仮想関数を用いた課題
第２回レポート課題
- 純粋仮想基底クラスの資料を参考に、複素数データ(直行座標系でも極座標でもよい)の並び替えを行うプログラムを作成せよ。ただし、(1)複素数専用の並び替え関数を作らないこと。(2)複素数用の比較関数を作ること。(3)Object型の並び替え my_sort() を使うこと。
- 生物を表す基底を作成し、以下の機能を持つ派生クラスを作成せよ。
- 生物クラスは、<名前>を持つ。
- 哺乳類クラス(Mammal)に、move() を実行すると、”<名前>は歩く”と表示すること。
- 哺乳類クラスに、spawn() を実行すると、”<名前>は子供を産む”と表示すること。
- 鳥クラス(Bird)に、move() を実行すると、”<名前>は飛ぶ”と表示すること。
- 鳥クラスに、spawn() を実行すると、”<名前>は卵を産む”と表示すること。
- 人間クラス(Human)に move() を実行すると、”<名前>は歩く”と表示されること。
- 人間クラスに spawn() を実行すると、”<名前>は子供を産む”と表示されること。
- にわとりクラス(Chiken)に、move(),spawn() を実行できること。
- かものはしクラス(SeaBream)を作るにはどうすればいいか考察せよ。
class Creature { } ; class Mammal : ...... { } ; class Human : ...... { } ; class Bird : ...... { } ; class Chiken : ...... { } ; int main() { Mammal tama_cat( "tama" ) ; tama_cat.move() ; // tamaは歩く tama_cat.spawn() ; // tamaは子供を産む Human jane_human( "jane" ) ; jane_human.move() ; // janeは歩く jane_human.spawn() ; // janeは子供を産む Bird tori_bird( "tori" ) ; tori_bird.move() ; // toriは飛ぶ tori_bird.spawn() ; // toriは卵を産む Chiken piyo_chiken( "PiyoPiyo" ) ; piyo_chiken.move() ; // PiyoPiyoは飛ぶ piyo_chiken.spawn() ;// PiyoPiyoは卵を産む SeaBream golduck( "golduck" ) ; golduck.move() ; // golduckは歩く golduck.spawn() ; // golduckは卵を産む }
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、純粋仮想基底クラスがある。その使い方を説明する。
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情報を持っている)
例えば、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。
// 純粋仮想基底クラス
class Object {
public:
virtual void print() = 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() {
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() {
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() {
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。
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。
#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 ) { return *pa - *pb ; } int cmp_double( double* pa , double* pb ) { if ( *pa == *pb ) return 0 ; else if ( *pa > *pb ) return 1 ; else return -1 ; } int main() { qsort( a , 4 , sizeof( int ) , (int(*)(void*,void*)) cmp_int ) ; qsort( b , 3 , sizeof( double ) , (int(*)(void*,void*)) cmp_double ) ; }
任意のデータを並び替え
class Object {
public:
virtual void print() = 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() {
printf( "%d\n" , data ) ;
}
virtual int cmp( Object* p ) {
int pdata = ((IntObject*)p)->data ;
return data - pdata ;
}
} ;
// 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() {
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() {
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 } ; my_sort( idata , 5 ) ; for( int i = 0 ; i < 5 ; i++ ) printf( "%d " , idata[i] ) ; printf( "\n" ) ; my_sort( 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。
派生と継承
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 ) ;
}
} ;
void 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
} // - 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。
void 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() ;
}
}
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 という要素を追加し、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 ) ;
}
} ;
void 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 ;
}
}
}
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、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、型情報の代入は注意深く書かないとバグの元になるし、型に応じた分岐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 ) ;
}
} ;
void 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() ;
}
}
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 ; } void 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 ) ) ; }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。
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。
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)
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 ) ;
}
void main() {
struct Person saitoh ;
set_Person( &saitoh , "t-saitoh" , 50 ) ;
print_Person( &saitoh ) ;
}
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 ;
}
// 名前と年齢だけ表示
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 ) ;
}
void main() {
struct PersonStudent1 yama1 ;
set_PersonStudent1( &yama1 ,
"yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
print_PersonStudent1( &yama1 ) ;
}
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、同じような処理を何度も書くことになり、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 ) ;
}
void main() {
struct PersonStudent2 yama2 ;
set_PersonStudent2( &yama2 ,
"yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
print_PersonStudent2( &yama2 ) ;
}
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、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 ;
}
} ;
void main() {
Person saitoh( "t-saitoh" , 50 ) ;
saitoh.print() ;
Student yama( "yama" , 22 , "PS" , 2 ) ;
yama.print() ;
}
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。
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
}
} ;
void main() {
Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ;
saitoh.print() ; // t-saitoh 55 名前と年齢を表示
Student mitsu( "mitsuki" , 19 , "E" , 4 ) ;
Student ayuka( "ayuka" , 17 , "EI" , 2 ) ;
mitsu.print() ; // mitsuki 19 / E 4 名前,年齢,所属,学年を表示
ayuka.print() ; // ayuka 17 / EI 2 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 53/mitsuki 18/ayuka 16
} // が表示される。
コンストラクタと複素数クラス
コンストラクタ
プログラミングでは、データの初期化忘れによる間違いもよく発生する。これを防ぐために、C++ のクラスでは、コンストラクタ(構築子)がある。データ構造の初期化専用の関数。
// コンストラクタ
#include <stdio.h>
#include <string.h>
class Person {
private:
char name[ 20 ] ;
int age ;
public:
void print() {
printf( "%s %d¥n" , name , age ) ;
}
Person() { // コンストラクタ(A)
name[0] = '¥0' ; // 空文字列
age = 0 ;
}
Person( const char str[] , int ag ) { // コンストラクタ(B)
strcpy( name , str ) ;
age = ag ;
}
~Person() { // デストラクタ
print() ; // 内容の表示
}
} ;
int main() {
Person saitoh( "t-saitoh" , 55 ) ; // (A)で初期化
Person tomoko() ; // (B)で初期化
saitoh.print() ; // "t-saitoh 55" の表示
tomoko.print() ; // " 0" の表示
return 0 ; // この時点で saitoh.~Person()
// tomoko.~Person() が自動的に
} // 呼び出される。
コンストラクタと反対に、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される関数。
このクラスの中には、引数無しのコンストラクタと、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
#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 ) {
re = r ;
im = i ;
}
Complex() {
// デフォルトコンストラクタ
re = 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 = 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。
メソッドのプロトタイプ宣言
class 構文では、{} の中に、要素の定義や、メソッドの記述を行うと説明してきたが、メソッド内の処理が長い場合もある。
この時に、すべてを {} の中に書こうとすると、全体像が見渡せない。こういう時には、以下のように、メソッドのプロトタイプ宣言と、メソッドの実体の記述を別に記載する。
class Complex {
private:
double re , im ;
public:
Complex( double r , double i ) ; // メソッドのプロトタイプ宣言
void print() ;
} ;
// メソッドの実体
Complex::Complex( double r , double i ) {
re = r ;
im = i ;
}
void Complex::print() {
printf( "%lf + j %lf" , re , im ) ;
}
ゲッター/セッター (経験者向け解説)
それぞれのクラス宣言では、get_re() , get_im() , get_abs() , get_arg() というメソッドを記載した。このように記述しておくと、クラス外で re , im といったメンバを public 指定をせずに、リファクタリングしやすいクラスにすることができる。(re, im を public にしてしまうと、クラス外でオブジェクトへの代入が可能となる。)
PHPなどの private や public の機能のないオブジェクト指向言語では、get_xx() といった要素の参照しかできないメソッドを作ったうえで、クラス外でメンバ参照をしないというマナーを徹底させることで、public 機能の代用し、隠蔽化を徹底させることも多い。
この場合、参照専用の get_xx() と同じように、要素に値を設定するためのメソッド set_xx( 値… ) を作るとプログラムの意味が分かりやすくなる。こういったクラスの参照や代入のメソッドは、getter(ゲッター),setter(セッター)と呼ぶ。
ゲッターやセッターメソッドでは、要素を参照(あるいは代入)するだけといった極めて単純な関数を作ることになる。この場合、関数呼び出しの処理時間が無駄になる。この対処として、C++ には inline 関数機能がある。関数(メソッド)の前に、inline を指定すると、コンパイラは関数呼び出し用の命令を生成せず、それと同じ処理となる命令を埋め込んでくれる。(開いたサブルーチン)
class Complex {
private:
double re , im ;
public:
:
inline void get_re() {
return re ;
}
} ;
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 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
int a = 123 ;
foo( a ) ;
return 0 ;
}
前に説明した、getter メソッド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 ;
}
} ;
授業アンケート結果(ぷちブルーな気分)
情報ネットワーク基礎(3EI/後期)
楽しんで受講してくれた人からの意見があり、ポイントでも85ポイントと高評価であった。内容理解やシラバスについてポイントが若干低いようであるが、誤差の範疇と思われる。理解把握のポイントが最も低く、理解度確認のための質問などをもう少し増やしても良かったかと思う。
情報制御基礎(3年学際科目/前期)
学際科目ということで、初めて実施した科目であり、他学科からも受講生がある内容で、ポイントも70ポイントと低い評価であった。
プログラムを授業でやっていない学科の学生から、内容が理解できないとの意見が多かった。今年度は、他学科の学生にもわかるように、プログラムの説明を増やしたり、プログラムよりも基本的な内容を増やしたいと考えている。
情報構造論(4EI/通年)
意見の欄には、例年になく辛辣な意見もあった。他の同クラスのアンケートでも、全般的に厳しい意見が多くみられ、ポイントは74.8と例年よりも低くいが、このクラスのオフセットとも考えられる。
昨年から講義資料のWeb掲載などを行い、それを使った授業を中心としているが、ノート作成ができていない学生から、ノートをとる時間を十分にとってほしいとの意見があった。もう少し、授業の時間の作り方などを考えたいが、一方で不まじめな学生がノートもも一切とらないで受講する姿は、理解する意欲に欠けていることもあり、どのような対処とすべきか、時間をかけて考えていきたい。
データベース(5EI/後期)
ポイントでは78.6と、若干低めの評価であった。演習量や試験についての評価が他に比べて若干低く、意見でも図や表といった具体例を交えた例での説明を増やしたほうが理解が進むとの建設的な意見もあった。資料などもWebでの公開などを進めているが、今後も実例などを増やし解りやすい資料を目指したい。
オブジェクト指向プログラミング(PS2/前期)
他学科出身の受講者も含まれるため、例年進度に注意しながら授業を進めているが、ポイントでは80ポイントで、例年並みの評価であった。
もう少し、演習などをタイムリーに行いながら授業を進めたいと考えているが、演習環境などの準備も必要で自主学習などの課題を検討したいと思う。
構造体でオブジェクト指向の最初の一歩
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、データ設計者と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 ) ; // phone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。
引数渡しについて
オブジェクト指向の授業では他学科出身の人も多いので、引数渡しの理解が浅いことから、別途説明を行う。
値渡し、ポインタ渡し、参照渡し
構造体の使い方の話では、関数との構造体のデータ渡しでポインタなどが出てくるので、 値渡し・ポインタ渡し・参照渡しの説明。(参照渡しはC++で導入された考え方)
値渡し
C言語の基本は、値渡し。呼び出し側の実引数は、関数側の仮引数に値がコピーされる。 このため、呼び出し側の変数(下の例ではa)の中身は変化しない。 よって、関数の呼び出しで呼び出し側の変数が勝手に中身が変わらないので、予想外の変数の中身の変化が無く分かりやすい。
// 値渡し(call by value)の例
void foo( int x ) {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124が表示
foo( a ) ; // 124が表示
}
ポインタ渡し
しかし、上の例では、foo()の呼び出しで、変数aの中身が変化してくれたほうが都合が良い場合もある。 この場合は、C言語ではポインタを使って記述する。 このように、関数を呼び出して、手元の変数が変化することは、副作用と呼ばれる。 副作用の多いプログラムは、変数の値の管理がわかりにくくなるので、副作用は最小限に記述すべき。
// ポインタ渡し(call by pointer)の例
void foo( int *px ) {
(*px)++ ;
printf( "%d¥n" , (*px) ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( &a ) ; // 124が表示
foo( &a ) ; // 125が表示
}
参照渡し
しかし、ポインタを多用すると、ポインタを動かしてトラブルも増えることから、ポインタはあまり使わない方が良い。 そこで、C++では参照型というものがでてきた。
// 参照型(call by reference)の場合
void foo( int &x ) {
x++ ;
printf( "%d¥n" , x ) ;
}
void main() {
int a = 123 ;
foo( a ) ; // 124が表示
foo( a ) ; // 125が表示
}
参照型は、ポインタを使っていないように見えるけれども、機械語レベルでみればポインタ渡しの命令を自動的に生成してくれるだけ。
オブジェクト指向/2019年度/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。最初に授業全般の概要を説明した後、オブジェクト指向の歴史とC言語の構造体の説明。
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)の頃は、処理を記述するだけだったけど、 COBOL(商用計算向け)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。 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、処理の構造化・データの構造化ができる。これが「構造化プログラミング(structured programming)」 の始まりとなる。
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の始まりとなる。
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普及が拡大する。
C言語にこのオブジェクト指向を取り入れて、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。
構造体の導入
C++でのオブジェクト指向は、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。
// 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) ) ;
}
授業アンケート(前期修了)
2018年度前期修了科目の授業アンケート。
オブジェクト指向プログラミング(専攻科)
専攻科オブジェクト指向は、80.5 で前年度ともあまり変わらないポイント。
板書については、Webに授業資料を公開しながらの授業であったため、評価が高かった。興味と関心についても評価が高い一方で、内容理解についてはポイントも低く、レポートなどを見ていると、プログラミングが苦手な人の参加も多かったように思う。もう少し理解に割く時間を増やしても良かったかもしれない。準備についての評価が低い。Web資料も準備しながらなので、準備はもう少し高いことを期待していた。
情報制御基礎(3年学際科目)
今年初めて実施の学際科目で、他学科の学生も受講する内容。このため、プログラミング経験の浅いM,C,Bの学生には、厳しい内容だった。しかし、情報制御という授業でプログラミング無しで、簡単なデータ処理を行うために2重forループも分からないのでは、授業で教える内容が無い。最初のガイダンスで、選択科目だしプログラミングが苦手なら受講を避けるようにすべきだったと思う。