C++大學教程(第6章 類與數(shù)據(jù)抽象(一)-01)
教學目標
    ●了解封裝與數(shù)據(jù)隱藏的軟件工程概念
    ●了解數(shù)據(jù)抽象和抽象數(shù)據(jù)類型(ADT)的符號
    ●生成C++的ADT(即類)
    ●了解如何生成、使用和刪除類對象
    ●控制對象數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)的訪問
    ●開始認識面向對象的價值

  6．1  簡介
    下面開始介紹C++中的面向對象。為什么把C++中的面向對象推遲到第6章才開始介紹呢?原因是我們要建立的對象是由各個結構化程序組件構成，因此先要建立結構化程序的基礎知識。
    在第1章到第5章的“有關對象的思考”小節(jié)中，我們介紹了C++中的面向對象編程的基本概念(即“對象思想”)和術語(即”對象語言”)。在這些”有關對象的思考”小節(jié)中，介紹了面向對象設計(object-orienteddesign，OOD)的方法：我們分析了典型問題的陳述，要求建立一個系統(tǒng)(電梯模擬程序)，確定實現(xiàn)該系統(tǒng)所需的類，確定這些類對象的屬性，確定這些類對象的行為，指定對象之間如何通過交互以完成系統(tǒng)的總體目標。
    下面簡要介紹面向對象的一些關鍵概念和術語。OOP將數(shù)據(jù)(屬性)和函數(shù)(行為)封裝(encapsulate)到稱為類(class)的軟件包中，類的數(shù)據(jù)和成員是密切聯(lián)系的。就像藍圖，建筑人員通過藍圖建造房子，而程序雖則通過類生成對象。一個藍圖可以多次復用．建造多幢房子；一個類也可以多次夏用，建立多個對象。類具有信息隱藏(information hiding)屬性,即類對象只知道如何通過定義良好的接口(interface)與其他類對象通信，但通常不知道其他類的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)細節(jié)隱藏在類中。我們可以熟練地開車，而不需要知道發(fā)動機、傳遞系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)的工作原理。我們可以看到信息隱藏對良好的軟件工程是多么重要。
    在C語言和其他過程化編程語言(proceduralprogramminglanguage)中，編程是面向操作的(action-oriented)，而在C++中，編程是面向對象的(object-oriented)。在C語言中，編程的單位是函數(shù)(function)，而在C++中．編程的單位是類(class)，對象最終要通過類實例化。
    C語言程序員的主要工作是編寫函數(shù)，完成某個任務的一組操作構成函數(shù)，函數(shù)的組合則構成程序。數(shù)據(jù)在C語言中當然很重要，但這些數(shù)據(jù)只用于支持函數(shù)所要進行的操作。系統(tǒng)指定中的動詞幫助C語言程序員確定一組用于實現(xiàn)系統(tǒng)的函數(shù)。
    C++程序員把重點放在生成稱為類的用戶自定義類型(user-definedtype)，類也稱為程序員定義類型(programmer-defined type)。每個類包含數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的一組函數(shù)。類的數(shù)據(jù)部分稱為數(shù)據(jù)成員(data member)。類的函數(shù)部分稱為成員函數(shù)(member function，有些面向對象語言中也稱為方法)。int等內部類型的實例稱為變量(variable)，而用戶自定義類型(即類)的實例則稱為對象(object)。在C++中，變量與對象常常互換使用，C++的重點是類而不是函數(shù)。系統(tǒng)指定中的名詞幫助C++程序員確定實現(xiàn)系統(tǒng)所需的用來生成對象的一組類。
    C++中的類是由C語言中的struct演變而來的。介紹C++類的開發(fā)之前．我們先使用結構建立用戶自定義類型，通過介紹這種方法的缺點從而說明類的優(yōu)點。

6．2  結構定義
    結構是用其他類型的元素建立的聚合數(shù)據(jù)類型。考慮下列結構定義：
 struct Time {
       int hour;      // 0-23
       int minute;    // 0-59
       int second;    // 0-59
    };
  結構定義用關鍵字struct引入。標識符Time是個結構標志(structure tag)，命名結構定義并聲明該結構類型(structure type)的變量。本例中，新類型名為Time。結構定義花括號中聲明的名稱是結構的成員(member)。同一結構的成員應有惟一名稱．但兩個不同結構可以包含同名成員而不會發(fā)生沖突。每個結構定義應以分號結尾。上述解釋對后面要介紹的類也適用，C++中的結構和類是非常相似的。
    Time的定義包含三個int類型的成員hour、minute和second。結構成員可以是任何類型，一個結構可以包含不同類型的成員。但是，結構不能包含自身的實例。例如，Time類型的成員不能在Time的結構定義中聲明，但該結構定義中可以包含另一Time結構的指針。當結構包含同一類型結構的指針時，稱為自引用結構(self-referential structure)。自引用結構用于形成鏈接數(shù)據(jù)結構，如鏈表、隊列、堆棧和樹等(見第15章介紹)。
    上述結構定義并沒有在內存中保留任何空間，而是生成新的數(shù)據(jù)類型，用于聲明變量。結構變量和其他類型的變量一樣聲明。下列聲明：
    Time timeObject，timeArray[10] ，*timePtr．
    &timeRef=timeobject；
  聲明timeObject為Time類型變量，timeArray為10個Time類型元素的數(shù)組，timePtr為Time對象的指針，timeRef為Time對象的引用(用timeObject初始化)。

6．3  訪問結構成員
    訪問結構成員或類成員時,使用成員訪問運算符(member access operator)，包括圓點運算符(．)和箭頭運算符(—>)。圓點運算符通過對象的變量名或對象的引用訪問結構和類成員。例如，要打印timeObject結構的hour成員，用下列語句：
    cout<<timeobject．hour;
  要打印timeRef引用的結構的hour成員，用下列語句:
   cout << timeRef．hour；
    箭頭運算符由負號(—>和大于號(>)組成，中間不能插空格，通過對象指針訪問結構和類成員。假沒指針timePtr聲明為指向Time對象，結構timeObject的地址賦給timePtr。要打印指針為timePtr的timeObjeet結構的hour成員，用下列語句：
    tzmePtr=&timeObject；
    cout<<timePtr->hour；
    表達式timePtr->hour等價于(*timePtr).hour，后者復引用指針并用圓點運算符訪問hour成員。
這里的括號是必需的，因為圓點運算符的優(yōu)先級高于復引用指針運算符(*)箭頭運算符和圓點運算符以及括號與方括號([])的優(yōu)先級較高，僅次于第3章介紹的作用域運算符，結合律為從左向右。
    常見編程錯誤6.1
    表達式(*timePtr).hour指timePtr所指struct的hour成員。省略括號的*timePtr.hour是個語法錯誤，因為“．”
  的優(yōu)先級高于“*”，表達式變成*(timePtrhour)。這是個語法錯誤，因為指針要用箭頭運算符引用成員。

6．4  用struct實現(xiàn)用戶自定義類型Time
    圖6．1生成用戶自定義類型Time，有三個整數(shù)成員hour、minute和second。程序定義一個Time類型的結構dinnerTime，并用圓點運算符初始化結構成員hour、minute和second的值分別為18、30和0。然后程序按軍用格式(或所謂“通用格式”)和標準格式打印時間。注意打印函數(shù)接收常量Time結構的引用，從而通過引用將Time類型的結構傳遞給打印函數(shù)，避免了按值傳人打印函數(shù)所涉及的復制開銷．并用const防止打印函數(shù)修改Time結構。第7章將介紹const對象與const成員函數(shù)。

1 // Fig. 6.1: fig0601.cpp
2 // Create a structure, set its members, and print it.
3 #include <iostream.h>
5 struct Time {   // structure definition
6   int hour;    // 0-23
7   int minute;  // 0-59
8   int second;  // 0-59
9 };
10
11 void printMilitary( const Time & );  // prototype
12 void printStandard( const Time & );  // prototype
13
14 int main()
15 (
16   Time dinnerTime;   // variable of new type Time
17
18   // set members to valid values
19   dinnerTime.hour = 18;
20   dinnerTime.minute = 30;
21   dinnerTime.second = O;
22  
23   cout << "Dinner  will  be  held  at ";
24   printMilitary( dinnerTime );
25   cout << " military time, \nwhich is ";
26   printStandard( dinnerTime );
27   cout << "standard time.\n";
28
29   // set members to invalid values
30   dinnerTime.hour = 29;
31   dinnerTime.minute = 73;
32
33   cout << "\nTime with invalid values: ";
34   printMilitary( dinnerTime );
35   cout << endl;
36   return 0;
37 }
38
39 // Print the time in military format
40 void printMilitary( const Time &t )
41 {
42     cout << ( t.hour < 10? "0" : "" ) << t.hour << ":"
43       << ( t.minute < 10? "0" :  "" ) << t.minute;
44 }
45
46 // Print the time in standard format
47 void printStandard( const Time &t )
48 {
49   cout << ( ( t.hour == 0 || t.hour == 12 ) ?
50           12 : t.hour % 12 )
51       << ":" << ( t.minute < 10 ? "0" : "" ) << t.minute
52       << ":" << ( t.second < 10?  "0" : "" ) << t.second
53       << ( t.hour < 12 ? "AM" : "PM" );
54 }

輸出結果：
Dinner will be held at 18:30 military time,
which is 6:30:00 PM standard time.
Time with invalid values: 29:73
                               
                              圖6．1  生成結構、設置結構成員和打印該結構

    性能提示6．1
    結構通常按值調用傳遞。要避免復制結構的開銷，可以按引用調用傳遞結構。
    軟件工程視點6．2
    要避免按值調用傳遞的開銷而且保護調用者的原始數(shù)據(jù)不被修改．可以將長度很大的參數(shù)作為const引用
  傳遞。
  
    用這種方式通過結構生成新數(shù)據(jù)類型有一定的缺點。由于初始化并不是必須的，因此就可能出現(xiàn)未初始化的數(shù)據(jù)，從而造成不良后果。即使數(shù)據(jù)已經初始化，也可能沒有正確地初始化。因為程序能夠直接訪問數(shù)據(jù)，所以無效數(shù)據(jù)可能賦給結構成員(如圖6．1)。在第30行和第31行，程序很容易向Time對象dinnerTime的hour和minute成員傳遞錯值。如果struct的實現(xiàn)方法改變(例如時間可以表示為從午夜算起的秒數(shù))，則所有使用這個struct的程序都要改變。這是因為程序員直接操作數(shù)據(jù)類型。沒有一個”接口”保證程序員正確使用數(shù)據(jù)類型并保持數(shù)據(jù)的一致狀態(tài)。
一定要編寫易于理解和易于維護的程序。不斷改變是規(guī)則而不走例外。程序員應預料到代碼要經常改變。
可以看出，類能夠提高程序的可修改性。
    還有其他與C語言式結構相關的問題。在C語言中，結構不能作為一個單位打印，而要一次一個地打印和格式化結構成員。可以編寫一個函數(shù)，以某種格式打印結構成員。第8章”運算符重載”中演示了如何重載<<運算符，使結構類型或類類型的對象能夠方便地打印。在C語言中，結構不能整體進行比較，而只能一個成員一個成員地比較。第8章還會演示如何重載相等運算符與關系運算符，比較C++結構類型或類類型的對象。
    下一節(jié)重新將Time結構實現(xiàn)為C++類，并演示用類生成抽象數(shù)據(jù)類型(abstract data type)的好處。從中將會看到，C++中類和結構的用法基本相同，差別在于各自的成員相關的默認訪問能力不同。

6．5  用類實現(xiàn)Time抽象數(shù)據(jù)類
型
    類使程序員可以構造對象的屬性(attribute，表示為數(shù)據(jù)成員)和行為(behavior)或操作(operation，表示為成員函數(shù))。C++中用關鍵字class定義包含數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)的類型。
    成員函數(shù)在有些面向對象編程語言中也稱為方法(method),響應對象接收的消息(message)。消息對應于一個對象發(fā)給另一個對象或由函數(shù)發(fā)給對象的成員函數(shù)調用。
    一旦定義了一個類，可以用類名聲明該類的對象。圖6．2顯示了Time類的簡單定義。
    Time類定義以關鍵字class開始。類定義體放在左右花括號(C1)之間，類定義用分號終止。Time類定義和Time類結構定義各包含三個整型成員hour、minute和second。
1 class Time {
2 public:
3    Time();
4    void setTime( int, int, int);
5    void printMilitary();
6    void printStandard();
7 private:
8    int hour;      // 0-23
9    int minute;    // 0-59
10   int second;    // 0-59
11 };

                                      圖6. 2 Time類的簡單定義

    常見編程錯誤6．2
    忘記類或結構定義結束時的分號是個語法錯誤。

    類定義的其他部分是新內容。public：和private：標號稱為成員訪問說明符(member accessspecifier)。在程序能訪問Time類對象的任何地方都可以訪問任何在成員訪問說明符public后面(和下一個成員訪問說明符之前)聲明的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)。成員訪問說明符private后面(和下一個成員訪問說明符之前)聲明的數(shù)據(jù)成員和成員函數(shù)只能由該類的成員函數(shù)訪問。成員訪問說明符總是加上冒號，可以在類定義中按任何順序多次出現(xiàn)。本文余下部分使用不帶冒號的成員訪問說明符public和private。第9章還將介紹另一個成員訪問說明符protected，并介紹繼承及其在面向對象編
程中的作用。
編程技巧6．1
    每個成員訪問說明符只在類定義中使用一次，這樣可以增加清晰性與可讀性。將public成員放在前面，便
于尋找。
    類定義中的訪問說明符public后面是成員函數(shù)Time、setTime、printMihtary和printStandard的函數(shù)原型。這些函數(shù)是類的public成員函數(shù)(或public服務、public行為、類的接口)。類的客戶(client，即程序中的用戶部分)使用這些函數(shù)操作該類的數(shù)據(jù)。
    注意與類名相同的成員函數(shù)，稱為該類的構造函數(shù)(constructor)。構造函數(shù)是個特殊成員函數(shù)，該函數(shù)初始化類對象的數(shù)據(jù)成員。類的構造函數(shù)在生成這個類的對象時自動調用。一個類常常有幾個構造函數(shù)，這是通過函數(shù)重載完成的。注意，構造函數(shù)不指定返回類型。

    常見編程錯誤6．3
    對構造函數(shù)指定返回類型或返回值是個語法錯誤。

    成員訪問說明符private后面有三個整型成員，表示類的這些數(shù)據(jù)成員只能讓成員函數(shù)訪問(下一章會介紹還可由類的友元訪問)。這樣，數(shù)據(jù)成員只能由類定義中出現(xiàn)函數(shù)原型的4個函數(shù)(和類的友元)訪問。數(shù)據(jù)成員通常放在類的private部分，成員函數(shù)通常放在Public部分。稍后會介紹，也可以用private成員函數(shù)和public數(shù)據(jù)，但比較少見，這不是好的編程習慣。
    定義類之后，可以在聲明中將其當作類型，如下所示：
Time sunset,                 // object of type Time
        arrayOfTimes[ 5 ],        // array of Time objects
        *pointerToTime,          // pointer to a Time object
        &dinnerTime = sunset;    // reference to a Time object
類名成為新的類型說明符。一個類可以有多個對象，就像int類型的變量可以有多個。程序員可以在需要時生成新的類類型，因此C++是個可擴展語言(exlensible language)。
    圖6．3使用Time類。程序實例化Time類的一個對象t。當對象實例化時，Time構造函數(shù)自動調用，顯式地將每個private數(shù)據(jù)成員初始化為0。然后按軍用格式和標準格式打印時間，確保成員已經正確地初始化。然后用setTime成員函數(shù)設置時間，并再次按兩種格式打印時間。接著用setTime成員函數(shù)設置時間為無效值．并再次按兩種格式打印時間。
1 // Fig. 6.3: fig06_03.cpp
2 // Time class.
3 #include <iostream.h>
4
5 // Time abstract data type (ADT) definition
6 class Time {
7 public:
8   Time();                   // Constructor
9   void setTime( int, int, int ); // set hour, minute, second
10  void printMilitary();          // print military time format
11  void printStandard();          // print standard time format
12 private:
13  int hour;    // 0 - 23
14  int minute;  // 0 - 59
15  int second;  // 0 - 59
16 };
17
18 // Time  tructor initiali  ......  h data membertt~tzer~'-st t
19 // Ensures all Time objects start in a conchs en s a e.
21
22 // Set a new Time value using military time. Perform validity
25 {
26    hour=e ( h >= 0 && h < 24 ) ? h : 0;
          minut  = ( m >= 0 && m < 60 ) ? m  : 0;
28   second = ( s >= 0 && s < 60 ) ? s : 0;
29}
31 // Print Time in military format
32 void Time::printMilitary()
35         << ( minute < 10 ? "0" : "" ) << minute;
37
38 // Print Time in standard format
39 void Time::printStandard()
4O {
41   cout << ( ( hour == 0 || hour == 12 ) ? 12 : hour % 12 )
42        << ":" << ( minute < 10 ? "0" :  ....  ) << mlnu e
43        << ":" << ( second < 10 ? "0" :  ""  ) << second
44        << ( hour < 12 ? "AM" : "PM" );
45 }
46
47 // Driver)trna (in  ......  imple class Time
48 int main()
49 {
50     Time t;  // instantiate object t of class Time
51
52   cout << "The initial military time is ";
53          t.printMilitary();
54   cout << "\nThe initial standard time is ";
55   t.printStandard();
56
57   t.setTime( 13, 27, 6 );
58   cout << "\n\nMilitary time after setTime is ";
59          t.printMilitary();
60   cout << "\nStandard time after setTime is ";
61   t.printStandard();
62
63   t.setTime( 99, 99, 99 );  // attempt invalid settings
64   cout << "\n\nAfter attempting invalid settings:"