În urma parcurgerii acestui articol studentul va:

• învăța ce înseamnă o clasă
• învăța ce înseamnă constructor / destructor
• afla funcționalitățile claselor / funcțiilor prietene
• realiza supraîncărcarea operatorilor din C++
• înțelege conceptul de copy constructor
• înțelege conceptul de rule of three

Formal am făcut deja primii pași mai sus pentru a implementa o clasă în C++, utilizând keyword-ul struct.

Totuși, ce înseamnă o clasă? Nu trebuie decât să ne gândim la ce am făcut mai sus:

• am definit un tip de date
• i-am adăugat atribute (am definit ce proprietăți îl caracterizează: partea reală și partea imaginară)
• i-am adăugat metode (am definit cum se comportă: inițializarea și conjugarea)

Cu această adăugare menționată, putem să ne referim la ceea ce înseamnă o clasă, respectiv un obiect.

Ne referim la o clasă ca fiind o amprentă (blueprint) sau descriere generală. Un obiect sau o instanță a clasei este o variabilă concretă ce se conformează descrierii clasei.

Vom numi clasă tipul de date definit de struct complex sau class complex și obiect o instanțiere (o alocare dinamică sau locală) a tipului de date.

Când discutăm despre tipul de date complex ne referim la clasă. Când discutăm despre variabila number ne referim la un obiect, o instanță a clasei.

Și totuși, C++ adăugă keyword-ul class. Care este diferența între class și struct? Iată cum definim complet clasa de mai sus, separând antetul de implementare și de programul principal.

Am observat mesajul de eroare în urma compilării fișierelor de mai sus.

Astfel, singura diferență folosirea celor două keyword-uri este nivelul implicit de vizibilitate a metodelor și atributelor.

• private - pentru clasele declarate cu class
• public - pentru clasele declarate cu struct

Membri precedați de label-ul private pot fi folosiți numai în interiorul clasei, în cadrul metodelor acesteia. Ei nu pot fi citiți sau modificați din afara clasei.

Iată cum puteam remedia soluția:

complex.h

class Complex {
public:
    double re;
    double im;
 
    Complex conjugate();
};

Studiați codul de mai jos.

main.cc

#include <stdio.h>
#include "complex.h"
 
int main() {
    Complex number(2, 3);
    printf("%lf %lf\n", number.getRe(), number.getIm());
 
    return 0;
}

Observăm două bucăți din cod în mod special:

Complex::Complex(double re, double im);

Linia de mai sus nu are tip returnat, spre deosebire de celelalte linii. Acesta este constructorul clasei, care este apelat în momentul alocării unui obiect.

Ce operații sunt uzuale în constructor?

• inițializarea membrilor clasei cu valori predefinite sau date ca parametru
• alocarea memoriei pentru anumiți membri

A doua bucată observată este:

Complex numar(2, 3);

Până acum nu ați mai alocat astfel structurile. Ce se întâmplă în spate este exact ceea ce intuiți: este apelat constructorul obiectului și se execută instrucțiunile acestuia pentru variabila numar (reprezentată ca pointer prin this, direct în interiorul constructorului).

În constructorul definit mai sus, tot ceea ce se întâmplă este să se inițializeze membri. Pentru asta, C++ vă pune la dispoziție o sintaxă simplă:

Complex::Complex(double real, double imaginar) :
    re(real),
    im(imaginar) {
}

Cei doi constructori sunt identici ca funcționalitate.

Reprezintă un tip de constructor special care se folosește când se dorește/este necesară o copie a unui obiect existent. Dacă nu este declarat, se va genera unul default de către compilator.

Poate avea unul din următoarele prototipuri

• MyClass(const MyClass& obj);
• MyClass(MyClass& obj);

1) Apel explicit

explicit_copy_constructor_call.cpp

MyClass m;
MyClass x = MyClass(m); /* apel explicit al copy-constructor-ului */

2) Transfer prin valoare ca argument într-o funcție

call_by_value.cpp

void f(MyClass obj);
...
MyClass o;
f(o); /* se apelează copy-constructor */

3) Transfer prin valoare ca return al unei funcții

return_by_value.cpp

MyClass f()
{
    MyClass a;
    return a; /* se apelează copy-constructor */
}

4) La inițializarea unei variabile declarate pe aceeași linie

init.cpp

MyClass m;
MyClass x = m; /* se apelează copy-constructor */

Așa cum probabil ați observat, constructorul este apelat în mod explicit de către voi. Destructorul însă, în cazul de mai sus, este apelat implicit la terminarea blocului care realizează dealocărea automată a obiectului.

Un destructor nu are parametri și se declară în interiorul clasei astfel:

~Complex();

Dacă în constructor sau în interiorul clasei ați fi alocat memorie, cel mai probabil în destructor ați fi făcut curat și ați fi apelat free pe membrul respectiv.

Reprezintă un concept de must do pentru C++. Astfel:

Explicație: dacă funcționalitatea vreunuia dintre cei 3 se vrea mai specială decât cea oferită default, atunci mai mult ca sigur se dorește schimbarea funcționalității default și pentru ceilalți 2 rămași.

rule_of_3.cpp

class Complex
{
    private:
        int re;
        int im;
    public:
        Complex()
        {
            re = 0;
            im = 0;
            printf("constructor default\n");
        }
 
        Complex(const Complex& c)
        {
            re = c.re;
            im = c.im;
            printf("copy contructor\n");
        }
 
        void operator=(const Complex& c)
        {
            re = c.re;
            im = c.im;
            printf("assignment operator\n");
        }
};

Așa cum am văzut în primul articol, fiecare membru al clasei poate avea 3 specificatori de acces:

• public
• private
• protected

Alegerea specificatorilor se face în special în funcție de ce funcționalitate vrem să exportăm din clasa respectivă.

Dacă vrem să accesăm datele private/protejate din afara clasei, avem următoarele opțiuni:

• Funcții care ne întorc/setează valorile membre
• Funcții/Clase prietene (friend) cu clasa curentă.

O funcție prieten are următoarele proprietăți:

• O funcţie este considerată prietenă al unei clase, dacă în declararea clasei, este declarată funcţia respectivă precedată de specificatorul friend
• Declararea unei funcţii prieten poate fi făcută în orice parte a clasei(publică, privată sau protejată).
• Definiţia funcţiei prieten se face global, în afara clasei.
• Funcția declarată ca friend are acces liber la orice membru din interiorul clasei.

O clasă prieten are următoarele proprietăți:

• O clasă B este considerată prieten al unei clase A, dacă în declararea clasei A s-a întâlnit expresia: friend class B
• Clasa B poate accesa orice membru din clasa A, fără nici o restricție.

De asemenea, dacă clasa A este considerată prieten cu clasa B, nu înseamnă că si clasa B este considerată prieten cu clasa A. Nici tranzitivitatea nu este valabilă în relaţia de prietenie dintre clase.

Exemplu:

class Complex{
 
private:
    int re;
    int im;
public:
    int GetRe();
    int GetIm();
    friend double ComplexModul(Complex c);   //am declarat fct ComplexModul ca prieten
    friend class Polinom;   //Acum clasa Polinom care acces deplin la membrii **re** și **im**
};
 
double ComplexModul(Complex c)
{
   return sqrt(c.re*c.re+c.im*c.im);  //are voie, intrucat e prietena
}

Un mecanism specific C++ este supraîncarcarea operatorilor, prin care programatorul poate asocia noi semnificaţii operatorilor deja existenţi. De exemplu, dacă dorim ca două numere complexe să fie adunate, în C trebuie să scriem funcții specifice, nenaturale. În C++ putem scrie foarte ușor:

Complex a(2,3);
Complex b(4,5);
Complex c=a+b; //operatorul + a fost supraîncarcat pentru a aduna două numere complexe

Acest lucru este posibil, întrucât un operator este văzut ca o funcție, cu declarația:

   tip_rezultat operator#(listă_argumente);

Așadar pentru a supraîncărca un operator pentru o anumită clasă, este necesar să declarăm funcția următoare în corpul acesteia:

   tip_rezultat operator#(listă_argumente);

Există câteva restricții cu privire la supraîncarcare:

• Nu pot fi supraîncărcaţi operatorii: ::, ., .*, ?:, sizeof.
• Setul de operatori ai limbajul C++ nu poate fi extins prin asocierea de semnificaţii noi unor caractere, care nu sunt operatori, de exemplu nu putem defini operatorul === .
• Prin supraîncărcarea unui operator nu i se poate modifica aritatea (astfel operatorul ! este unar şi poate fi redefinit numai ca operator unar).
• Asociativitatea şi precedenţa operatorului se menţin.
• La supraîncărcarea unui operator nu se pot specifica argumente cu valori implicite.

Un operator binar va fi reprezentat printr-o funcţie nemembră cu două argumente, iar un operator unar, printr-o funcţie nemembră cu un singur argument.

Utilizarea unui operator binar sub forma a#b este interpretată ca operator#(a,b).

Argumentele sunt clase sau referinţe constante la clase.

În C++, orice dispozitiv de I/O este văzut drept un stream, așadar operațiile de I/O sunt operații cu stream-uri, care se definesc în felul următor:

• Citire: se execută cu operatorul de extracție », membru al clasei istream
• Scriere: se execută cu operatorul de inserție «, membru al clasei ostream

Acești operatori pot fi supraîncărcați pentru o clasă pentru a defini operații de I/O direct pe obiectele clasei.

Supraîncărcarea se poate efectua folosind funcții friend utilizând următoarea sintaxă:

istream& operator>> (istream& f, clasa & ob);        //Acum pot scrie in >> ob
ostream& operator<< (ostream& f, const clasa & ob);  //Acum pot scrie out << ob

Funcţiile operator pentru supraîncărcarea operatorilor de I/O le vom declara ca funcţii prieten al clasei care interacţionează cu fluxul.

Complex.h

#include <iostream>
 
class Complex
{
public:
    double re;
    double im;
 
    Complex(double real=0, double imag=0): re(real), im(imag) {};
 
    //supraîncărcarea  operatorilor +, - ca functii de tip "friend" 
    friend Complex operator+(const Complex& s, const Complex& d);
    friend Complex operator-(const Complex& s, const Complex& d);
 
    //funcţii operator pentru supraîncărcarea operatorilor de intrare/ieşire  
    //declarate ca funcţii de tip "friend"   
    friend std::ostream& operator<< (std::ostream& out, const Complex& z);
    friend std::istream& operator>> (std::istream& is, Complex& z);
};

Complex.cpp

#include "complex.h"
 
Complex operator+(const Complex& s, const Complex& d){
  return Complex(s.re+d.re,s.im+d.im);
}
 
Complex operator-(const Complex& s, const Complex& d){
  return Complex(s.re-d.re,s.im-d.im);
}
 
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Complex& z){
   out << "(" << z.re << "," << z.im << ")"<< std::endl;
   return out;
}
 
std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& z){
  is >> z.re >> z.im;
  return is;
}

main.cpp

#include "complex.h"
 
int main() {
 Complex a(1,1), b(-1,2);
 std::cout << "A: " << a << "B: " << b;
 std::cout << "A+B: " << (a+b);
 std::cin >> b;
 std::cout << "B: " << b;
 a=b;
 std::cout << "A: " << a << "B: " << b;
}

Funcţiilor membru li se transmite un argument implicit this (adresa obiectului curent), motiv pentru care un operator binar poate fi implementat printr-o funcţie membru nestatică cu un singur argument.

Operatorii sunt interpretați în modul următor:

• Operatorul binar a#b este interpretat ca a.operator#(b)
• Operatorul unar prefixat #a este interpretat ca a.operator#()
• Operatorul unar postfixat a# este interpretat ca a.operator#(int)

Complex.h

#include <iostream>
 
class Complex
{
public:
    double re;
    double im;
 
    Complex(double real, double imag): re(real), im(imag) {};
 
    //operatori supraîncărcaţi ca funcţii membre
    Complex operator+(const Complex& d);
    Complex operator-(const Complex& d);
    Complex& operator+=(const Complex& d);
 
    friend std::ostream& operator<< (std::ostream& out, const Complex& z);
    friend std::istream& operator>> (std::istream& is, Complex& z);
};

Complex.cpp

#include "complex.h"
 
Complex Complex::operator+(const Complex& d){
  return Complex(re+d.re, im+d.im);
}
 
Complex Complex::operator-(const Complex& d){
  return Complex(re-d.re, im-d.im);
}
 
Complex& Complex::operator+=(const Complex& d){
  re+=d.re;
  im+=d.im;
  return *this;
}
 
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Complex& z){
   out << "(" << z.re << "," << z.im << ")"<< std::endl;
   return out;
}
 
std::istream& operator>>(std::istream& is, Complex& z){
  is >> z.re >> z.im;
  return is;
}

Așa cum am amintit mai sus, majoritatea operatorilor pot fi supraîncărcați. O atenție importantă trebuie acordată operatorului de atribuire, dacă nu este supraîncărcat, realizează o copiere membru cu membru.

Pentru obiectele care nu conţin date alocate dinamic la iniţializare, atribuirea prin copiere membru cu membru funcţionează corect, motiv pentru care nu se supraîncarcă operatorul de atribuire.

Operatorul de atribuire poate fi redefinit numai ca funcţie membră, el fiind legat de obiectul din stânga operatorului =, motiv pentru care va întoarce o referinţă la obiect.

String.h

class String{
  char* s;
  int n; // lungimea sirului
 
  public:
	String();			
	String(const char* p);	
	String(const String& r);
	~String();			
	String& operator=(const String& d);
	String& operator=(const char* p);
};

String.cpp

#include "String.h"
#include <string.h>
 
String& String::operator=(const String& d){
  if(this != &d){    //evitare autoatribuire
    if(s)            //curatire
      delete [] s;
    n=d.n;           //copiere
    s=new char[n+1];
    strcpy(s, d.s);
  }
  return *this;      //intoarce referinta la obiectul modificat
}
 
String& String::operator=(const char* p){
  if(s)
      delete [] s;
  n=strlen(p);
  s=new char[n+1];
  strcpy(s, p);
  return *this;
}

1. C++ Reference
2. Templates
3. Standard C++98
4. Standard C++11