &yama1 ) ;
   return 0 ;
}

パターン2(元データの処理を少し使って…)

パターン1では、機能が追加された新しいデータ構造のために、同じような処理を改めて書くことになりプログラムの記述量を減らせない。面倒なので、 元データ用の関数をうまく使うように書いてみる。

// 元のデータに追加要素(パターン2)
struct PersonStudent2 {
   // 元のデータPerson
   struct Person person ;

   // 追加部分
   char          dep[ 20 ] ;
   int           grade ;
} ;

void set_PersonStudent2( struct PersonStudent2* p ,
                         char s[] , int x ,
                         char d[] , int g ) {
   // Personの関数を部分的に使う
   set_Person( &(p->person) , s , x ) ;

   // 追加分はしかたない
   strcpy( p->dep , d ) ;
   p->grade = g ;
}

void print_PersonStudent2( struct PersonStudent2* p ) {
   // Personの関数を使う。
   print_Person( &p->person ) ;
   printf( "- %s %d¥n" , p->dep , p->grade ) ; 
}

int main() {
   struct PersonStudent2 yama2 ;
   set_PersonStudent2( &yama2 ,
                       "yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
   print_PersonStudent2( &yama2 ) ;
   return 0 ;
}

このパターン2であれば、元データ Person の処理をうまく使っているので、 プログラムの記述量を減らすことはできるようになった。

しかし、print_PersonStudent2() のような処理は、名前と年齢だけ表示すればいいという場合、元データ構造が同じなのに、 PersonStudent2 用のプログラムをいちいち記述するのは面倒ではないか?

そこで、元データの処理を拡張し、処理の流用ができないであろうか?

基底クラスから派生クラスを作る

オブジェクト指向では、元データ(基底クラス)に新たな要素を加えたクラス(派生クラス)を 作ることを「派生」と呼ぶ。派生クラスを定義するときは、クラス名の後ろに、 「:」,「public/protected/private」, 基底クラス名を書く。

// 基底クラス
class Person {
private:
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
public:
   Person( const char s[] , int x )
     : age( x ) {
      strcpy( name , s ) ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
   }
} ;
// 派生クラス(Student は Person から派生)
class Student : public Person {
private:
   // 追加部分
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
public:
   Student( const char s[] , int x ,
            const char d[] , int g )
     : Person( s , x ) // 基底クラスのコンストラクタ
   {  // 追加された処理
      strcpy( dep , d ) ;
      grade = g ;
   }
} ;

int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 50 ) ;
   saitoh.print() ;
   Student yama( "yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
   yama.print() ;  // "yama 22"が表示される
   return 0 ;
}

ここで注目すべき点は、main()の中で、Studentクラス”yama”に対し、yama.print() を呼び出しているが、パターン2であれば、print_PersonStudent2()に相当するプログラムを 記述していない。 しかし、この派生を使うと Person の print() が自動的に流用することができる。 これは、基底クラスのメソッドを「継承」しているから、 このように書け、名前と年齢「yama 22」が表示される。

さらに、Student の中に、以下のような Student 専用の新しい print()を記述してもよい。

class Student ...略... {
   ...略...

   // Student クラス専用の print() 
   void print() {
      // 親クラス Person の print() を呼び出す
      Person::print() ;
      // Student クラス用の処理
      printf( "%s %d\n" , dep , grade ) ;
   }
} ;
void main() {
   ...略...
   Student yama( "yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
   yama.print() ;
}

この場合は、継承ではなく機能が上書き(オーバーライト)されるので、 「yama 22 / PS 2」が表示される。

派生クラスを作る際の後ろに記述した、public は、他にも protected , private を 記述できる。

public    だれもがアクセス可能。
protected であれば、派生クラスからアクセスが可能。
          派生クラスであれば、通常は protected で使うのが一般的。
private   派生クラスでもアクセス不可。

C言語で無理やりオブジェクト指向の”派生”を使う方法

オブジェクト指向の機能の無いC言語で、このような派生と継承を実装する場合には、共用体を使う以下のようなテクニックが使われていた。
unix の GUI である X11 でも共用体を用いて派生を実装していた。

// 基底クラス
struct PersonBase {     // 基底クラス
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
} ;

struct PersonStudent {  // 派生クラス
   struct PersonBase base ;
   char dep[ 20 ] ;
   int  grade ;
} ;
                                   //(base) //(student)
union Person {                     // name  //[name]
   struct PersonBase    base ;     // age   //[age ]
   struct PersonStudent student ;           // dep
} ;                                         // grade

void person_Print( struct Person* p ) {
   printf( "%s %d\n" , p->base.name , p->base.age ) ;   
}

int main() {
   struct PersonBase    tsaitoh = { "tsaitoh" , 55 } ;
   struct PersonStudent mitsuki = { { "mitsuki" , 21 } , "KIT" , 4 } ;
   print_Person( (struct Person*)&tsaitoh ) ;
   print_Person( (struct Person*)&mitsuki ) ;  // 無理やり print_Person を呼び出す
   return 0 ;
}

仮想関数への伏線

上記のような派生したプログラムを記述した場合、以下のようなプログラムでは何が起こるであろうか?

class Student ... {
   :
   void print() {
      Person::print() ;                    // 名前と年齢を表示
      printf( " %s %d¥n" , dep , grade ) ; // 所属と学年を表示
   }
} ;
int main() {
   Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
   saitoh.print() ;                // t-saitoh 55 名前と年齢を表示

   Student mitsu( "mitsuki" , 20 , "KIT" ,  3 ) ;
   Student ayuka( "ayuka" ,   18 , "EI" ,   4 ) ;
   mitsu.print() ;                 // mitsuki 20 / KIT 3  名前,年齢,所属,学年を表示
   ayuka.print() ;                 // ayuka 18   / EI  4  名前,年齢,所属,学年を表示

   Person* family[] = {
      &saitoh , &mitsu , &ayuka ,  // 配列の中に、Personへのポインタと
   } ;                             // Studentへのポインタが混在している
                                   // 派生クラスのポインタは、
                                   // 基底クラスのポインタとしても扱える
   for( int i = 0 ; i < 3 ; i++ )
      family[ i ]->print() ;       // t-saitoh 55/mitsuki 20/ayuka 18
   return 0 ;                      // が表示される。 
}                                  // # "mitsuki 20/KIT 3" とか "ayuka 18/EI 4"
                                   // # が表示されてほしい?

複素数クラスによる演習

複素数クラスの例

隠蔽化と基本的なオブジェクト指向の練習課題として、前回の授業では、直交座標系による複素数クラスを示した。今回の授業では、演習を行うとともに直交座標系を極座標系にクラス内部を変更したことにより、隠蔽化の効果について考えてもらい、第1回レポートとする。

直交座標系

前回の授業で示した直交座標系のクラス。比較対象とするために再掲。

#include <stdio.h>
#include <math.h>

// 直交座標系の複素数クラス
class Complex {
private:
   double re ; // 実部
   double im ; // 虚部
public:
   void print() {
      printf( "%lf + j%lf¥n" , re , im ) ;
   }
   Complex( double r , double i ) // 実部虚部のコンストラクタ
     : re( r ) , im( i ) {}
   Complex()                      // デフォルトコンストラクタ
     : re( 0.0 ) , im( 0.0 ) {} 
   void add( Complex z ) {
      // 加算は、直交座標系だと極めてシンプル
      re = re + z.re ;
      im = im + z.im ;
   }
   void mul( Complex z ) {
      // 乗算は、直交座標系だと、ちょっと煩雑
      double r = re * z.re - im * z.im ;
      double i = re * z.im + im * z.re ;
      re = r ;
      im = i ;
   }
   double get_re() {
      return re ;
   }
   double get_im() {
      return im ;
   }
   double get_abs() { // 絶対値
      return sqrt( re*re + im*im ) ;
   }
   double get_arg() { // 偏角
      return atan2( im , re ) ;
   }
} ; // ←何度も繰り返すけど、ここのセミコロン忘れないでね
int main() {
   // 複素数を作る
   Complex a( 1.0 , 2.0 ) ;
   Complex b( 2.0 , 3.0 ) ;

   // 複素数の計算
   a.print() ;
   a.add( b ) ;
   a.print() ;
   a.mul( b ) ;
   a.print() ;

   return 0 ;
}

極座標系

上記の直交座標系の Complex クラスは、加減算の関数は単純だけど、乗除算の関数を書く時には面倒になってくる。この場合、極座標系でプログラムを書いたほうが判りやすいかもしれない。

// 局座標系の複素数クラス
class Complex {
private:
   double r ;  // 絶対値 r
   double th ; // 偏角   θ
public:
   void print() {
      printf( "%lf ∠ %lf¥n" , r , th / 3.14159265 * 180.0 ) ;
   }
   Complex() // デフォルトコンストラクタ
     : r( 0.0 ) , th( 0.0 ) {}

   // 表面的には、同じ使い方ができるように
   //  直交座標系でのコンストラクタ
   Complex( double x , double y ) {
      r  = sqrt( x*x + y*y ) ;
      th = atan2( y , x ) ;    // 象限を考慮したatan()
   }
   // 極座標系だと、わかりやすい処理
   void mul( Complex z ) {
      // 極座標系での乗算は
      r = r * z.r ;    // 絶対値の積
      th = th + z.th ; // 偏角の和
   } 
   // 反対に、加算は面倒な処理になってしまう。
   void add( Complex z ) {
      ; // 自分で考えて
   }
   // ゲッターメソッド
   double get_abs() {
      return r ;
   }
   double get_arg() {
      return th ;
   }
   double get_re() {  // 直交座標系との互換性のためのゲッターメソッド
      return r * cos( th ) ;
   }
   double get_im() {
      return r * sin( th ) ;
   }
} ; // ←しつこく繰り返すけど、セミコロン忘れないでね(^_^;

このように、プログラムを開発していると、当初は直交座標系でプログラムを記述していたが、途中で極座標系の方がプログラムが書きやすいという局面となるかもしれない。しかし、オブジェクト指向による隠蔽化を正しく行っていれば、利用者に影響なく「データ構造」や「その手続き(メソッド)」を書換えることも可能となる。

このように、プログラムをさらに良いものとなるべく書換えることは、オブジェクト指向ではリファクタリングと呼ぶ。
正しくクラスを作っていれば、クラス利用者への影響が最小にしながらリファクタリングが可能となる。

const 指定 (経験者向け解説)

C++ では、間違って値を書き換えるような処理を書けないようにするための、const 指定の機能がある。

void bar( char* s ) {       // void bar( const char* s ) {...}
   printf( "%s\n" , s ) ;   //  で宣言すべき。
}

void foo( const int x ) {
   //     ~~~~~~~~~~~
   x++ ; // 定数を書き換えることはできない。
   printf( "%d\n" , x ) ;
}
int main() {
   const double pi = 3.141592 ;
   // C言語で #define PI 3.141592 と同等

   bar( "This is a pen" ) ; // Warning: string constant to 'char*' の警告
   int a = 123 ;
   foo( a ) ;

   return 0 ;
}

前述の、getter メソッドの例では要素を参照するだけで、オブジェクトの中身が変化しない。逆に言えば、getter のメソッド内にはオブジェクトに副作用のある処理を書いてはいけない。こういった用途に、オブジェクトを変化させないメソッド宣言がある。先の、get_re() は、

class ... {
   :
   inline double get_re() const {
               //         ~~~~~
      re = 0 ; // 文法エラー
      return re ;
   }
} ;

クラスオブジェクトを引数にする場合

前述の add() メソッドでは、”void add( Complex z ) { … }” にて宣言をしていた。しかし、引数となる変数 z の実体が巨大な場合、この書き方では値渡しになるため、データの複製の処理時間が問題となる場合がある。この場合は、(書き方1)のように、z の参照渡しにすることで、データ複製の時間を軽減する。また、この例では、引数 z の中身を間違って add() の中で変化させる処理を書いてしまうかもしれない。そこで、この事例では(書き方2)のように const 指定もすべきである。

// (書き方1)
class Complex {
   :
   void add( Complex& z ) {
      re += z.re ;
      im += z.im ;
   }
} ;
// (書き方2)
class Complex {
   :
   void add( const Complex& z )
   {  //     ~~~~~~~~~~~~~~~~
      re += z.re ;
      im += z.im ;
   }
} ;

レポート1(複素数の加減乗除)

授業中に示した、直交座標系・極座標系の複素数のプログラムをベースに、記載されていない減算・除算のプログラムを作成し、レポートを作成する。 レポートには、下記のものを記載すること。

  • プログラムリスト
  • プログラムへの説明
  • 動作確認の結果
  • プログラムより理解できること。
  • 実際にプログラムを書いてみて分かった問題点など…

複素数クラスのプログラム例への質問

授業で扱った複素数クラスのプログラムについて、以下のようなプログラムだと、a.add( b ) を実行すると、a の値が書き換わる。このため、次に a.mul( b ) を実行すると、(3+j5) * (2+j3) を実行する。もっと直感的な結果になるように、a の値が書き換わらないようにできないのか? といった趣旨の質問があった。

class Complex {
private:
    double re , im ;
public:
    Complex( double r , double i ) : re( r ) , im( i ) {}
    void print() { printf( "%f+j%f\n" , re , im ) ; }
    void add( Complex z ) {
        re = re + z.re ;
        im = im + z.im ;
    }
    void mul( Complex z ) {
        double r = re * z.re - im * z.im ;
        double i = re * z.im + im * z.re ;
        re = r ;
        im = i ;
    }
} ;
int main() {
    Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
    a.add( b ) ;  // a = a + b ;
    a.print() ;   // 3 + j5
    a.mul( b ) ;  // a = a * b ; ← aの値はすでに3+j5に変わった後
    a.print() ;   // (6-15) + j(10+9) = -9+j19
}

a の値が書き換わらないようにしたいのなら、以下のようなコードになるだろう。

対象オブジェクトを変化させない書き方

class Complex {
     :
    Complex add( Complex z ) {
        return Complex( re + z.re , im + z.im ) ;
    }
    Complex mul( Complex z ) {
        return Complex( re * z.re - im * z.im ,    // Complex オブジェクトを作って
                        re * z.im + im * z.re ) ;  //   返り値として返す。
    }
} ;
int main() {
    Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
    a.add( b ).print() ;  // 3+j5
    a.mul( b ).print() ;  // (2-6)+j(3+4) = -4+j7
}

ただ、このコードは、add() や mul() が Complex オブジェクトを作って返り値を返すが、その新しいオブジェクトはどのように呼び出し側に返されるのか?誰が廃棄するの? といった点で、単純なC言語の知識だけでは動作を理解しづらいことから、最初のコードにて説明を行った。でも、後者の方が計算結果のイメージは直感的だし、return コンストラクタ(…) の書き方に慣れてしまえば、プログラムも読みやすい!!

const メソッドとオブジェクトの参照渡し

前者のプログラムは、add() により 対象オブジェクトに副作用が発生する。後者は対象オブジェクトは変化しない。メソッドを呼び出す際にも、対象オブジェクトに副作用が発生しないことを明示したconstメソッドとして定義することで、オブジェクトを間違って破壊することから守ることもできる。

また、add() , mul() の引数は void add( Complex z ) {…} のような書き方では値渡しが行われる。つまり、メソッド呼び出し時点で実引数を仮引数にコピーする処理が発生する。このため、処理効率を考えるとポインタ渡し(参照渡し)の方がムダなコピーが発生しない。

一方で、参照渡しを行うと、ポインタを経由して引数に副作用を及ぼすことも可能となるため、参照渡しに const 宣言をつけることで、引数によるオブジェクト破壊を防ぐことができる。

class Complex {
private:
    double re , im ;
public:
    Complex( double r , double i ) : re( r ) , im( i ) {}
    void print() const {                   // 表示だけで副作用は発生しない
        printf( "%f+j%f\n" , re , im ) ;
    }
    Complex add( const Complex & z ) const {  // 対象オブジェクトは変化しない
        //       ~~~~~        ~~~    ~~~~~
        //       zに副作用なし 参照渡  constメソッド
        return Complex( re + z.re , im + z.im ) ;
    }
    Complex mul( const Complex & z ) const {
        return Complex( re * z.re - im * z.im ,
                        re * z.im + im * z.re ) ;
    }
} ;
int main() {
    Complex a( 1 , 2 ) , b( 2 , 3 ) ;
    a.add( b ).print() ;  // 3+j5
    a.mul( b ).print() ;  // (2-6)+j(3+4) = -4+j7
}

オブジェクト指向の基本プログラム

C++のクラスで表現

前回の講義での、構造体のポインタ渡しをC++の基本的なクラスで記述した場合のプログラムを再掲する。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// この部分はクラス設計者が書く
class Person {
private: // クラス外からアクセスできない部分
   // データ構造を記述
   char name[10] ; // メンバーの宣言
   int  age ;
public: // クラス外から使える部分
   // データに対する処理を記述
   void set( char s[] , int a ) { // 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。
      strcpy( name , s ) ;
      age = a ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d¥n" , name , age ) ;
   }
} ; // ← 注意ここのセミコロンを書き忘れないこと。

// この部分はクラス利用者が書く
int main() {
   Person saitoh ;
   saitoh.set( "saitoh" , 55 ) ;
   saitoh.print() ;

   // 文法エラーの例
   printf( "%d¥n" , saitoh.age ) ; // phoneはprivateなので参照できない。
   return 0 ;
}

この様にC++のプログラムに書き換えたが、内部の処理は元のC言語と同じであり、オブジェクトへの関数呼び出し saitoh.set(…) などが呼び出されても、set() は、オブジェクトのポインタを引数して持つ関数として、機械語が生成されるだけである。

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。 そのデータに対し具体的な値や記憶域が割り当てられたものオブジェクト(object)と呼ぶ。

C++では隠蔽化をさらに明確にするために、private:public: といったアクセス制限を指定できる。private: は、そのメソッドの中でしか使うことができない要素や関数であり、public: は、メソッド以外からでも参照したり呼出したりできる。オブジェクト指向でプログラムを書くとき、データ構造や関数の処理方法は、クラス内部の設計者しか触れないようにしておけば、その内部を改良することができる。しかし、クラスの利用者が勝手に内部データを触っていると、内部設計者が改良するとそのプログラムは動かないものになってしまう。

隠蔽化を的確に行うことで、クラスの利用者はクラスの内部構造を触ることができなくなる。一方でクラス設計者はクラスの外部への挙動が変化しないようにクラス内部を修正することに心がければ、クラス利用者への影響がないままクラスの内部を改良できる。このように利用者への影響を最小に、常にプログラムを修正することリファクタリングと呼ぶ。

クラス限定子

前述のプログラムでは、class 宣言の中に関数内部の処理を記述していた。しかし関数の記述が長い場合は、書ききれないこういう場合はクラス限定子を使って、メソッドの具体的な処理をクラス宣言の外に記載する。

class Person {
private:
   char name[10] ;
   int  age ;
public:
   // メソッドのプロトタイプ宣言
   void set( char s[] , int a) ;
   void print() ;
} ;

// メソッドの実体をクラス宣言の外に記載する。
void Person::set( char s[] , int a ) {  // Person::set() 
   strcpy( name , s ) ;
   age = a ;
}
void Person::print() {                  // Person::print()
   printf( "%s %d¥n" , name , age ) ;
}

inline 関数と開いたサブルーチン

オブジェクト指向では、きわめて簡単な処理な関数を使うことも多い。
例えば、上記のプログラム例で、クラス利用者に年齢を読み出すことは許しても書き込みをさせたくない場合、以下のような、inline 関数を定義する。(getterメソッド)
# 逆に、値の代入専用のメソッドは、setterメソッドと呼ぶ

class Person {
private:
   char name[10] ;
   int  age ;
public:
   // メソッドのプロトタイプ宣言
   inline int get_age() { return age ; } // getter
   inline void set_age( int a ) { age = a ; } // setter
} ;

ここで inline とは、開いた関数(開いたサブルーチン)を作る指定子である。通常、機械語を生成するとき中身を参照するだけの機械語と、get_age() を呼出したときに関数呼び出しを行う機械語が作られる(閉じたサブルーチン)が、age を参照するだけのために関数呼び出しの機械語はムダが多い。inline を指定すると、入り口出口のある関数は生成されず、get_age() の処理にふさわしい age を参照するだけの機械語が生成される。

# 質問:C言語で開いたサブルーチンを使うためにはどういった機能があるか?

コンストラクタとデストラクタ

プログラムを記述する際、データの初期化忘れや終了処理忘れで、プログラムの誤動作の原因になることが多い。

このための機能がコンストラクタ(構築子)とデストラクタ(破壊子)という。

コンストラクタは、返り値を記載しない関数でクラス名(仮引数…)の形式で宣言し、オブジェクトの宣言時に初期化を行う処理として呼び出される。デストラクタは、~クラス名() の形式で宣言し、オブジェクトが不要となる際に、自動的に呼び出し処理が埋め込まれる。

class Person {
private:
   // データ構造を記述
   char name[10] ;
   int  age ;
public:
   Person() { // (A) 引数なしのコンストラクタ
      name[0] = '
class Person {
private:
   // データ構造を記述
   char name[10] ;
   int  age ;
public:
   Person() { // (A) 引数なしのコンストラクタ
      name[0] = '\0' ;
      age = 0 ;
   }
   Person( char s[] , int a ) { // (B) 引数ありのコンストラクタ
      strcpy( name , s ) ;
      age = a ;
   }
   ~Person() { // デストラクタ
      print() ;
   }
   void print() {
      printf( "'%s' = %d¥n" , name , age ) ;
   }
} ;

int main() {
   Person saitoh( "saitoh" , 55 ) ; // オブジェクトsaitohを"saitoh"と55で初期化
   Person tomoko ;  // 引数なしのコンストラクタで初期化される。
   return 0 ;
   // main を抜ける時にオブジェクトsaitohは不要になるので、
   // デストラクタが自動的に呼び出され、'saitoh' = 55 が表示。
   // 同様に tomoko のデストラクタでは、'' = 0 を表示。
}
' ; age = 0 ; } Person( char s[] , int a ) { // (B) 引数ありのコンストラクタ strcpy( name , s ) ; age = a ; } ~Person() { // デストラクタ print() ; } void print() { printf( "'%s' = %d¥n" , name , age ) ; } } ; int main() { Person saitoh( "saitoh" , 55 ) ; // オブジェクトsaitohを"saitoh"と55で初期化 Person tomoko ; // 引数なしのコンストラクタで初期化される。 return 0 ; // main を抜ける時にオブジェクトsaitohは不要になるので、 // デストラクタが自動的に呼び出され、'saitoh' = 55 が表示。 // 同様に tomoko のデストラクタでは、'' = 0 を表示。 }

このクラスの中には、(A)引数無しのコンストラクタと、(B)引数ありのコンストラクタが出てくる。C++では、同じ名前の関数でも引数の数や型に応じて呼出す関数を適切に選んでくれる。(関数のオーバーロード)

デストラクタは、データが不要となった時に自動的に呼び出してくれる関数で、一般的にはC言語でのファイルの fopen() , fclose() のようなものを使う処理で、コンストラクタで fopen() , デストラクタで fclose() を呼出すように使うことが多いだろう。同じように、コンストラクタで malloc() を呼出し、デストラクタで free() を呼出すというのが定番の使い方だろう。

複素数クラスの例

隠蔽化と基本的なオブジェクト指向の練習課題として、複素数クラスをあげる。ここでは、複素数の加算・乗算を例に説明をするので、減算・除算などの処理を記述することで、クラスの扱いに慣れてもらう。

直交座標系の複素数クラス

#include <stdio.h>
#include <math.h>

// 直交座標系の複素数クラス
class Complex {
private:
   double re ; // 実部
   double im ; // 虚部
public:
   void print() {
      printf( "%lf + j%lf¥n" , re , im ) ;
   }
   Complex( double r , double i )  // コンストラクタで要素の
     : re( r ) , im( i ) {         //  初期化はこのように書いてもいい
   }                               // re = r ; im = i ; の意味
   Complex()      // デフォルトコンストラクタ
     : re( 0.0 ) , im( 0.0 ) {
   }

   void add( Complex z ) {
      // 加算は、直交座標系だと極めてシンプル
      re = re + z.re ;
      im = im + z.im ;
   }
   void mul( Complex z ) {
      // 乗算は、直交座標系だと、ちょっと煩雑
      double r = re * z.re - im * z.im ;
      double i = re * z.im + im * z.re ;
      re = r ;
      im = i ;
   }
   double get_re() {
      return re ;
   }
   double get_im() {
      return im ;
   }
   double get_abs() { // 絶対値
      return sqrt( re*re + im*im ) ;
   }
   double get_arg() { // 偏角
      return atan2( im , re ) ;
   }
} ; // ←何度も繰り返すけど、ここのセミコロン忘れないでね
int main() {
   // 複素数を作る
   Complex a( 1.0 , 2.0 ) ;
   Complex b( 2.0 , 3.0 ) ;

   // 複素数の計算
   a.print() ;
   a.add( b ) ;
   a.print() ;
   a.mul( b ) ;
   a.print() ;

   return 0 ;
}

練習課題

  • 上記の直交座標系の複素数のクラスのプログラムを入力し、動作を確認せよ。
  • このプログラムに減算や除算の処理を追加せよ。

この練習課題は、次週に予定している「曲座標系の複素数クラス」に変更となった場合のプログラムを加え、第1回のレポート課題となります。

構造体とオブジェクト指向

初回の講義では、欠席者もいたので前回の講義資料も扱いながら説明を行う。最初に、前回講義資料の値渡し・参照渡し・ポインタ渡しを復習してから、構造体の話につなげていく。

構造体

上記資料を元に説明。 最初に構造体が無かったら、名前・国語・算数・理科の1クラス分のデータをどう表現しますか?

// まずは基本の宣言
char name[ 50 ][ 20 ] ;
int  kokugo[ 50 ] ;
int  sansu[ 50 ] ;
int  rika[ 50 ] ;
// もしクラスが最初20人だったら、20→50に変更する際に、
// 文字列長の20も書きなおしちゃうかも。
// 50とか20とかマジックナンバーは使わないほうがいい。
#define SIZE 50
#define LEN 20
char name[ SIZE ][ LEN ] ;
int  kokugo[ SIZE ] ;
:
// 2クラス分のデータ(例えばEI科とE科)を保存したかったら?
// case-1(配列2倍にしちゃえ)
char name[ 100 ][ 20 ] ;  // どこからがEI科?
int  kokugo[ 100 ] ;
:

// case-2(2次元配列にしちゃえ)
char name[ 2 ][ 50 ][ 20 ] ; // 0,1どっちがEI科?
int  kokugo[ 2 ][ 50 ] ;
:

// case-3(目的に応じた名前の変数を作っちゃえ)
char ei_name[ 50 ][ 20 ] ; // EI科は一目瞭然
int  ei_kokugo[ 50 ] ;     // だけど変数名が違うから
:                      // 処理を2度書き
char ee_name[ 50 ][ 20 ] ;
int  ee_kokugo[ 50 ] ;
:

このような問題に対応するために構造体を用いる。

struct Person {  // Personが構造体名(タグ名)
   char name[ 20 ] ;
   int  kokugo ;
   int  sansu ;
   int  rika ;
} ;
struct Person saitoh ;
struct Person ei[ 50 ] , ee[ 40 ] ;
strcpy( saitoh.name , "t-saitoh" ) ;
saitoh.kokugo = 100 ;
ei[ 0 ].sansu = 80 ;
ee[ 1 ].rika = 75 ;

このように構造体を使うことで、複数のデータを1つのデータの塊として扱えるようになる。

構造体の参照渡し

構造体のデータを関数の呼び出しで記述する場合には、参照渡しを利用する。

struct Person {
   char name[ 20 ] ;
   int  age ;
} ;
void print( struct Person* p ) {
   printf( "%s %d¥n" , p->name , p->age ) ;
}
void main() {
   struct Person saitoh ;
   strcpy( saitoh.name , "t-saitoh" ) ;
   saitoh.age = 50 ;
   print( &saitoh ) ;  // ポインタによる参照渡し
}

このようなプログラムの書き方をすると、「データ saitoh に、print() せよ…」 といった処理を記述したようになる。 これを発展して、データ saitoh に、print という命令をするイメージにも見える。

この考え方を、そのままプログラムに反映させ、Personというデータは、 名前と年齢、データを表示するprintは…といったように、 データ構造と、そのデータ構造への処理をペアで記述すると分かりやすい。

オブジェクト指向の導入

構造体でオブジェクト指向もどき

例えば、名前と年齢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、データ設計者データ利用者で分けて 仕事ができることを説明。

// この部分はデータ構造の設計者が書く
// データ構造を記述
struct Person {
   char name[10] ;
   int  age ;
} ;
// データに対する処理を記述
void setPerson( struct Person* p , char s[] , int a ) {
   // ポインタの参照で表記
   strcpy( (*p).name , s ) ;
   (*p).age = a ;
}
void printPerson( struct Person* p ) {
   // アロー演算子で表記 "(*p).name" は "p->name" で書ける
   printf( "%s %d¥n" ,
           p->name , p->age ) ;
}
// この部分は、データ利用者が書く
int main() {
   // Personの中身を知らなくてもいいから配列を定義(データ隠蔽)
   struct Person saitoh ;
   setPerson( &saitoh , "saitoh" , 55 ) ;

   struct Person table[ 10 ] ; // 初期化は記述を省略
   for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
      // 出力する...という雰囲気で書ける(手続き隠蔽)
      printPerson( &table[i] ) ;
   }
   return 0 ;
}

このプログラムの書き方では、mainの中を読むだけもで、 データ初期化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、setPerson()や、printPerson()という関数の中身についても、 初期化・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。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// この部分はクラス設計者が書く
class Person {
private: // クラス外からアクセスできない部分
   // データ構造を記述
   char name[10] ; // メンバーの宣言
   int  age ;
public: // クラス外から使える部分
   // データに対する処理を記述
   void set( char s[] , int a ) { // 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。
      strcpy( name , s ) ;
      age = a ;
   }
   void print() {
      printf( "%s %d¥n" , name , age ) ;
   }
} ; // ← 注意ここのセミコロンを書き忘れないこと。

// この部分はクラス利用者が書く
int main() {
   Person saitoh ;
   saitoh.set( "saitoh" , 55 ) ;
   saitoh.print() ;

   // 文法エラーの例
   printf( "%d¥n" , saitoh.age ) ; // age は private なので参照できない。
   return 0 ;
}

用語の解説:C++のプログラムでは、データ構造データの処理を、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。