C++大學教程(第6章 類與數據抽象(一)-01)
教學目標
    ●了解封裝與數據隱藏的軟件工程概念
    ●了解數據抽象和抽象數據類型(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
    ●控制對象數據成員和成員函數的訪問
    ●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(電梯模擬程序)，確定實現該系統所需的類，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將數據(屬性)和函數(行為)封裝(encapsulate)到稱為類(class)的軟件包中，類的數據和成員是密切聯系的。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方法，實現細節隱藏在類中。我們可以熟練地開車，而不需要知道發動機、傳遞系統和燃油系統的工作原理。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(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，完成某個任務的一組操作構成函數，函數的組合則構成程序。數據在C語言中當然很重要，但這些數據只用于支持函數所要進行的操作。系統指定中的動詞幫助C語言程序員確定一組用于實現系統的函數。
    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)。每個類包含數據和操作數據的一組函數。類的數據部分稱為數據成員(data member)。類的函數部分稱為成員函數(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。系統指定中的名詞幫助C++程序員確定實現系統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點。

6．2  結構定義
    結構是用其他類型的元素建立的聚合數據類型。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據結構，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，而是生成新的數據類型，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，避免了按值傳人打印函數所涉及的復制開銷．并用const防止打印函數修改Time結構。第7章將介紹const對象與const成員函數。

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據不被修改．可以將長度很大的參數作為const引用
  傳遞。
  
    用這種方式通過結構生成新數據類型有一定的缺點。由于初始化并不是必須的，因此就可能出現未初始化的數據，從而造成不良后果。即使數據已經初始化，也可能沒有正確地初始化。因為程序能夠直接訪問數據，所以無效數據可能賦給結構成員(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的實現方法改變(例如時間可以表示為從午夜算起的秒數)，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據類型。沒有一個”接口”保證程序員正確使用數據類型并保持數據的一致狀態。
一定要編寫易于理解和易于維護的程序。不斷改變是規則而不走例外。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，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。
    下一節重新將Time結構實現為C++類，并演示用類生成抽象數據類型(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Time抽象數據類
型
    類使程序員可以構造對象的屬性(attribute，表示為數據成員)和行為(behavior)或操作(operation，表示為成員函數)。C++中用關鍵字class定義包含數據成員和成員函數的類型。
    成員函數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給另一個對象或由函數發給對象的成員函數調用。
    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)聲明的數據成員和成員函數。成員訪問說明符private后面(和下一個成員訪問說明符之前)聲明的數據成員和成員函數只能由該類的成員函數訪問。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。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Time、setTime、printMihtary和printStandard的函數原型。這些函數是類的public成員函數(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)使用這些函數操作該類的數據。
    注意與類名相同的成員函數，稱為該類的構造函數(constructor)。構造函數是個特殊成員函數，該函數初始化類對象的數據成員。類的構造函數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，這是通過函數重載完成的。注意，構造函數不指定返回類型。

    常見編程錯誤6．3
    對構造函數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，表示類的這些數據成員只能讓成員函數訪問(下一章會介紹還可由類的友元訪問)。這樣，數據成員只能由類定義中出現函數原型的4個函數(和類的友元)訪問。數據成員通常放在類的private部分，成員函數通常放在Public部分。稍后會介紹，也可以用private成員函數和public數據，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構造函數自動調用，顯式地將每個private數據成員初始化為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成員函數設置時間，并再次按兩種格式打印時間。接著用setTime成員函數設置時間為無效值．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:"