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。
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。
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。
// 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、 いちいちプログラムを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言語で無理やりの派生
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 PersonBase* p ) { printf( "%s %d\n" , p->name , p->age ) ; } int main() { struct PersonBase tsaitoh = { "tsaitoh" , 55 } ; struct PersonStudent mitsuki = { { "mitsuki" , 21 } , "KIT" , 4 } ; print_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
#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()
: 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
}
//
double get_abs() {
return r ;
}
double get_arg() {
return th ;
}
double get_re() {
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…
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をオブジェクト(object)と呼ぶ。
C++では隠蔽化をさらに明確にするために、private: や public: 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を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、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。
値渡しとポインタ渡し
C言語をあまりやっていない学科の人向けのC言語の基礎として、関数との値渡し, ポインタ渡しについて説明する。ただし、参照渡しについては電子情報の授業でも細かく扱っていない内容なので電子情報系学生も要注意。
オブジェクト指向のプログラムでは、構造体のポインタ渡し(というよりは参照渡し)を多用するが、その基本となる関数との値の受け渡しの理解のため、以下に値渡し・ポインタ渡し・参照渡しについて説明する。
ポインタと引数
値渡し
// 値渡しのプログラム
void foo( int x ) { // x は局所変数(仮引数は呼出時に
// 対応する実引数で初期化される。
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124
// 処理後も main::a は 123 のまま。
foo( a ) ; // 124
return 0 ;
}
このプログラムでは、aの値は変化せずに、124,124 が表示される。
でも、プログラムによっては、124,125 と変化して欲しい場合もある。
どのように記述すべきだろうか？
// 大域変数を使う場合
int x ;
void foo() {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
int main() {
x = 123 ;
foo() ; // 124
foo() ; // 125
return 0 ;
}
しかし、このプログラムは大域変数を使うために、間違いを引き起こしやすい。
// 大域変数が原因で予想外の挙動をしめす簡単な例
int i ;
void foo() {
for( i = 0 ; i < 2 ; i++ )
printf( "A" ) ;
}
int main() {
for( i = 0 ; i < 3 ; i++ ) // このプログラムでは、AA AA AA と
foo() ; // 表示されない。
return 0 ;
}
ポインタ渡し
C言語で引数を通して、呼び出し側の値を変化して欲しい場合は、変更して欲しい変数のアドレスを渡し、関数側では、ポインタ変数を使って受け取った変数のアドレスの示す場所の値を操作する。
// ポインタ渡しのプログラム
void foo( int* p ) { // p はポインタ
(*p)++ ;
printf( "%d¥n" , *p ) ;
}
int main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124
// 処理後 main::a は 124 に増えている。
foo( &a ) ; // 124
return 0 ; // さらに125と増える
}
ポインタを利用して引数に副作用を与える方法は、ポインタを正しく理解していないプログラマーでは、危険な操作となる。C++では、ポインタ渡しを極力使わないようにするために、参照渡しを利用する。ただし、ポインタ渡しも参照渡しも、機械語レベルでは同じ処理にすぎない。
参照渡し
// ポインタ渡しのプログラム void foo( int& x ) { // xは参照 x++ ; printf( "%d¥n" , x ) ; } int main() { int a = 123 ; foo( a ) ; // 124 // 処理後 main::a は 124 に増えている。 foo( a ) ; // 124 return 0 ; // さらに125と増える。 }
構造体のポインタ渡し
ここまでの説明を踏まえ、構造体を使ったプログラムでは、構造体のポインタ渡しが一般的である。以下に、名前と年齢のデータを扱うプログラムを示す。
// 構造体のポインタ渡しのプログラム
struct Person {
int name[ 20 ] ;
int age ;
} ;
// 構造体にデータを代入するための関数
void set_Person( struct Person* p , char nm[] , int ag ) {
// ポインタ参照で書くと以下の通り
strcpy( (*p).name , nm ) ;
(*p).age = ag ;
// アロー演算子を使うとシンプルに書ける。
// strcpy( p->name , nm ) ;
// p->age = ag ;
}
// 構造体のデータを表示するための関数
void print_Person( struct Person* p ) {
printf( "%s %d¥n" , p->name , p->age ) ;
}
// 関数名さえ処理の意図がつたわる名前を使えば、
// 値をセットして、表示する...ぐらいは一目瞭然。
// 構造体の中身を知らなくても、関数の中身を知らなくても、
// やりたいことは伝わる。...隠蔽化
int main() {
struct Person tsaitoh ;
// tsaitohに set して、
set_Person( &tsaitoh , "t-saitoh" , 55 ) ;
// tsaitohを print する。
print_Person( &tsaitoh ) ;
return 0 ;
}
このプログラムでは、main() の部分だけを見ると、tsaitoh という Person というデータがあり、set_Person() で値をセットして、print_Person() で値を出力するという雰囲気は伝わる。
この main() であれば、Person の name が文字配列とか age が int 型といった情報は知らなくても使える。(データ構造の隠蔽化)
また、set_Person() や print_Person() もどんな関数を使って表示しているのかも知らなくてもいい。(手続きの隠蔽化)
これにより、Person というデータ構造やそれを扱う処理の中身を設計する人と、Person というデータを使う人でプログラム開発の分業ができる。さらに、プログラムで不具合があったときは、Personの内部が悪いのか、使い方が悪いのかの原因の切り分けも明確になる。
オブジェクト指向プログラミングに書き換え
// 構造体のポインタ渡しのプログラム
class Person {
private:
int name[ 20 ] ;
int age ;
public:
void set( char nm[] , int ag ) {
strcpy( name , nm ) ;
age = ag ;
}
void print() {
printf( "%s %d\n" , name , age ) ;
}
} ; // ← この行の「；」に要注意
int main() {
Person tsaitoh ;
// tsaitohに set して、
tsaitoh.set( "t-saitoh" , 55 ) ;
// tsaitohを print する。
tsaitoh.print() ;
return 0 ;
}
授業アンケート結果
オブジェクト指向/2021/ガイダンス
専攻科2年のオブジェクト指向プログラミングの授業の1回目。
シラバスは、ここに示すように、最近のプログラミングの基本となっているオブジェクト指向について、その機能についてC++言語を用いて説明し、後半では対象(オブジェクト)をモデル化して設計するための考え方(UML)について説明する。
評価は、3つの課題と最終テストを各25%づつで評価を行う。
オブジェクト指向プログラミングの歴史
最初のプログラム言語のFortran(科学技術計算向け言語)の頃は、処理を記述するだけだったけど、 COBOL(商用計算向け言語)ができた頃には、データをひとまとめで扱う「構造体」(C言語ならstruct …}の考えができた。(データの構造化)
// C言語の構造体
struct Person { // 1人分のデータ構造をPersonとする
char name[ 20 ] ; // 名前
int b_year, b_month, b_day ; // 誕生日
} ;
一方、初期のFortranでは、プログラムの処理順序は、繰り返し処理も if 文と goto 文で記載し、処理がわかりにくかった。その後のALGOLの頃には、処理をブロック化して扱うスタイル(C言語なら{ 文 … }の複文で 記述する方法ができてきた。(処理の構造化)
// ブロックの考えがない時代の雰囲気をC言語で表すと
int i = 0 ;
LOOP: if ( i >= 10 ) goto EXIT ;
if ( i % 2 != 0 ) goto NEXT ;
printf( "%d " , i ) ;
NEXT: i++ ;
goto LOOP ;
EXIT:
// C 言語で書けば
int i ;
for( i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
if ( i % 2 == 0 ) {
printf( "%d¥n" , i ) ;
}
}
! 構造化文法のFORTRANで書くと
integer i
do i = 0 , 9
if ( mod( i , 2 ) == 0 ) then
print * , i
end if
end do
このデータの構造化・処理の構造化により、プログラムの分かりやすさは向上し、このデータと処理をブロック化した書き方は「構造化プログラミング(Structured Programming)」 と呼ばれる。
この後、様々なプログラム言語が開発され、C言語などもできてきた。 一方で、シミュレーションのプログラム開発(例simula)では、 シミュレーション対象(object)に対して、命令するスタイルの書き方が生まれ、 データに対して命令するという点で、擬人法のようなイメージで直感的にも分かりやすかった。 これがオブジェクト指向プログラミング(Object Oriented Programming)の始まりとなる。略記するときは OOP などと書くことが多い。
この考え方を導入した言語の1つが Smalltalk であり、この環境では、プログラムのエディタも Smalltalk で記述したりして、オブジェクト指向がGUIのプログラムと親和性が良いことから、この考え方は多くのプログラム言語へと取り入れられていく。
C言語にこのオブジェクト指向を取り入れ、C++が開発される。さらに、この文法をベースとした、 Javaなどが開発されている。最近の新しい言語では、どれもオブジェクト指向の考えが使われている。
この授業の中ではオブジェクト指向プログラミングにおける、隠蔽化, 派生と継承, 仮想関数 などの概念を説明する。
構造体の導入
C++でのオブジェクト指向は、C言語の構造体の表記がベースになっているので、まずは構造体の説明。詳細な配布資料を以下に示す。
// 構造体の宣言
struct Person { // Personが構造体につけた名前
char name[ 20 ] ; // 要素1
int phone ; // 要素2
} ; // 構造体定義とデータ構造宣言を
// 別に書く時は「;」の書き忘れに注意
// 構造体変数の宣言
struct Person saitoh ;
struct Person data[ 10 ] ;
// 実際にデータを参照 構造体変数.要素名
strcpy( saitoh.name , "t-saitoh" ) ;
saitoh.phone = 272925 ;
for( int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
scanf( "%d%s" , data[ i ].name , &(data[ i ].phone) ) ;
}
構造体に慣れていない人のための課題
- 以下に、C言語の構造体を使った基本的なプログラムを示す。このプログラムでは、国語,算数,理科の3科目と名前の5人分のデータより、各人の平均点を計算している。このプログラムを動かし、以下の機能を追加せよ。レポートには プログラムリストと動作結果の分かる結果を付けること。
- 国語の最低点の人を探し、名前を表示する処理。
- 算数の平均点を求める処理。
#include <stdio.h>
struct Student {
char name[ 20 ] ;
int kokugo ;
int sansu ;
int rika ;
} ;
struct Student table[5] = {
// name , kokugo , sansu , rika
{ "Aoyama" , 56 , 95 , 83 } ,
{ "Kondoh" , 78 , 80 , 64 } ,
{ "Saitoh" , 42 , 78 , 88 } ,
{ "Sakamoto" , 85 , 90 , 36 } ,
{ "Yamagosi" ,100 , 72 , 65 } ,
} ;
int main() {
int i = 0 ;
for( i = 0 ; i < 5 ; i++ ) {
double sum = table[i].kokugo + table[i].sansu + table[i].rika ;
printf( "%-10.10s %3d %3d %3d %6.2lf\n" ,
table[i].name , table[i].kokugo , table[i].sansu , table[i].rika ,
sum / 3.0 ) ;
}
return 0 ;
}
オブジェクト指向プログラミング2020全講義録
専攻科2年オブジェクト指向プログラミングの2020年度の講義録の一覧
2020年度前期授業アンケート
情報構造論
情報構造論は通年科目なので、中間状況だけど、ひとまず80ポイント越え。1件だけ最低評価が並んでいるのが気がかり。不満のある人が積極的に質問してくれるといいのだが。
オブジェクト指向プログラミング
オブジェクト指向は、専攻科2年相手の前期科目。課題でやや不満が1件あるけど、難しかったのだろうか。設定が曖昧だったのだろうか。
情報制御基礎
情報制御基礎は、3年生の学際科目で全学科対象の授業。「テストの過去問題がWebに掲載してあり勉強しやすかった」といった趣旨の意見もあり、評価も高かった。
どの授業も、コロナによる遠隔授業であったが、例年 Web に掲載している講義資料をそのまま使い、Teams のWeb会議でMicrosoft Edge のペン書き機能を使いながら補足説明を書き込みしながら行なった。Web会議は録画しておき、オンデマンドで視聴できるようにしておいたので、コロナ遠隔授業といいながらも、授業の進め方は今まで通りにすすめたつもり。
オブジェクト指向のUML図
専攻科2年のオブジェクト指向プログラミングでは、レポート課題の最終テーマがUMLで自分の特別研究のテーマを表現する内容。
今年のレポートでは、なかなかいいUML図を書いてくる人が多かったので、メモ。
