Классы в C++ [Урок 10]

Классы в C++ [Урок 10]​

Весь реальный мир состоит из объектов. Города состоят из районов, в каждом районе есть свои названия улиц, на каждой улице находятся жилые дома, которые также состоят из объектов.

Практически любой материальный предмет можно представить в виде совокупности объектов, из которых он состоит. Допустим, что нам нужно написать программу для учета успеваемости студентов. Можно представить группу студентов, как класс языка C++. Назовем его Students.

Код:

class Students {
    // Имя студента
    std::string name;
    // Фамилия
    std::string last_name;
    // Пять промежуточных оценок студента
    int scores[5];
    // Итоговая оценка за семестр
    float average_ball;
};

Основные понятия

Классы в программировании состоят из свойств и методов. Свойства — это любые данные, которыми можно характеризовать объект класса. В нашем случае, объектом класса является студент, а его свойствами — имя, фамилия, оценки и средний балл.

У каждого студента есть имя — name и фамилия last_name . Также, у него есть промежуточные оценки за весь семестр. Эти оценки мы будем записывать в целочисленный массив из пяти элементов. После того, как все пять оценок будут проставлены, определим средний балл успеваемости студента за весь семестр — свойство average_ball.

Методы — это функции, которые могут выполнять какие-либо действия над данными (свойствами) класса. Добавим в наш класс функцию calculate_average_ball(), которая будет определять средний балл успеваемости ученика.

Методы класса — это его функции.
Свойства класса — его переменные.

Код:

class Students {
    public:
        // Функция, считающая средний балл
        void calculate_average_ball()
        {
            int sum = 0; // Сумма всех оценок
            for (int i = 0; i < 5; ++i) {
                sum += scores;
            }
            // считаем среднее арифметическое
            average_ball = sum / 5.0;
        }

        // Имя студента
        std::string name;
        // Фамилия
        std::string last_name;
        // Пять промежуточных оценок студента
        int scores[5];

    private:
        // Итоговая оценка за семестр
        float average_ball;
};

Функция calculate_average_ball() просто делит сумму всех промежуточных оценок на их количество.

Модификаторы доступа public и private

Все свойства и методы классов имеют права доступа. По умолчанию, все содержимое класса является доступным для чтения и записи только для него самого. Для того, чтобы разрешить доступ к данным класса извне, используют модификатор доступа public. Все функции и переменные, которые находятся после модификатора public, становятся доступными из всех частей программы.

Закрытые данные класса размещаются после модификатора доступа private. Если отсутствует модификатор public, то все функции и переменные, по умолчанию являются закрытыми (как в первом примере).

Обычно, приватными делают все свойства класса, а публичными — его методы. Все действия с закрытыми свойствами класса реализуются через его методы.

Рассмотрим следующий код.

Код:

class Students {
    public:
        // Установка среднего балла
        void set_average_ball(float ball)
        {
            average_ball = ball;
        }
        // Получение среднего балла
        float get_average_ball()
        {
            return average_ball;
        }
        std::string name;
        std::string last_name;
        int scores[5];

    private:
        float average_ball;
};

Мы не можем напрямую обращаться к закрытым данными класса. Работать с этими данными можно только посредством методов этого класса. В примере выше, мы используем функцию get_average_ball() для получения средней оценки студента, и set_average_ball() для выставления этой оценки.

Функция set_average_ball() принимает средний балл в качестве параметра и присваивает его значение закрытой переменной average_ball. Функция get_average_ball() просто возвращает значение этой переменной.

Программа учета успеваемости студентов

Создадим программу, которая будет заниматься учетом успеваемости студентов в группе. Создайте заголовочный файл students.h, в котором будет находиться класс Students.

Код:

/* students.h */
#include <string>

class Students {
    public:
        // Установка имени студента
        void set_name(std::string student_name)
        {
            name = student_name;
        }
        // Получение имени студента
        std::string get_name()
        {
            return name;
        }
        // Установка фамилии студента
        void set_last_name(std::string student_last_name)
        {
            last_name = student_last_name;
        }
        // Получение фамилии студента
        std::string get_last_name()
        {
            return last_name;
        }
        // Установка промежуточных оценок
        void set_scores(int student_scores[])
        {
            for (int i = 0; i < 5; ++i) {
                scores = student_scores;
            }
        }
        // Установка среднего балла
        void set_average_ball(float ball)
        {
            average_ball = ball;
        }
        // Получение среднего балла
        float get_average_ball()
        {
            return average_ball;
        }

    private:
        // Промежуточные оценки
        int scores[5];
        // Средний балл
        float average_ball;
        // Имя
        std::string name;
        // Фамилия
        std::string last_name;
};

Мы добавили в наш класс новые методы, а также сделали приватными все его свойства. Функция set_name() сохраняет имя студента в переменной name, а get_name() возвращает значение этой переменной. Принцип работы функций set_last_name() и get_last_name() аналогичен.

Функция set_scores() принимает массив с промежуточными оценками и сохраняет их в приватную переменную int scores[5].

Теперь создайте файл main.cpp со следующим содержимым.

Код:

/* main.cpp */
#include <iostream>
#include "students.h"

int main()
{
    // Создание объекта класса Student
    Students student;

    std::string name;
    std::string last_name;

    // Ввод имени с клавиатуры
    std::cout << "Name: ";
    getline(std::cin, name);

    // Ввод фамилии
    std::cout << "Last name: ";
    getline(std::cin, last_name);

    // Сохранение имени и фамилии в объект класса Students
    student.set_name(name);
    student.set_last_name(last_name);

    // Оценки
    int scores[5];
    // Сумма всех оценок
    int sum = 0;

    // Ввод промежуточных оценок
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Score " << i+1 << ": ";
        std::cin >> scores;
        // суммирование
        sum += scores;
    }

    // Сохраняем промежуточные оценки в объект класса Student
    student.set_scores(scores);
    // Считаем средний балл
    float average_ball = sum / 5.0;
    // Сохраняем средний балл в объект класса Students
    student.set_average_ball(average_ball);
    // Выводим данные по студенту
    std::cout << "Average ball for " << student.get_name() << " "
         << student.get_last_name() << " is "
         << student.get_average_ball() << std::endl;

    return 0;
}

В самом начале программы создается объект класса Students. Дело в том, что сам класс является только описанием его объекта. Класс Students является описанием любого из студентов, у которого есть имя, фамилия и возможность получения оценок.

Объект класса Students характеризует конкретного студента. Если мы захотим выставить оценки всем ученикам в группе, то будем создавать новый объект для каждого из них. Использование классов очень хорошо подходит для описания объектов реального мира.

После создания объекта student, мы вводим с клавиатуры фамилию, имя и промежуточные оценки для конкретного ученика. Пускай это будет Вася Пупкин, у которого есть пять оценок за семестр — две тройки, две четверки и одна пятерка.

Введенные данные мы передаем set-функциям, которые присваивают их закрытым переменным класса. После того, как были введены промежуточные оценки, мы высчитываем средний балл на основе этих оценок, а затем сохраняем это значение в закрытом свойстве average_ball, с помощью функции set_average_ball().

Скомпилируйте и запустите программу.



Отделение данных от логики

Вынесем реализацию всех методов класса в отдельный файл students.cpp

Код:

/* students.cpp */
#include <string>
#include "students.h"

// Установка имени студента
void Students::set_name(std::string student_name)
{
    Students::name = student_name;
}

// Получение имени студента
std::string Students::get_name()
{
    return Students::name;
}

// Установка фамилии студента
void Students::set_last_name(std::string student_last_name)
{
    Students::last_name = student_last_name;
}

// Получение фамилии студента
std::string Students::get_last_name()
{
    return Students::last_name;
}

// Установка промежуточных оценок
void Students::set_scores(int scores[])
{
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        Students::scores = scores;
    }
}

// Установка среднего балла
void Students::set_average_ball(float ball)
{
    Students::average_ball = ball;
}

// Получение среднего балла
float Students::get_average_ball()
{
    return Students::average_ball;
}

А в заголовочном файле students.h оставим только прототипы этих методов

Код:

/* students.h */
#pragma once /* Защита от двойного подключения заголовочного файла */
#include <string>

class Students {
    public:
        // Установка имени студента
        void set_name(std::string);
        // Получение имени студента
        std::string get_name();
        // Установка фамилии студента
        void set_last_name(std::string);
        // Получение фамилии студента
        std::string get_last_name();
        // Установка промежуточных оценок
        void set_scores(int []);
        // Установка среднего балла
        void set_average_ball(float);
        // Получение среднего балла
        float get_average_ball();

    private:
        // Промежуточные оценки
        int scores[5];
        // Средний балл
        float average_ball;
        // Имя
        std::string name;
        // Фамилия
        std::string last_name;
};

Такой подход называется абстракцией данных — одного из фундаментальных принципов объектно-ориентированного программирования. К примеру, если кто-то другой захочет использовать наш класс в своем коде, ему не обязательно знать, как именно высчитывается средний балл. Он просто будет использовать функцию calculate_average_ball() из второго примера, не вникая в алгоритм ее работы.

Над крупными проектами обычно работает несколько программистов. Каждый из них занимается написанием определенной части продукта. В таких масштабах кода, одному человеку практически нереально запомнить, как работает каждая из внутренних функций проекта. В нашей программе, мы используем оператор потокового вывода cout, не задумываясь о том, как он реализован на низком уровне. Кроме того, отделение данных от логики является хорошим тоном программирования.

В начале обучения мы говорили о пространствах имен (namespaces). Каждый класс в C++ использует свое пространство имен. Это сделано для того, чтобы избежать конфликтов при именовании переменных и функций. В файле students.cpp мы используем оператор принадлежности :: перед именем каждой функции. Это делается для того, чтобы указать компилятору, что эти функции принадлежат классу Students.

Создание объекта через указатель

При создании объекта, лучше не копировать память для него, а выделять ее в в куче с помощью указателя. И освобождать ее после того, как мы закончили работу с объектом. Реализуем это в нашей программе, немного изменив содержимое файла main.cpp

Код:

/* main.cpp */
#include <iostream>
#include "students.h"

int main()
{
    // Выделение памяти для объекта Students
    Students *student = new Students;

    std::string name;
    std::string last_name;

    // Ввод имени с клавиатуры
    std::cout << "Name: ";
    getline(std::cin, name);

    // Ввод фамилии
    std::cout << "Last name: ";
    getline(std::cin, last_name);

    // Сохранение имени и фамилии в объект класса Students
    student->set_name(name);
    student->set_last_name(last_name);

    // Оценки
    int scores[5];
    // Сумма всех оценок
    int sum = 0;

    // Ввод промежуточных оценок
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Score " << i+1 << ": ";
        std::cin >> scores;
        // суммирование
        sum += scores;
    }
    // Сохраняем промежуточные оценки в объект класса Student
    student->set_scores(scores);

    // Считаем средний балл
    float average_ball = sum / 5.0;
    // Сохраняем средний балл в объект класса Students
    student->set_average_ball(average_ball);
    // Выводим данные по студенту
    std::cout << "Average ball for " << student->get_name() << " "
         << student->get_last_name() << " is "
         << student->get_average_ball() << std::endl;
    // Удаление объекта student из памяти
    delete student;
    return 0;
}

При создании статического объекта, для доступа к его методам и свойствам, используют операция прямого обращения — «.» (символ точки). Если же память для объекта выделяется посредством указателя, то для доступа к его методам и свойствам используется оператор косвенного обращения — «->».

Конструктор и деструктор класса

Конструктор класса — это специальная функция, которая автоматически вызывается сразу после создания объекта этого класса. Он не имеет типа возвращаемого значения и должен называться также, как класс, в котором он находится. По умолчанию, заполним двойками массив с промежуточными оценками студента.

Код:

class Students {
    public:
        // Конструктор класса Students
        Students(int default_score)
        {
            for (int i = 0; i < 5; ++i) {
                scores = default_score;
            }
        }

    private:
        int scores[5];
};

int main()
{
    // Передаем двойку в конструктор
    Students *student = new Students(2);
    return 0;
}

Мы можем исправить двойки, если ученик будет хорошо себя вести, и вовремя сдавать домашние задания. А на «нет» и суда нет

Деструктор класса вызывается при уничтожении объекта. Имя деструктора аналогично имени конструктора, только в начале ставится знак тильды ~. Деструктор не имеет входных параметров.

Код:

#include <iostream>

class Students {
    public:
        // Деструктор
        ~Students()
        {
            std::cout << "Memory has been cleaned. Good bye." << std::endl;
        }
};

int main()
{
    Students *student = new Students;
    // Уничтожение объекта
    delete student;
    return 0;
}