Язык программирования Си и Си / Бьерн Страуструп. Язык программирования С++

151

circle(point p, int r); };

Если чисто виртуальная функция не определяется в производном классе, то она и остается таковой, а значит производный класс тоже является абстрактным. При таком подходе можно реализовывать классы поэтапно:

class X { public:

Абстрактные классы нужны для задания интерфейса без уточнения каких-либо конкретных деталей реализации. Например, в операционной системе детали реализации драйвера устройства можно скрыть таким абстрактным классом:

class character_device { public:

virtual int open() = 0;

virtual int close(const char*) = 0; virtual int read(const char*, int) =0; virtual int write(const char*, int) = 0; virtual int ioctl(int ...) = 0;

// ...

};

Настоящие драйверы будут определяться как производные от класса character_device.

После введения абстрактного класса у нас есть все основные средства для того, чтобы написать законченную программу.

6.4 Пример законченной программы

Рассмотрим программу рисования геометрических фигур на экране. Она естественным образом распадается на три части:

[1]монитор экрана: набор функций и структур данных низкого уровня для работы с экраном; оперирует только такими понятиями, как точки, линии;

[2]библиотека фигур: множество определений фигур общего вида (например, прямоугольник, окружность) и стандартные функции для работы с ними;

152

[3] прикладная программа: конкретные определения фигур, относящихся к задаче, и работающие с ними функции.

Как правило, эти три части программируются разными людьми в разных организациях и в разное время, причем они обычно создаются в перечисленном порядке. При этом естественно возникают затруднения,

поскольку, например, у разработчика монитора нет точного представления о том, для каких задач в конечном счете он будет использоваться. Наш пример будет отражать этот факт. Чтобы пример имел допустимый размер, библиотека фигур весьма ограничена, а прикладная программа тривиальна. Используется совершенно примитивное представление экрана, чтобы даже читатель, на машине

которого нет графических средств, сумел поработать с этой программой. Можно легко заменить монитор экрана на более развитую программу, не изменяя при этом библиотеку фигур или прикладную программу.

6.4.1 Монитор экрана

Вначале было желание написать монитор экрана на С, чтобы еще больше подчеркнуть разделение между уровнями реализации. Но это оказалось утомительным, и поэтому выбрано компромиссное решение: стиль программирования, принятый в С (нет функций-членов, виртуальных функций, пользовательских операций и т.д.), но используются конструкторы, параметры функций полностью описываются и проверяются и т.д. Этот монитор очень напоминает программу на С, которую модифицировали, чтобы воспользоваться возможностями С++, но полностью переделывать не стали.

Экран представлен как двумерный массив символов и управляется функциями put_point() и put_line(). В них для связи с экраном используется структура point:

// файл screen.h

const int XMAX=40; const int YMAX=24;

struct point { int x, y; point() { }

point(int a,int b) { x=; y=b; }

};

extern void put_point(int a, int b);

inline void put_point(point p) { put_point(p.x,p.y); }

extern void put_line(int, int, int, int); extern void put_line(point a, point b)

{ put_line(a.x,a.y,b.x,b.y); }

extern void screen_init(); extern void screen_destroy(); extern void screen_refresh(); extern void screen_clear();

#include <iostream.h>

До вызова функций, выдающих изображение на экран (put_...), необходимо обратиться к функции инициализации экрана screen_init(). Изменения

в структуре данных, описывающей экран, станут видимы на нем только после вызова функции обновления экрана screen_refresh(). Читатель может убедиться, что обновление экрана происходит

просто с помощью копирования новых значений в массив, представляющий экран. Приведем функции и определения данных для управления экраном:

153

#include "screen.h" #include <stream.h>

enum color { black='*', white=' ' };

char screen[XMAX] [YMAX];

void screen_init()

{

for (int y=0; y<YMAX; y++) for (int x=0; x<XMAX; x++)

screen[x] [y] = white;

}

Функция

void screen_destroy() { }

приведена просто для полноты картины. В реальных системах обычно нужны подобные функции уничтожения объекта.

Точки записываются, только если они попадают на экран:

inline int on_screen(int a, int b) // проверка попадания

{

return 0<=a && a <XMAX && 0<=b && b<YMAX;

}

void put_point(int a, int b)

{

if (on_screen(a,b)) screen[a] [b] = black;

}

Для рисования прямых линий используется функция put_line():

void put_line(int x0, int y0, int x1, int y1) /*

Нарисовать отрезок прямой (x0,y0) - (x1,y1).

Уравнение прямой: b(x-x0) + a(y-y0) = 0.

Минимизируется величина abs(eps),

где eps = 2*(b(x-x0)) + a(y-y0). См. Newman, Sproull

``Principles of interactive Computer Graphics'' McGraw-Hill, New York, 1979. pp. 33-34.

*/

{

register int dx = 1; int a = x1 - x0;

if (a < 0) dx = -1, a = -a;

register int dy = 1; int b = y1 - y0;

if (b < 0) dy = -1, b = -b;

int two_a = 2*a; int two_b = 2*b;

int xcrit = -b + two_a; register int eps = 0;

for (;;) { put_point(x0,y0);

if (x0==x1 && y0==y1) break;

if (eps <= xcrit) x0 +=dx, eps +=two_b; if (eps>=a || a<b) y0 +=dy, eps -=two_a;

}

}

Имеются функции для очистки и обновления экрана:

154

void screen_clear() { screen_init(); }

void screen_refresh()

{

for (int y=YMAX-1; 0<=y; y--) { // с верхней строки до нижней for (int x=0; x<XMAX; x++) // от левого столбца до правого

cout << screen[x] [y]; cout << '\n';

}

}

Но нужно понимать, что все эти определения хранятся в некоторой библиотеке как результат работы транслятора, и изменить их нельзя.

6.4.2 Библиотека фигур

Начнем с определения общего понятия фигуры. Определение должно быть таким, чтобы им можно было воспользоваться (как базовым классом shape) в разных классах, представляющих все конкретные фигуры (окружности, квадраты и т.д.). Оно также должно позволять работать со всякой фигурой исключительно с помощью интерфейса, определяемого классом shape:

struct shape {

static shape* list; shape* next;

shape() { next = list; list = this; }

virtual point north() const = 0; virtual point south() const = 0; virtual point east() const = 0; virtual point west() const = 0; virtual point neast() const = 0; virtual point seast() const = 0; virtual point nwest() const = 0; virtual point swest() const = 0;

virtual void draw() = 0; virtual void move(int, int) = 0;

};

Фигуры помещаются на экран функцией draw(), а движутся по нему с помощью move(). Фигуры можно помещать относительно друг друга, используя понятие точек контакта. Для обозначения точек контакта используются названия сторон света в компасе: north - север, ... , neast - северо-восток, ... , swest - юго-запад. Класс каждой конкретной фигуры сам определяет смысл этих точек и определяет, как рисовать фигуру. Конструктор shape::shape() добавляет

фигуру к списку фигур shape::list. Для построения этого списка используется член next, входящий в каждый объект shape. Поскольку нет смысла в объектах типа общей фигуры, класс shape определен как абстрактный класс.

Для задания отрезка прямой нужно указать две точки или точку и целое. В последнем случае отрезок будет горизонтальным, а целое

задает его длину. Знак целого показывает, где должна находиться заданная точка относительно конечной точки, т.е. слева или справа от нее:

class line : public shape { /*

отрезок прямой ["w", "e" ]

north() определяет точку - `` выше центра отрезка и

155

так далеко на север, как самая его северная точка''

*/

point w, e; public:

point north() const

{return point((w.x+e.x)/2,e.y<w.y?w.y:e:y); } point south() const

{return point((w.x+e.x)/2,e.y<w.y?e.y:w.y); } point east() const;

point west() const; point neast() const; point seast() const; point nwest() const; point swest() const;

sw ------ s ----- se

*/

point sw, ne; public:

point north() const { return point((sw.x+ne.x)/2,ne.y); } point south() const { return point((sw.x+ne.x)/2,sw.y); } point east() const;

point west() const;

point neast() const { return ne; } point seast() const;

point nwest() const;

point swest() const { return sw; }

void move(int a, int b)

{ sw.x+=a; sw.y+=b; ne.x+=a; ne.y+=b; } void draw();

rectangle(point,point);

};

Прямоугольник строится по двум точкам. Конструктор усложняется, так как необходимо выяснять относительное положение этих точек:

rectangle::rectangle(point a, point b)

{

ne = b;

}

else {

sw = point(a.x,b.y); ne = point(b.x,a.y);

}

}

else {

157

дадим описание фигуры myshape:

#include "shape.h"

class myshape : public rectangle {

public:

myshape(point, point); void draw();

void move(int, int); };

Глаза и рот являются отдельными независимыми объектами которые создает конструктор класса myshape:

myshape::myshape(point a, point b) : rectangle(a,b)

{

int ll = neast().x-swest().x+1; int hh = neast().y-swest().y+1; l_eye = new line(

point(swest().x+2,swest().y+hh*3/4),2); r_eye = new line(

point(swest().x+ll-4,swest().y+hh*3/4),2); mouth = new line(

point(swest().x+2,swest().y+hh/4),ll-4);

}

Объекты, представляющие глаза и рот, выдаются функцией shape_refresh() по отдельности. В принципе с ними можно работать независимо от объекта my_shape, к которому они принадлежат. Это один из способов задания черт лица для строящегося иерархически объекта myshape.

Как это можно сделать иначе, видно из задания носа. Никакой тип "нос" не определяется, он просто дорисовывается в функции draw():

void myshape::draw()

{

rectangle::draw();

int a = (swest().x+neast().x)/2; int b = (swest().y+neast().y)/2; put_point(point(a,b));

}

Движение фигуры myshape сводится к движению объекта базового класса rectangle и к движению вторичных объектов (l_eye, r_eye и mouth):

void myshape::move(int a, int b)

{

rectangle::move(a,b); l_eye->move(a,b); r_eye->move(a,b); mouth->move(a,b);

}

Наконец, определим несколько фигур и будем их двигать:

int main()

{

screen_init();

shape* p1 = new rectangle(point(0,0),point(10,10)); shape* p2 = new line(point(0,15),17);

shape* p3 = new myshape(point(15,10),point(27,18)); shape_refresh();

p3->move(-10,-10); stack(p2,p3); stack(p1,p2); shape_refresh();

158

screen_destroy(); return 0;

}

Вновь обратим внимание на то, что функции, подобные shape_refresh() и stack(), работают с объектами, типы которых были определены заведомо после определения этих функций (и, вероятно, после их трансляции).

Вот получившееся лицо со шляпой:

***********

**

**

**

**

**

**

**

***********

*****************

***********

**

* ** ** *

**

* * *

**

******** *

**

***********

Для упрощения примера копирование и удаление фигур не обсуждалось.

6.5Множественное наследование

В$$1.5.3 и $$6.2.3 уже говорилось, что у класса может быть несколько прямых базовых классов. Это значит, что в описании класса после :

может быть указано более одного класса. Рассмотрим задачу моделирования, в которой параллельные действия представлены стандартной библиотекой классов task, а сбор и выдачу информации обеспечивает библиотечный класс displayed. Тогда класс моделируемых объектов (назовем его satellite) можно определить так:

class satellite : public task, public displayed { // ...

};

Такое определение обычно называется множественным наследованием. Обратно, существование только одного прямого базового класса называется единственным наследованием.

Ко всем определенным в классе satellite операциям добавляется объединение операций классов task и displayed:

void f(satellite& s)

С другой стороны, объект типа satellite можно передавать функциям с параметром типа task или displayed:

void highlight(displayed*);

159

void suspend(task*);

void g(satellite* p)

{

}

Очевидно, реализация этой возможности требует некоторого (простого) трюка от транслятора: нужно функциям с параметрами task и displayed передать разные части объекта типа satellite.

Для виртуальных функций, естественно, вызов и так выполнится правильно:

class task { // ...

virtual pending() = 0;

};

class displayed { // ...

virtual void draw() = 0;

};

class satellite : public task, public displayed { // ...

void pending(); void draw();

};

Здесь функции satellite::draw() и satellite::pending() для объекта

типа satellite будут вызываться так же, как если бы он был объектом типа displayed или task, соответственно.

Отметим, что ориентация только на единственное наследование ограничивает возможности реализации классов displayed, task и satellite. В таком случае класс satellite мог бы быть task или displayed, но не то и другое вместе (если, конечно, task не является производным от displayed или наоборот). В любом случае теряется гибкость.

6.5.1 Множественное вхождение базового класса

Возможность иметь более одного базового класса влечет за собой возможность неоднократного вхождения класса как базового. Допустим, классы task и displayed являются производными класса link, тогда

в satellite он будет входить дважды:

class task : public link {

//link используется для связывания всех

//задач в список (список диспетчера)

//...

};

class displayed : public link {

//link используется для связывания всех

//изображаемых объектов (список изображений)

//...

};

Но проблем не возникает. Два различных объекта link используются для различных списков, и эти списки не конфликтуют друг с другом.

160

Конечно, без риска неоднозначности нельзя обращаться к членам класса link, но как это сделать корректно, показано в следующем разделе. Графически объект satellite можно представить так:

Но можно привести примеры, когда общий базовый класс не должен представляться двумя различными объектами (см. $$6.5.3).

6.5.2 Разрешение неоднозначности

Естественно, у двух базовых классов могут быть функции-члены с одинаковыми именами:

class task { // ...

virtual debug_info* get_debug();

};

class displayed { // ...

virtual debug_info* get_debug();

};

При использовании класса satellite подобная неоднозначность функций должна быть разрешена:

void f(satellite* sp)

{

Однако, явное разрешение неоднозначности хлопотно, поэтому для ее устранения лучше всего определить новую функцию в производном классе:

class satellite : public task, public derived { // ...

debug_info* get_debug()

{

debug_info* dip1 = task:get_debug(); debug_info* dip2 = displayed::get_debug(); return dip1->merge(dip2);

}

};

Тем самым локализуется информация из базовых для satellite классов. Поскольку satellite::get_debug() является переопределением функций get_debug() из обоих базовых классов, гарантируется, что именно она будет вызываться при всяком обращении к get_debug() для объекта типа satellite.

Транслятор выявляет коллизии имен, возникающие при определении одного и того же имени в более, чем одном базовом классе. Поэтому программисту не надо указывать какое именно имя используется, кроме случая, когда его использование действительно неоднозначно. Как правило использование базовых классов не приводит к коллизии имен. В большинстве случаев, даже если имена совпадают, коллизия не возникает, поскольку имена не используются непосредственно для объектов производного класса.

Аналогичная проблема, когда в двух классах есть функции с одним именем, но разным назначением, обсуждается в $$13.8 на примере функции draw() для классов Window и Cowboy.

Если неоднозначности не возникает, излишне указывать имя базового класса при явном обращении к его члену. В частности, если