הורשה ופולימורפיזם

1. הורשה ופולימורפיזם צורה ריבוע משושה עיגול

2. מוטיבציה:אפליקציית חלונות טיפוסית – נעזרת בפקדים (Widgets) Form Button Label Textbox

3. פקדים הם אובייקטים לכל דבר, ומוגדרים בספריות מיוחדות שמספקות ממשקי GUI. • לפקדים שראינו יש תכונות משותפות: • קוארדינטות x,y על גבי הטופס. • אורך ורוחב. • טקסט. • כמו כן אפשר לחשוב על פונקציות משותפות: • שינוי טקסט/גודל/מיקום. • הסתרה. • נעילה. • ציור.

4. היינו רוצים להגדיר אובייקט שייקרא "פקד" ויכיל את כל התכונות המשותפות הללו. • לאחר מכן, כאשר מגדירים כל אחד מהפקדים הספציפיים (כפתור, תיבת טקסט...) נוכל להשתמש באובייקט ה"פקד" הכללי שלנו כדי לציין את התכונות המשותפות הללו. • המטרה: התוכנית שלנו תוכל לחשוב על "כפתור" גם כעל "פקד", בלי להתעניין בתכונות הספציפיות של "כפתור". • בשביל מה זה טוב?

5. אובייקט טופס (form) מכיל רשימה של כל הפקדים שנמצאים על הטופס. • מה עדיף?רשימה לכל אחד מסוגי הפקדים האפשריים, רשימה של void*, או רשימה של אובייקטים מסוג "פקד"? • נניח שצריך לצייר את כל הטופס מחדש. הטופס יצטרך לקרוא לפונקצית הציור של כל אחד מהפקדים שנמצאים בו. • מה עדיף? לבצע קריאה מיוחדת לפונקצית הציור לכל סוג אפשרי של פקד, או לתת את אותה פקודת ציור לכולם, אבל ש"בדרך קסם" כל אחד מהם יפעל בצורה המתאימה לו?

6. הורשה הורשה הינה הדרך בה מביעים יחסי is-a בתוכנית. נעזרים בהורשה לצורך שתי מטרות שונות: • code reuse - כאשר נרצה כי מספר מחלקות יהיו בעלות התנהגות זהה, כולן תירשנה ממחלקת אב משותפת אשר תממש התנהגות זו. בדרך זו נימנע משכפול של הקוד. • polymorphic behavior - כאשר נרצה כי מספר מחלקות יחשפו ממשק זהה אך יתנהגו בצורה שונה. • בשני המקרים, ההורשה תאפשר לנו להתייחס לכל אובייקט בן כאילו היה מטיפוס אובייקט האב.

7. מה זה is-a? • נניח ש"כפתור" יורש מ"פקד". במקרה זה אומרים ש"כפתור is-a פקד" (באנגלית זה נשמע יותר טוב). בעברית: "כפתור הוא סוג מיוחד של פקד". • פירוש הדבר הוא שבכל מקום שבו ניתן להשתמש בפקד, אפשר להשתמש גם בכפתור. • למשל, אם יש לנו פונקציה שמקבלת פקד כפרמטר, אפשר להעביר כפתור בתור אותו פרמטר. הפונקציה תתייחס לכפתור כאל פקד (כלומר, תתייחס לתכונות של הכפתור שמשותפות לכל הפקדים, ולא תתעניין בתכונות הייחודיות לכפתור). • כל זה נכון רק להורשה ציבורית (public) – היחידה שנלמד בקורס הזה.

8. הורשה לשם שימוש מחדש בקוד נרצה להוסיף למחלקה Stack הידועה את הפונקציה: • (popk(int k - אשר תוציא מהמחסנית k איברים. למחלקה המשופרת נקרא MultiStack. קיימות שלוש דרכים לבצע זאת: • לכתוב את MultiStack מהתחלה (cut & paste). • להיעזר ב-Stack כשדה. • לרשת מ-Stack.

9. class MultiStack { public: MultiStack(int sz) : _s(sz) {} ~MultiStack() {} void push(int i) {_s.push(i);} void pop() { _s.pop() ; } int top() { return _s.top();} int empty() {return _s.empty();} void popk(int k) ; private: Stack _s; }; עבור כל פונקציה מקורית של Stack נדרש לכתוב פונקצית מעטפת אשר תפנה את הקריאות לאובייקט המחסנית הפנימי. לקורא הקוד לא ברור מהתוכנית כי MultiStack היא סוג מיוחד של מחסנית. כיצד נראה המימוש של popk? לא נוכל לייעל את העבודה ע”י גישה ישרה למבני הנתונים של המחסנית (האם friend הוא פתרון ?) שימוש באובייקט Stack כשדה I

10. שימוש באובייקט Stack כשדה II בעיה נוספת לשיטה זו: אם יש לנו קוד כתוב אשר נעזר במחסניות (מקבל כפרמטר מצביע או reference לאובייקט מטיפוס Stack) לא נוכל לשלוח לו MultiStack כפרמטר כי MultiStackאינו Stack. int sumAndPop(Stack & s) { int s = 0; while (! s.empty()) { s+=s.top(); s.pop() ;} return s ; }

11. class MultiStack : public Stack { public: MultiStack (int sz) : Stack(sz) {} ~MultiStack() {} popk(int k) ; }; בכדי להביע כי MultiStack הינו סוג מיוחד של Stack נגדיר את MultiStack כיורש מ Stack. באופן זה כל הפונקציות של Stackמוגדרות באופן אוטומטי (עם אותה משמעות) עבור המחלקה MultiStack. ירושה מ Stack

12. ירושה מ Stack • ירושה כ public (היחידה אותה נלמד) גורמת לכך שכל משתמש של המחלקה MultiStack יוכל להיעזר במתודות של המחלקה Stackוגם במתודות של MultiStack. • כל משתמש של Stack יוכל להיעזר ב- MultiStack כב-Stack רגיל.

13. ירושה ובונים והורסים • בכל פעם שיוצרים אובייקט מהסוג היורש אנו בעצם יוצרים גם אובייקט מסוג אב. זהו המימוש ב ++C. • אתחול שדות האב (ע”י ה-C’tor של האב, שנקרא דרך שורת האתחול של הבן) נעשה לפני יצירת שדה כלשהו של בנו, ובפרט לפני שנקרא c’tor של הבן. • הריסת האב נעשית לאחר הריסת בנו ובפרט אחרי d’tor של הבן. שדות של האב אובייקט אב אובייקט בן שדות של הבן

14. protected fields • שדות (ופונקציות) private ניתנים לגישה ע”י פונקציות של המחלקה ו friends. • שדות (ופונקציות) protected ע”י הקודמים + מחלקות יורשות class Stack { public : …. protected : int* array; int top_index, size ; }; • איך נראית הפונקציה popk? האם ניתן לגשת לשדות המימוש של המחלקה Stack ? • כדי שבמחלקה היורשת ניתן יהיה לגשת לשדות של האב יש להגדיר את השדות כ protected.

15. גישה לשדות בהורשה )מסוג (public Stack Private Members Protected Members Public Members MultiStack Private Members Protected Members Public Members User MultiMultiStack Private Members Protected Members Public Members

16. ירושה פולימורפית • בדוגמאות הקודמות האב והבן חלקו את אותה התנהגות. התנהגות זו הייתה תקפה לשתי המחלקות ולכן שתי המחלקות חלקו: • את אותו ממשק: אותה חתימה וערך מוחזר של הפונקציה. • את אותו מימוש: אותו קוד פעל בשניהם. • לעיתים צורת התנהגות זו לא טובה לנו ונרצה שלמרות שניתן יהיה לפנות לבן כמו שפונים לאב (ובפרט שישתפו את הממשק) הבן יתנהג בצורה שונה.

17. מחלקות מעולם החי כדוגמא למחלקות בעלות התנהגות פולימורפית. חיה משקל , גובה , ת. לידה הדפס סוגי מזון השמע קול

18. class Animal { public: int getAge() ; virtual void makeSound(); private: int weight,age ; }; class Dog : public Animal{ void makeSound() ; } ; כל בעלי החיים חולקים דברים משותפים: לכולם יש משקל, גובה, גיל כולם אוכלים ומשמיעים קולות נרצה לתאר מחלקות מעולם החי בתוכניתנו ולהראות קשר זה יחד עם זאת לאפשר גמישות של התנהגות שונה כאשר הדבר נדרש מחלקות בעלות התנהגות פולימורפית I

19. מחלקות בעלות התנהגות פולימורפית II • ניתן במחלקה היורשת ממחלקה אחרת להגדיר מחדש פונקציות אשר הוגדרו במחלקת האב. • אולם הדבר יגרום לכך שהפונקציה שתיקרא תלויה בדרך בא קראנו לה: Dog * d = new Dog(); Animal * a = d ; a->makeSound(); d->makeSound() ; • אם נרצה שההתנהגות השונה תחול גם כאשר ניגשים לפונקציה דרך מצביע לאב - נעזר בפונקציות ווירטואליות.

20. מחלקות בעלות התנהגות פולימורפית III class Cat : public Animal{ public: void makeSound() { cout << “miao\n”; } } ; class Dog : public Animal{ public: void makeSound() { cout << “vuf vuf\n”; } } ; • כאשר מגדירים פונקציה וירטואלית בעצם אומרים שהאופן המדויק בו יתנהג האובייקט תלוי בטיפוס הבן עימו אנו עובדים. למי שנעזר באובייקט האב לא משנה מה הטיפוס המדויק של הבן והוא יכול לעבוד עם כולם באופן אחיד.

21. main () { Animal* dog = new Dog(); Animal* cat = new Cat(); Animal* whoami = new Bear(); dog->makeSound(); cat->makeSound(); whoami->makeSound(); } פלט התוכנית vuf vuf miao orrrr מחלקות בעלות התנהגות פולימורפית IV

22. שיטה חליפית להתנהגות פולימורפית • ב C מקובל להיעזר בשדות type . לכל חיה היינו שומרים קוד משלה, ובכל פונקציה היינו נעזרים במשפט switch ענק שהיה אומר מה לעשות לכל טיפוס. • הבעיות בגישה זו הינן שבכל פעם שנרצה להוסיף חיה למערכת נדרשת לשנות קוד בהרבה פונקציות - מאוד רגיש ובעייתי.

23. Abstract Classes • קיימות מחלקות המייצגות רעיון מופשט ויש להן משמעות רק כבסיס למחלקות אחרות • מחלקה עם מתודה Pure Virtual (אחת או יותר) היא מחקלה אבסטרקטית • לא ניתן ליצור אובייקטים של מחלקה שכזו class Shape { public: Shape(int x, int y) : center_x(x),center_y(y){} virtual double area() const = 0; protected: int center_x, center_y ; };

24. דוגמא מסכמת: צורות class Shape { public: Shape(int x, int y) : center_x(x),center_y(y){} virtual double area() const = 0; protected: int center_x, center_y ; }; class Circle: public Shape { public: Circle(int x, int y, int r): Shape(x,y), radius(r){} double area() const { return (PI*radius*radius);} private: int radius; } ; class Rect: public Shape { public: Rect(int x, int y, int h, int w): Shape(x,y),height(h),width(w) {} double area() const {return (height*width);} private: int height, width; } ;

25. int main() { … Shape* p[N]; // an array of rectangles & circles // initialization … double total_area=0; for (int j = 0; j < N; ++ j total_area += p[j] -> area( ); } דוגמא מסכמת: צורות

26. Exceptions • הסטייל החדש לטיפול בשגיאות BAD_ARG catch main() return BAD_ARG throw func()

27. C Style int DoSomething() { long *a, c; FILE *b; a = malloc(sizeof(long) * 10); if (a == NULL) return ERR_MEM; b = fopen("something.bah", "rb"); if (b == NULL) { free(a); return ERR_FILE; } fread(a, sizeof(long), 10, b); if (a[0] != 0x10) { free(a); fclose(b); return ERR_INPUT; } fclose(b); c = a[1]; free(a); return SUCEES; }

28. Try-catch-throw • try - הגדרת בלוק Exceptions • Catch – תפיסת Exception • Throw – זריקת Exception

29. מה פלט התוכנית? #include <iostream.h> void func() { throw "ERROR"; cout << "Does this code happened?" << endl; return; } int main() { try{ func(); }catch (char* string){ cout << string << endl; } cout << "END OF PROGRAM" << endl; return 0; }

30. Exceptions // bad_alloc standard exception #include <iostream> #include <exception> using namespace std; int main () { try { int* myarray= newint[1000]; } catch (exception& e) { cout << "Standard exception: " << e.what() << endl; } return 0; }