第3章 C++面向对象程序设计.ppt
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1、版权所有版权所有 复制必究复制必究本章主要内容本章主要内容:l类和对象l类继承l多态性:虚函数,重载,模板 与传统的面向过程的程序设计语言相比,C+语言的最大特征是支持面向对象程序设计OOP(Object Oriented Programming),它引入了类、继承、多态和重载等面向对象的新机制。通过本章的学习,使我们系统地介绍C+面向对象设计的基本方法。结构化程序设计的特点:结构化程序设计的特点:l是一种自上而下、逐步细化的模块化程序设计方法。lWirth N的观点:算法+数据结构=程序l是一种面向过程程序设计方法,即一个程序是由多个过程(在C+中为函数)模块组成,过程之间通过函数参数和全局
2、变量进行相互联系。3.1 面向对象程序设计概述面向对象程序设计概述 3.1.1 结构化程序设计结构化程序设计l与非结构化程序相比,结构化程序在调试、可读性和可维护性等方面都有很大的改进。l代码重用性不高:以过程为中心设计新系统,除了一些标准函数,大部分代码都必须重新编写。l由于软、硬件技术的不断发展和用户需求的变化,按照功能划分设计的系统模块容易发生变化,使得开发出来的模块的可维护性欠佳。l面向过程模式将数据与过程分离,若对某一数据结构做了修改,所有处理数据的过程都必须重新修订,这样就增加了很多的编程工作量。结构化程序设计的特点:结构化程序设计的特点:结构化程序设计的特点:结构化程序设计的特点
3、:什么是对象:什么是对象:l现实世界是由各种各样的事物组成,包括真实的事物和抽象的事物。例如,人、动物、汽车(真实的事物)和程序、直线(抽象的事物)等。l每一类事物都有自己特定的属性(如大小、形状、重量等)和行为(如生长、行走、转弯、运算等),人们通过研究事物的属性和行为而认识事物。l在计算机科学中将这些现实世界中的事物称之为对对象象。对象是包含现实世界中事物特征的抽象实体,它反映了系统为之保存信息和与之交互的方法。l在程序设计领域,可以用如下公式表示:对象=数据+作用于这些数据上的操作 3.1.2 面向对象程序设计方法及特征面向对象程序设计方法及特征l为了描述属性和行为相同的一类对象,引入了
4、类(class)的概念。l类是具有相同数据结构(属性)和相同操作功能(行为)的对象的集合,它规定了这些对象的公共属性和行为方法。l对象是类的一个实例,例如,汽车是一个类,而行驶在公路上的一辆汽车则是一个对象。l对象和类的关系相当于程序设计语言中变量和变量类型的关系。什么是类:什么是类:什么是类:什么是类:lOOP围绕现实世界的概念来组织模块,采用对象描述问题空间的实体,用程序代码模拟现实世界中的对象,使程序设计过程更自然、更直观。lSP是以功能为中心来描述系统,而OOP是以数据为中心来描述系统。相对于功能而言,数据具有更强的稳定性。lOOP模拟了对象之间的通信。就象人们之间互通信息一样,对象之
5、间也可以通过消息进行通信。这样,我们不必知道一个对象是怎样实现其行为的,只需通过对象提供的接口进行通信并使用对象所具有的行为功能。面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:lOOP把一个复杂的问题分解成多个能够完成独立功能的对象(类),然后把这些对象组合起来去完成这个复杂的问题。l一个对象可由多个更小的对象组成,如汽车由发动机、传送系统和排气系统等组成。这些对象(类)可由不同的程序员来设计,可在不同程序中使用,就象一个汽车制造商使用许多零部件去组装一辆汽车,而这些零部件可能不是自己生产的。l采用面向对象模式就象在流水线上工作,我们最终只需将
6、多个零部件(已设计好的对象)按照一定关系组合成一个完整的系统。面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:面向对象程序设计的特点:class Time private:int hour;/数据成员,表示小时 int minute;/数据成员,表示分钟 int second;/数据成员,表示秒public:void setTime(int h,int m,int s)/成员函数,设置时间 hour=(h=0&h=0&m=0&s60)?s:0;void showTime()/成员函数,输出时间 couthour:minute:secondendl;一个简单例子:一个简单
7、例子:一个简单例子:一个简单例子:main()Time EndTime;/声明对象EndTime /设置对象EndTime的时间(属性,数据成员)EndTime.setTime(12,23,36);coutThe time is:;/显示对象EndTime的时间 EndTime.showTime();运行结果:运行结果:The time is:12:23:36面向对象程序设计方法的基本特征面向对象程序设计方法的基本特征面向对象程序设计方法具有四个基本特征:l抽象l封装l继承l多态性1.抽象抽象 抽象是人类认识问题的最基本手段之一。抽象是指对具体问题(对象)进行概括,抽出一类类对象的公共属性和行
8、为并加以描述的过程。抽象包括数据抽象和代码抽象(或行为抽象)。2.封装封装 封装是把每个对象的数据(属性)和操作(行为)包装在一个类中。一旦定义了对象的属性和行为,则必须决定哪些属性和行为只用于表示内部状态,哪些属性和行为在外部是可见的。一般限制直接访问对象的属性,而应通过操作接口访问,这样使程序中模块之间关系更简单、数据更安全。对程序的修改也仅限于类的内部,使得由于修改程序所带来的影响局部化。3.继承继承 继承是指一个新类可以从现有的类派生而来。新类继承了现有类的特性,包括一些属性和行为,并且可以修改或增加新的属性和行为,使之适合具体的需要。例如,所有的Windows应用程序都有一个窗口,它
9、们可以看作都是从一个窗口类派生出来的,但有的应用程序用于文字处理,有的应用程序用于绘图,这是由于派生出了不同的类,它们增加了不同的属性和行为。继承很好地解决了软件的可重用性问题。4.多态性多态性 多态性是指类中具有相似功能的不同函数使用同一个名称来实现,并允许不同类的对象对同一消息作出的响应不相同。例如,同样的“编辑|粘贴”操作,在字处理程序和绘图程序中有不同的结果;同样的加法,把两个时间值相加和把两个整数相加的要求肯定不同。多态性使程序设计灵活、抽象,具有行为共享和代码共享的优点,很好地解决了程序的函数同名问题。l为了支持面向对象程序设计,C+在C语言结构(struct)数据类型的基础上引入
10、了类类这种抽象数据类型。lC+面向对象编程实质上就是面向类类编程,只有定义和实现了类,才能声明属于这个类的对象,才能通过对象使用定义的成员。l传统C程序员把编程重点放在函数的编写上,而C+程序员把重点放在类类的定义和实现上。3.2 C+类类lC+类将对象的属性抽象为数据成员,将对象的行为抽象为成员函数,并对它们进行封装。数据成员又称成员变量,成员函数又称为方法。lC+类在形式上类似于C语言中用户自定义的结构类型,但定义类时规定了成员的访问控制权限。对象只能访问所属类的公有成员,而类的私有成员只能在类的成员函数中被访问。C+类定义的基本形式 3.2.1 类的定义与实现类的定义与实现class p
11、rivate:;public:;protected:;C+C+类定义的基本形式:类定义的基本形式:类定义的基本形式:类定义的基本形式:l类的定义由关键字class开始,其后为用户定义的类名,花括号括起来的部分称为类体。l关键字private、public和protected称为访问权限控制符,用来设置数据成员和成员函数的访问属性,其默认值为private。lprivate属性表示数据成员和成员函数是类的私有成员,它们只允许被本类的成员函数访问或调用,数据成员一般定义为private属性;说明:说明:说明:说明:lpublic属性表示数据成员和成员函数是类的公有成员,它们允许被本类或其它类的成员
12、函数(通过对象)访问或调用,是类的外部接口,成员函数一般定义为public属性;lprotected属性表示数据成员和成员函数是类的保护成员,它们允许被本类的成员函数和派生类的成员函数访问或调用。例:例:说明:说明:说明:说明:class Timeprivate:/最好不要省略private int hour;/数据成员,表示小时 int minute;/数据成员,表示分钟 int second;/数据成员,表示秒public:void setTime(int,int,int);/成员函数,设置时间 void showTime();/成员函数,输出时间;例例 定义类Time(表示时间)。私有数
13、据成员hour、minute和second只能在类的成员函数中被访问或赋值;公有成员函数setTime、showTime可在外部被调用,但必须通过一个对象作为对象的成员使用。l利用C+类进行面向对象编程,定义类的成员只是完成了工作的第一步,最重要的工作是实现定义的类。l类的实现实质上是类的成员函数的实现,即定义类的成员函数。l成员函数的定义形式与一般函数的定义形式基本相同,但必须在成员函数名前加上类名和作用域限定符(:)。l成员函数的定义也可放在类体内(该函数声明之处),这时成员函数将变成内联函数。例:例:类的实现:类的实现:void Time:setTime(int h,int m,int
14、s)hour=(h=0&h=0&m=0&s60)?s:0;void Time:showTime()couthour:minute:second”访问对象的公有成员,但不能访问对象的私有成员。例如,公有成员函数调用:t1.setTime();start.showTime();pt1-setTime();而任何形如t1.hour、t1.minute、start.second等私有成员变量的直接访问都是非法的。成员的访问:成员的访问:例:例:main()Time EndTime;/声明对象EndTime EndTime.setTime(12,23,36);/设置对象EndTime的时间 coutTh
15、e time is:;EndTime.showTime();/显示对象EndTime的时间例例例例 类类TimeTime的使用,声明对象并设置对象属性。的使用,声明对象并设置对象属性。l在定义类时不能对成员变量进行初始化,因为无法确定成员变量属于哪一个对象。l成员变量一般都定义为私有属性,也不能在声明对象后利用赋值运算对成员变量进行初始化。l成员变量的初始化一般是利用一个名为构构造造函函数数的成员函数来完成。3.2.2 构造函数和析构函数构造函数和析构函数如何进行成员变量的初始化?构造函数是一种特殊的成员函数,它是在创建对象时(声明或new动态创建)系统自动调用的成员函数。什么是构造函数:什么
16、是构造函数:析构函数也是一种特殊的成员函数,它是在对象生存期结束时系统自动调用的成员函数。什么是析构函数:什么是析构函数:构造函数的名称与类名相同,析构函数的名称必须在类名前加上“”符号。注意,构造函数和析构函数不能指定任何返回值类型,包括void返回类型。#include class Timeprivate:int hour;int minute;int second;public:Time(int,int,int);/构造函数 Time();/析构函数 .;例例 为类Time添加构造函数和析构函数。Time:Time(int h,int m,int s)hour=h;/对私有成员变量初始化
17、 minute=m;second=s;coutThe constructor be called:hour:minute:secondendl;构造函数和析构函数的实现:构造函数和析构函数的实现:功能与成员函数Time:setTime()类似Time:Time()coutThe destructor be called:hour:minute:secondendl;void main(void)Time t1(10,35,55);/自动调用构造函数自动调用构造函数 Time t2(16,53,9);/自动调用构造函数自动调用构造函数/退出退出main()主函数时自动调用析构函数主函数时自动调用
18、析构函数构造函数和析构函数的自动调用:构造函数和析构函数的自动调用:程序运行结果为:程序运行结果为:The constructor be called:10:35:55The constructor be called:16:53:9The destructor be called:16:53:9The destructor be called:10:35:55为什么是这个结果?当创建一个对象时,系统先根据类定义的成员变量为对象分配内存空间,然后自动调用对象的构造函数对这段内存空间进行初始化处理,从而完成对象的初始化。当撤消一个对象时,系统先自动调用对象的析构函数,然后释放对象所占内存空间。从
19、程序的运行结果可以看出,析构函数的调用顺序一般与构造函数的调用顺序相反。栈栈:后进先出表结果分析:结果分析:l与一般数据类型的变量相比,对象在它的生存期会有大量的操作,有时这些操作的结果必须在对象的生存期结束时加以清理。因此可以在析构函数中进行动态分配的内存清理工作。l如果定义类时没有提供构造函数和析构函数,编译系统将会自动为类分别添加一个缺省的构造函数和析构函数。如果用户加上自定义的构造函数和析构函数,编译系统将不会再添加缺省的构造函数和析构函数。l若构造函数无参数,则声明对象时也不能给出参数。补充说明:补充说明:3.2.3 this指针指针lthis指针是一个特殊的隐藏在对象中的指针,每一
20、个处于生存期的对象都有一个this指针,用于指向对象本身。l当类的某个非静态成员函数被调用时,系统通过this指针确定是哪一个对象的该成员函数被调用。实际上,this指针总是作为一个隐含参数传递给类的每一个成员函数。例:例:下面定义的成员函数并没有声明this参数:void Time:showTime()couthour:minute:secondendl;编译器会把this指针作为成员函数的参数:void Time:showTime(Time*this);couthour:minute:secondendl;调用时:调用时:当程序中调用某个成员函数时,编译器会把该对象的地址赋值给this指针
21、,并将该地址值加入到参数表中,如下所示:EndTime.showTime(&EndTime);作用:作用:在一个成员函数中经常需要调用其它函数(非本类的成员函数),而有时需要把对象本身(即对象的地址)作为参数传递给被调用函数,这时必须使用this指针。例:例:例例 this指针的使用。#include#include class Personpublic:/可在外部直接访问public属性的数据成员 char m_strName20;char m_ID18;public:Person(char*strName,char*ID)/内联构造函数 strcpy(m_strName,strName);
22、strcpy(m_ID,ID);void Show();void Display(Person*pObj)/非成员函数 coutName:m_strNameendlID:m_IDShow();/通过调用Show调用Display3.2.4 静态成员静态成员静态成员的概念:静态成员的概念:一般情况下,同一个类不同对象的数据成员所占用的内存空间是不同的(体现了不同对象具有不同的属性值)。在有些情况下,类的数据成员的值对每个对象都是相同的,如当前已创建对象的数量,这时可以将该数据成员声明为静态数据成员(占有相同的存储单元)。静态成员的声明:静态成员的声明:在声明成员时以关键字static开头,例如:
23、public:static int m_nCount;说明:说明:l静态成员分为静态数据成员和静态成员函数。l静态数据成员类似于一般的static静态变量,它具有全局性。静态数据成员属于整个类,为类的所有对象共享。l无论类的对象有多少,类的静态数据成员只有一份,存储在同一个内存空间。即使没有创建类的一个对象,类的静态数据成员也是存在的。l使用静态数据成员保证了该数据成员值的唯一性。静态成员的初始化:静态成员的初始化:放在类定义的外部 int Person:m_nCount=0;静态成员的访问:静态成员的访问:静态成员的访问:静态成员的访问:l公有静态成员:三种方式(1)通过对象访问,如:per
24、son1.m_nCount=100;(2)利用类名和作用域限定符(:)访问,如:int Person:m_nCount=100;/初始化(3)在成员函数中访问,如:m_nCount+;l私有和保护静态成员:只能在成员函数中访问静态成员函数:静态成员函数:静态成员函数:静态成员函数:l成员函数也可以是静态的,其声明方式与静态成员变量类似。如:public:static int GetCount();/获取静态数据成员l静态成员函数也与一个类相关联,而不只与一个特定的对象相关联。l区别非静态成员函数,静态成员函数没有this指针,因为类的静态成员函数只有一个运行实例。l成员函数一般是公有属性,可以
25、通过对象、类名和作用域限定符、在成员函数中三种方式调用静态成员函数。静态成员函数只能访问类的静态成员(成员变量和成员函数),而不能访问类的非静态成员。因为当通过类名和运算符“:”调用一个静态成员函数时,不能确定函数中所访问的非静态成员属于哪一个对象。解决方法:解决方法:将对象作为静态成员函数的参数,然后在静态成员函数中通过对象访问它的非静态成员。注注 意意例例例例 静态成员变量和静态成员函数的使用。#include#include class Personpublic:char m_strName20;long m_ID;static int m_nCount;/静态成员变量,表示已创建对象的
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