Introducción a clases en C++

Transcripción

1 Introducción a clases en C++ Pablo Brusco Disclaimer: Este apunte no es autocontenido y fue pensado como un repaso de los conceptos, no para aprenderlos de aquí directamente. Los aportes básicos fueron extraidos de Savitch, Walter (2007): Resolución de problemas con C++. Ed. Pearson, México. PP Stroustrup, Bjarne (2000): The C++ Programming Language. Ed. Addison-Wesley, USA. 1. Introducción Hasta ahora, al momento de programar en C++ solo fue posible utilizar los tipos de datos predefinidos, como int, char, ofstream, etc. Pero bajo la especificación de problemas que utiliza tipos compuestos de datos, nos encontramos con la necesidad de contar con formas de representarlos. En C++, una de las maneras de hacerlo es a través de clases. 2. Definiciones 2.1. Definición de clases y funciones miembro Hay muchas definiciones posibles para el concepto de clase, pero mucha gente coincide en que una clase es un plano o prototipo que define variables y métodos comunes a todos los objetos de un cierto tipo. Un objeto es un componente de software que contiene variables y métodos y que es usado para modelar algún aspecto de la vida real. Es una abstracción de la realidad que encapsula variables permitiendo acceder a ellas únicamente a través de métodos 1. Por lo tanto, el estado de un objeto está representado por el contenido de sus variables y su comportamiento está definido por sus métodos. Tambíen, podemos decir que un objeto es la suma de su estado, su comportamiento y su identidad (todo objeto debería tener un identificador único). Función miembro es aquella que está declarada en ámbito de clase. Son similares a las funciones habituales, con la salvedad de que el compilador realizara el proceso de Decoración de nombre. es decir cambiara el nombre de la función añadiendo un identificador de la clase en la que est declarada. Además, las funciones miembro reciben implícitamente un parmetro adicional: El puntero this, que referencia al objeto que ejecuta la función. Estas funciones se invocan accediendo primero al objeto al cual refieren, con la sintaxis: miobjeto.mifuncionmiembro(). Entonces, dentro de un programa en C++, la definición de una clase debe ser una definición de tipo de datos que describa los tipos de valores que las variables pueden contener y también la naturaleza de las funciones miembro. En el programa del cuadro 1, se presenta un ejemplo de definición de clase. El tipo Circulo que se presenta ahí es una definición de clase para objetos cuyos valores son figuras geométricas como circulo de radio 2 en el origen del plano. En esta definición de Circulo, el radio se registra como un float y la posición como un conjunto de enteros. La clase 1 Quizás sea una definición un tanto purista, pero podemos tomarla por el momento 1

2 2.1 Definición de clases y funciones miembro 2 DEFINICIONES Circulo tiene una función miembro llamada imprimir, que no tiene argumentos y envía a la pantalla el valor del radio y la posición desde el origen. Vemos ahora como está constituida la clase Circulo. Por el momento hagamos caso omiso de la linea que contiene la palabra clave public. Esta línea simplemente dice que las variables y funciones miembro no tienen restricciones. Por otro lado, se ve claramente la estructura sintáctica que tiene una clase. Esto es, la palabra clave Class seguida de llaves y un punto y coma al final. Dentro de las llaves encontramos las variables de la clase (radio, posicionx y posiciony ) y la función imprimir. Las definiciones de las funciones aparecen en cualquier lugar (podemos mezclar las variables y las funciónes, pero siempre podemos convenir enumerar las funciones antes que las variables por ejemplo). Los objetos (es decir, variables) de un tipo de clase se declarar de la misma manera que las variables de los tipos predefinidos y que las variables de estructura. Cuadro 1 #include <iostream > using namespace std ; // programa para demostrar un ejemplo de c l a s e muy s e n c i l l o. class C i r c u l o public : void imprimir ( ) ; f l o a t r a d i o ; int posicionx ; int posiciony ; ; void C i r c u l o : : imprimir ( ) cout << C i r c u l o de r a d i o << r a d i o << en ( << posicionx <<, << posiciony << ) << endl ; int main ( ) C i r c u l o c i r c ; // d e c l a r a c i o n de 3 c i r c u l o s. C i r c u l o c i r c 1, c i r c 2 ; // se d e c l a r a n de l a misma manera que l a s v a r i a b l e s de t i p o s p r e d e f i n i d o s cout << E s c r i b a e l r a d i o d e l c i r c u l o : ; c i n >> c i r c. r a d i o ; cout << E s c r i b a l a p o s i c i o n en x d e l c i r c u l o : ; c i n >> c i r c. posicionx ; cout << E s c r i b a l a p o s i c i o n en y d e l c i r c u l o : ; c i n >> c i r c. posiciony ; cout << Usted i n g r e s o un c i r c u l o como e l s i g u i e n t e : << endl ; c i r c. imprimir ( ) ; i f ( c i r c. posicionx == c i r c. posiciony && c i r c. posicionx == 0) cout << Este c i r c u l o s e encuentra en e l o r i g e n de coordenadas ; Dialogo de ejemplo: Escriba el radio del circulo: 13 Escriba la posicion en x del circulo: 0 Escriba la posicion en y del circulo: 0 Usted ingreso un circulo como el siguiente: Circulo de radio 13 en (0,0) Este circulo se encuentra en el origen de coordenadas 2

3 2.2 Funciones de una clase 2 DEFINICIONES 2.2. Funciones de una clase Cuando se define una función miembro, la definición debe incluir el nombre de la clase, porque podría haber dos o más clases que tengan funciones con el mismo nombre. Es por eso que la funcion imprimir tiene el encabezado: void Circulo::imprimir() Quizás resulte raro que aparezca el nombre de la clase seguido de dos puntos, veamos la definición de este operador El operador punto y el de resolución de alcance. Se emplean con los nombres de miembros para especificar de qué cosa son miembros. Por ejemplo, supongamos que hemos declarado una clase llamada Circulo y declaramos un objeto llamado circ de la siguiente manera: Circulo circ; Usamos el operador punto para especificar un miembro del objeto circ. Por ejemplo, imprimir es una función de la clase Circulo; la siguiente llamda de función desplegara los valores de datos almacenados en el objeto circ: circ.imprimir(); Empleamos el operador de resolución de alcance :: para especificar el nombre de clase cuando damos la definición de una función void Circulo::imprimir() Recordar que el operador de resolución de alcance :: se usa con un nombre de clase, mientras que el operador punto se usa con un objeto de esa clase Variables en definiciones de funciones En la implementación de la funcion Circulo::imprimir() empleamos los nombres de las variables de la clase, radio, posicionx y posiciony solos, sin dar primero el objeto y el oprador punto. Esto no es tan extraño como podría parecer a primera vista. A estas alturas, simplemente estamos definiendo la función imprimir. Esta definición aplicará a todos los objetos de tipo Circulo, pero aún no conocemos los nombres de los objetos de ese tipo que usaremos, por lo que no podemos dar sus nombres. Cuando invoquemos la función, como en c1.imprimir(); todos los nombres de miembros de la definición de función se especializarán al nombre de la clase invocadora. Por lo tanto, la llamada de función anterior equivale a los siguiente: cout << Circulo de radio << c1.radio << en ( << c1.posicionx <<, << c1.posiciony << ) << endl; En la definición de una función propia de una clase, podemos emplear los nombres de todos los miembros de esa clase (tanto los valores como las funciones) sin usar el operador punto. 3

4 2.4 Miembros públicos y privados 2 DEFINICIONES 2.4. Miembros públicos y privados Los tipos predefinidos como double no se implementan como clases en C++, pero la gente que escribió el compiladores de C++ que utilizamos sí diseñó una forma de representar valores de tipo double en su computadora. Es posible implementar el tipo double de diversas formas. De hecho, diferentes versiones de C++ implementan el tipo de formas ligeramente distintas, pero si trasladamos nuestro programa en C++ de una computadora a otra que tiene una implementación diferente, el programa deberá funcionar correctamente 2. Las clases son tipos que definimos, y tales tipos deben comportarse tan bien como los tipos predefinidos. Podemos construir una biblioteca con nuestras propias definiciones de tipos de clases y usar nuestros tipos como si fueran tipos predefinidos. Por ejemplo, podrámos colocar cada definición de clase en un archivo aparte y copiarla en cualquier programa que use ese tipo. Es recomendable que nuestras definiciones de clase separen las reglas para usar la clase y los detalles de la implementacioón de la clase de forma tan definitiva como se hizo con los tipos predefinidos. Si modificamos la implementación de una clase (por ejemplo, alterando algunos detalles de la definición de una función miembro con el fin de que las llamadas a esa funcioón sean más rápidas) no deberá ser necesario modificar ninguna otra parte de los programas. Para alcanzar este ideal, necesitamos describir una característica más de las definiciones de clase. Si miramos la clase Circulo, podemos observar que decidimos representar al radio como un double y las posiciones como int. Posteriormente, podríamos decidir cambiar la representación del la posición, de dos variables de tipo int a 2 de tipo float que indiquen la distancia y el ángulo desde el origen del circulo. Este detalle de implementación no deberá preocupara un programador que usa el tipo Circulo. Desde luego, si modificamos la forma en que la clase representa la posición, tambíen deberemos modificar la implementación de la función miembro imprimir, pero eso es todo lo que habrá que cambiar. No deberá ser necesario modificar ninguna otra parte de un programa que use nuestra definición de la clase Circulo. Lamentablemente, el programa del cuadro 1 no cumple con este ideal. Por ejemplo, si sustituimos la variable posicionx por otra llamada distancia, no habrá ninguna variable miembro llamada posicionx, y será necesario cambiar las partes del programa que obtienen entradas, así como la instrucción if. Con una clase ideal, deberemos poder modificar los detalles de implementación de la clase, y lo único que deberemos tener que cambiar en cualquier programa que use la clase serán las definiciones de las funciones miembro. A fin de alcanzar este ideal es necesario tener suficientes funciones miembro como para nunca tener que acceder a las variables miembro directamente, sino s olo a traveés de las funciones miembro. Entonces, si modificamos las variables miembro, sólo tendremos que alterar las definiciones de éstas y no tendremos que modificar ninguna otra parte de nuestros programas. En el cuadro 2 hemos redefinido la clase Circulo de modo que tenga suficnentes funciones miembro para hacer todo lo que queremos que hagan nuestros programas. Así el programa no tiene que hacer referencia directamente a ninguna variable de la clase. Si examinamos el código del cuadro 2, veremos que el único lugar en que se usan los nombres de variables (angulo y distanciaalorigen) es en las definiciones de las funciones de la clase. No hay referencias a circ.angulo fuera de las implementaciones de las funciones miembro. El programa tiene una nueva característica nueva diseñada para asegurar que ningún programador que use la clase hará alguna vez referencia directa a cualquiera de las variables propias. Esta nueva característica es la inclusión de la palabra private. Todos los nombres de variables que se enumeran despuesés de esta línea son miembros privados, lo que significa que no se puede acceder directamente a ellos en el programa (fuera de las funciones de la clase). Si intentamos acceder a ellas, el compilador generará un mensaje de error. (Ya sea desde el main o desde funciones que no pertenezcan a la clase Circulo). Notar que también es posible incluir funciones en la parte privada de la declaración de la clase. Estas son las llamadas funciones miembro privadas. Por último, se incluyo la palabra clave const al final de ciertas funciones. En caso de aparecer, indica que la función a la que decora dejará el objeto con el mismo estado (las variables se mantienen) en que se encontraba antes de llamar a la función. Es decir, se mantiene constante. 2 Hay ocasiones en que no se alcanza plenamente este ideal, pero en el mundo ideal debe alcanzarse y, al menos en el caso de programas sencillos, se alcanza incluse en el mundo imperfecto en el que vivimos. 4

5 2.4 Miembros públicos y privados 2 DEFINICIONES Cuadro 2 #include <iostream > using namespace std ; class P o s i c i o n public : void setearx ( int valx ) ; void seteary ( int valy ) ; int X( ) const ; int Y( ) const ; private : int x ; int y ; ; // implementacion de metodos de l a c l a s e Posicion void P o s i c i o n : : setearx ( int valx ) x = valx ; void P o s i c i o n : : seteary ( int valy ) y = valy ; int P o s i c i o n : : X( ) constreturn x ; int P o s i c i o n : : Y( ) constreturn y ; class C i r c u l o public : void entrada ( ) ; void imprimir ( ) const ; void f i j a r R a d i o ( double r a d i o ) ; void f i j a r P o s i c i o n ( int x, int y ) ; int obtenerradio ( ) const ; ; private : P o s i c i o n c a l c u l a r P o s i c i o n ( f l o a t ang, f l o a t d i s t ) const ; // pasa de angulo d i s t a n c i a a Posicion f l o a t c a l c u l a r A n g u l o ( P o s i c i o n p ) const ; // i n v e r s a s de c a l c u l a r p o s i c i o n f l o a t c a l c u l a r D i s t a n c i a A l O r i g e n ( P o s i c i o n p ) const ; int diametro ; f l o a t angulo ; f l o a t d i s t a n c i a A l O r i g e n ; // implementacion de metodos de l a c l a s e C i r c u l o void C i r c u l o : : imprimir ( ) const cout << C i r c u l o de r a d i o << diametro / 2 ; cout << en ( << c a l c u l a r P o s i c i o n ( angulo, d i s t a n c i a A l O r i g e n ).X( ) ; cout <<, << c a l c u l a r P o s i c i o n ( angulo, d i s t a n c i a A l O r i g e n ).Y( ) << ) << endl ; void C i r c u l o : : entrada ( ) cout << E s c r i b a e l r a d i o d e l c i r c u l o : ; int rad ; c i n >> rad ; P o s i c i o n pos ; f l o a t x, y ; cout << E s c r i b a l a p o s i c i o n en x d e l c i r c u l o : ; c i n >> x ; pos. setearx ( x ) ; cout << E s c r i b a l a p o s i c i o n en y d e l c i r c u l o : ; c i n >> y ; pos. seteary ( y ) ; angulo = c a l c u l a r A n g u l o ( pos ) ; d i s t a n c i a A l O r i g e n = c a l c u l a r D i s t a n c i a A l O r i g e n ( pos ) ; diametro = rad 2 ; void C i r c u l o : : f i j a r R a d i o ( double rad ) diametro = rad 2 ; 5

6 2.4 Miembros públicos y privados 2 DEFINICIONES void C i r c u l o : : f i j a r P o s i c i o n ( int x, int y ) P o s i c i o n pos ; pos. setearx ( x ) ; pos. seteary ( y ) ; angulo = c a l c u l a r A n g u l o ( pos ) ; d i s t a n c i a A l O r i g e n = c a l c u l a r D i s t a n c i a A l O r i g e n ( pos ) ; int C i r c u l o : : obtenerradio ( ) const return diametro / 2 ; P o s i c i o n C i r c u l o : : c a l c u l a r P o s i c i o n ( f l o a t ang, f l o a t d i s t ) const // implementacion ( pasa de angulo d i s t a n c i a en e l plano a p o s i c i o n e s en e l plano ) f l o a t C i r c u l o : : c a l c u l a r A n g u l o ( P o s i c i o n p ) const // implementacion ( pasa de p o s i c i o n e s en e l plano a angulo ) f l o a t C i r c u l o : : c a l c u l a r D i s t a n c i a A l O r i g e n ( P o s i c i o n p ) const // implementacion ( pasa de p o s i c i o n e s en e l plano a d i s t a n c i a a l o r i g e n ) bool C i r c u l o : : seencuentraenelorigen ( ) return d i s t a n c i a A l O r i g e n == 0 ; int main ( ) C i r c u l o c i r c ; // d e c l a r a c i o n de 1 c i r c u l o. c i r c. entrada ( ) ; cout << Usted i n g r e s o un c i r c u l o como e l s i g u i e n t e : << endl ; c i r c. imprimir ( ) ; i f ( c i r c. seencuentraenelorigen ( ) ) cout << Este c i r c u l o s e encuentra en e l o r i g e n de coordenadas ; 6

7 2.5 Resumen de algunas propiedades de las clases 2 DEFINICIONES 2.5. Resumen de algunas propiedades de las clases Las clases tienen todas las propiedades que describimos para las estructuras y además todas las propiedades asociadas a las funciones miembro. A continuación se muestra una lista de lo que es conveniente tener presente al usar clases: Una clase es una entidad abstracta, es un tipo de clasificación de cosas y define el comportamiento y atributos de un grupo de estructuras y comportamientos similares. Un objeto es una instancia o variable de una clase que se distingue de otros miembros de la clase por sus atributos. Las clases tienen tanto variables miembro como funciones miembro. Un miembro (sea una variables o una función) pueden ser púbilico o privado. Normalmente, todas las variables de una clase se etiquetan como privados. Un miembro privado de una clase sólo se puede utilizar dentro de la definición de una función propia de la misma clase. Una clase puede usar otra clase como tipo de una variable propia. Una función puede tener parámetros formales cuyos tipos sean clases. El valor devuelto por una función puede ser una clase. 7