C++/מחלקות

מחלקה היא טיפוס המוגדר על ידי המתכנת. מלבד הגדרה פורמלית זו: מחלקה היא טיפוס מופשט שמתואר על ידי אוסף תכונות ופעולות שניתן לבצע על עצמים מטיפוס זה. בפרק זה נסביר כיצד להגדיר ולהשתמש במחלקות. לצורך זה נתבונן בדוגמה קלאסית של מחלקת התאריך.

הגדרת מחלקה

נגדיר את המחלקה בדומה למבנה. נרשום את המילה class ולאחריה את שם המחלקה:

class Date
{
public:
    int d, m, y;
};

המילה public מציינת שחברי המחלקה המוגדרים בהמשך יהיו ציבוריים, כלומר מכל מקום בתוכנית נוכל להשתמש בהם כמו במבנה רגיל. בעצם הגדרת מחלקה זו שקולה להגדרת מבנה דומה (struct במקום class). שלושת משתני המחלקה (d, m, y) מייצגים את התאריך באמצעות יום, חודש ושנה. כיוון שנוכל לשנות אותם באופן ישיר על ידי השמה, עלולות להתעורר שגיאות נסתרות, למשל אם בטעות נכניס ל-m את הערך 13. גישה כזו נוגדת את עקרון תכנות מונחה העצמים.

עתה, כדי לעשות את התוכנית שלנו נוחה יותר, ברורה יותר ויציבה יותר, נחסום את הגישה למשתני המחלקה. לצורך זה נשנה את המילה public ל-private, מותר למחוק אותה כלל כיוון שחברי המחלקה הבאים ראשונים לאחר הסוגרים המסולסלים מוגדרים אוטומטית כפרטיים:

class Date
{
private: // שורה זו ניתן למחוק
    int d, m, y;
};

כעת לא נוכל לגשת למשתני המחלקה d, m ו-y באופן ישיר, לכן נבנה ממשק נוח לטיפול במשתני מחלקה זו. ממשק זה יוגדר כציבורי והוא יבטיח שהערכים של משתני המחלקה תמיד יהיו תקינים (למשל m לא יהיה גדול מ-12). כמעט כל ממשק צריך לכלול פעולות המשנות את המחלקה ופונקציות לאחזור נתונים. בדוגמה זו נצהיר תחילה רק את כותרות הפונקציות (אתחול, הוספת יום/חודש/שנה, אחזור יום/חודש/שנה):

class Date
{
    int d, m, y;

public:
    void init(int dd, int mm, int yy);
    void add_day(int n);
    void add_month(int n);
    void add_year(int n);

    int day() const;
    int month() const;
    int year() const;
};

הערה: המילה const אחרי כותרת הפונקציה מציינת שהפונקציה לא משנה את משתני המחלקה. אלה פונקציות ממשק המחזירות את הערכים של משתנים אלה.

מילה זו לאחר שם הפונקציה מאפשרת לקרוא לפונקציה גם עם עצמים של המחלקה שהוגדרו קבועים.

הגדרת גופי פונקציות המחלקה

עד כה הצהרנו את כותרות הפונקציות, את ממשק המחלקה. עלינו לממש אותו, להגדיר את גוף כל פונקציה. את פונקציות המחלקה מגדירים בדומה לפונקציות רגילות. ניתן להגדיר אותן בשני מקומות:

• בתוך בלוק המחלקה. פונקציות אלה יהיו inline. לדוגמה, נגדיר את הפונקציה ()year:

class Date
{
    int d, m, y;

public:
    // ...

    int year() const 
    {
        return y;
    }    
};

• הגדרה מחוץ לבלוק המחלקה. בדרך זו נגדיר את שאר הפונקציות. הסיבה לכך היא שנרצה להגדיר אותן בד"כ בקובץ cpp ואילו הגדרת המחלקה עצמה תמצא בקובץ h. כדי לציין שהפונקציה שאנו מגדירים שייכת למחלקה מסוימת, נוסיף את שם המחלקה וארבע נקודות (::) לפני שמה, בזהה למרחבי שם. כדוגמה נגדיר את הפעולה ()init:

class Date
{
    // ...
};

void Date::init(int dd, int mm, int yy)
{
    d = dd;
    m = mm;
    y = yy;
}

הערה: בין אם גוף פונקצית המחלקה מוגדר בתוך או מחוץ למחלקה יש לה גישה לכל משתני המחלקה, פונקציות המחלקה וטיפוסים המוגדרים בתוך המחלקה.

שימוש בטיפוס שהוגדר

לאחר שהגדרנו מחלקה ומימשנו את כל הפונקציות שלה (לא נעשה את זה כאן), נוכל להשתמש בה בדומה לטיפוסים בסיסיים של C++‎. לצורך זה עלינו להצהיר על משתנה מטיפוס זה (מופע של מחלקה) ולגשת לפונקציות ומשתני המחלקה הציבוריים בדומה למבנים:

Date dat;
dat.init(18, 6, 2008);

int n;
cin >> n;

dat.add_day(n);
cout << dat.day() << '.' << dat.month() << '.' << dat.year();

כיוון שחסמנו את הגישה למשתני המחלקה לא נוכל לגשת אליהם ישירות מתוך פונקציות שהן לא חברות המחלקה:

dat.d = 32; // שגיאה

הבדל בין מבנים למחלקות

ב-C++‎ אין הבדל משמעותי בין מבנים לבין מחלקות. כל מחלקה נוכל לשכתב בקלות למבנה וכל מבנה נוכל לשכתב בקלות למחלקה. ההבדל היחידי הוא שחברי המחלקה הם פרטיים כברירת מחדל ואילו חברי המבנה הם ציבוריים כברירת מחדל. משמעות הדבר שנוכל להגדיר גם משתני המבנה כפרטיים ולהוסיף פונקציות לטיפול בהם. שתי ההגדרות הבאות שקולות זו לזו:

class myType { // ...
struct myType { private: // ...

הבדל זה חל גם על כללי ההורשה (למד בהמשך).

אז כיצד נחליט מתי להשתמש במבנה ומתי במחלקה? אין כללים ברורים, נוכל להשתמש במבנים כמו שהשתמשנו ב-C ולהוסיף אליהם פונקציות ציבוריות. כאשר נרצה ליצור טיפוס בו נסתיר את המימוש ונפריד אותו מהממשק ואולי נשתמש בהורשה, נבחר במחלקה.

בנאים

בנאי הוא פונקציה שאנו מגדירים עבור המחלקה, הוא יופעל בעת היווצרות מופע חדש של מחלקה. תפקיד פונקציה זו הוא לבנות את המחלקה, כלומר לאתחל את משתני המחלקה.

עלינו לקרוא ל-init בכל פעם שנרצה לאתחל את המופע של המחלקה שהגדרנו למעלה. דבר זה גורר שגיאות, למשל אם נשכח לקרוא לפונקציה זו לפני השימוש הראשון במשתנה Date. בדומה לאי-אתחול של כל משתנה אחר, גם במשתני המחלקה יהיו ערכים לא מוגדרים - 'זבל'. הבנאים יאפשרו לנו לכתוב פונקציה שתאתחל את מופע המחלקה באופן אוטומטי באמצעות ערך חוקי כלשהו. הנה בנאי המאתחל את כל התאריכים ל-1/1/1970 (תוכלו לשנות בנאי זה שיאתחל את התאריך באמצעות התאריך של היום, ע"י שימוש בפונקציות מתאימות מהספרייה ctime):

class Date
{
    int d, m, y;
public:
    Date()
    {
        d = 1, m = 1, y = 1970;
    }
    // ...
};

הבנאים של כל מחלקה יקראו על שם המחלקה, במקרה שלנו Date, אך הם אף פעם לא יחזירו ערך ולכן גם לא נכתוב את טיפוס הערך המוחזר, גם לא void. דבר זה מובן מאילו כאשר נתבונן בדרך בה אנו מפעילים את הבנאי, הרי זו הצהרה רגילה על משתנה past (הבנאי מופעל אוטומטית):

Date past; // כאן מופעל הבנאי
cout << past.day() << '.' << past.month() << '.' << past.year();

בדוגמה זו יופיע תמיד בפלט 1.1.1970. ניתן להתייחס לבנאי כלפונקציה המחזירה את העצם החדש ולכן, גם מנקודת מבט זו, לא נציין את הטיפוס המוחזר.

הערה: לא נוכל לקרוא לבנאי באופן ישיר past.Date() דבר זה נחשב לשגיאה, כי כל עצם מאותחל אך ורק פעם אחת.

נוכל להוסיף פרמטרים לבנאים שאנו כותבים, נזכור שהעמסת בנאים מותרת כמו העמסת שאר הפונקציות. לכן נוכל להגדיר בנאי המאתחל את העצם באמצעות הערכים הנמסרים לו כפרמטרים, הוא יחליף לנו את הפונקציה init. בדוגמה הבאה יש להוסיף את בדיקת תקינות הפרמטרים ולהחליט על דרך פעולה כלשהי כאשר הפרמטרים לא תקינים (למשל לזרוק חריגה):

class Date
{
    int d, m, y;
public:
    Date()
    {
        d = 1, m = 1, y = 1970;
    }
    Date(int dd, int mm, int yy)
    {
        d = dd, m = mm, y = yy;
    }
    // ...
};

כאן העמסנו בנאי נוסף לבנאי הקודם. כדי למסור פרמטרים לבנאי כלשהו בעת אתחול המשתנה, נרשום אותם בסוגריים עגולים לאחר שם המשתנה (הערה: אם אין פרמטרים אז אין לרשום סוגריים כלל):

Date future(1,1,2970); // בנאי עם פרמטרים
Date past; // בנאי ללא פרמטרים

הערה: לעתים קרובות אפשר לחסוך העמסה של פונקציה בנאית באמצעות פרמטרי ברירת מחדל. למשל, בדוגמה שלנו, נוכל לתת ערך ברירת מחדל 1.1.1970 ובכך לחסוך את הפונקציה הבנאית שאינה מקבלת פרמטרים:

class Date
{
    int d, m, y;
public:
    Date(int dd = 1, int mm = 1, int yy = 1970)
    {
        d = dd, m = mm, y = yy;
    }
    // ...
};

מפרקים

מפרק הוא פונקציה הפוכה לבנאי, כלומר, המטרה העיקרית של המפרק היא לשחרר את המשאבים שהוקצאו על-ידי הבנאי. המפרק נקרא בעת השמדת מופע המחלקה, דבר זה יקרה בעת יציאה מבלוק עם משתנים מקומיים מטיפוס המחלקה. שימוש ב-delete על עצם שהוקצה דינמית או בעת יציאה מפונקצית ה-main (יושמדו המשתנים הגלובליים והסטטיים).

למפרק ניתן את שם המחלקה שלפניו נוסיף טילדה (~). סימן זה בא לציין שמפרק הוא "לא בנאי", הטילדה ב-C++‎ הוא אופרטור הפיכת הסיביות (Bitwise NOT). כיוון שהמפרק נקרא אוטומטית, הוא לא יקבל פרמטרים ולא יחזיר ערך. לדוגמה, הנה חלק ממימוש אפשרי למחלקת מחרוזות:

class my_string
{
    char *buf;
    int length;
public:
    // בנאי המעתיק מחרוזת קיימת
    my_string(const my_string& str)
    {
        int i;
        
        length = str.length;
        buf = new char[length+1];
        
        for(i = 0 ; i <= length ; i++)
        {
            buf[i] = str.buf[i];
        }
    }
    
    ~my_string()
    {
        // יש לשחרר הזיכרון שהוקצה
        delete[] buf;
    }
    
    /* פונקציות ממשק לעבודה עם מחרוזות... */
};

הערה: ניתן לקרוא למפרק באופן ישיר מבלי לפנות את הזיכרון: str.~my_string() אך זהו נושא מתקדם העוסק בעבודה עם זכרון לא מאותחל.

מצביע this

לחלק מהקוראים כנראה התעוררה השאלה: כיצד הפונקציה של המחלקה יודעת עבור איזה מופע של המחלקה קראו לה? בהתבוננות בקוד האסמבלי הנוצר ע"י המהדר נראה שכל פונקציה כזאת מקבלת כפרמטר נוסף את כתובת האובייקט עבורו היא נקראת. באותה דרך הצטרכו מתכנתי C לשלוח באופן ידני את המצביעים על המבנים לפונקציות העובדות איתם. לעיתים נרצה להשתמש במצביע זה גם בC++. ניתקל בבעייה זו כאשר נרצה לקשר בין אובייקטים, למשל בעבודה עם רשימות מקושרות, GUI וכד'... מצביע זה נקרא this והטיפוס שלו הוא (X *const) כאשר X הוא שם המחלקה. משמע הדבר שהמצביע עצמו הוא קבוע ולא נוכל לשנותו. (ראה דוגמה בהמשך הפרק)

העתקת עצמים

ב-C++‎ ישנו בנאי אחד ואופרטור אחד המוגדרים אוטומטית עבור כל מחלקה. תפקיד הבנאי הזה הוא לאתחל את המופע החדש על ידי עצם קיים ואילו תפקיד אופרטור ההשמה הזה הוא להעתיק את ערכו של עצם אחד לעצם שני. עבור טיפוס X כותרת הבנאי תהיה X::X(const X&) וכותרת האופרטור תהיה X& X::operator = (const X&) (על העמסת אופרטורים למד בהמשך). גם הבנאי וגם האופרטור, שניהם מעתיקים אחד אחד את משתני המבנה/המחלקה, דבר זה מאפשר לנו בקלות לכתוב כך:

Date myBirthday(18, 6, 1991);
Date tmp(myBirthday); // העתקה באמצעות בנאי
tmp.addDays(7);
tmp = myBirthday; // העתקה באמצעות אופרטור

אמנם גישה זו לא תתאים למחלקת myString. הבעייה היא שהנתונים אותם מאחסנת המחלקה נמצאים מחוץ למחלקה עצמה, הם לא משתני המחלקה אלא נמצאים בזיכרון דינמי אליו אנו שומרים מצביע. כאשר נאתחל מופע של myString בשם a באמצעות מופע b ונשתמש בבנאי ברירת מחדל המוגדר בשפה, יהיה לנו אזור בזיכרון אליו יצביעו שני מצביעים. שינוי מחרוזת a יגרור לשינוי מחרוזת b ולהפך. יתר על כן, כאשר יושמדו שני המופעים יהיה ניסיון לשחרר את אותו הזיכרון פעמיים, דבר העלול לגרום לקריסת התוכנית. כדי למנוע דבר זה עלינו להגדיר לבד בנאי זה, כפי שנעשה בדוגמה שלמעלה.

כאשר נשתמש באופרטור ההשמה a = b המצב יהיה גרוע יותר: לאזור אחד בזיכרון, השייך במקור ל-b יצביעו שני מצביעים כמו במקרה הקודם, ובנוסף יהיה לנו אזור שני, השייך במקור ל-a, אליו לא יהיה מצביע כלל. אזור זה לא ישוחרר. נציץ טיפה קדימה לנושא העמסת אופרטורים ונדגים כיצד להגדיר אופרטור השמה למחלקה שלנו, בדוגמה זו נשתמש במצביע this כדי לחשוף את המקרים בהם אנו משימים את המשתנה לעצמו (a = a):

class myString
{
    // ...
public:
    myString& operator = (const myString& str)
    {
        if (&str != this) // משימים אובייקט שונה
        {
            delete[] buf; // לשחרר את הזיכרון הישן

            length = str.length;
            buf = new char[length+1];
            for(int i = 0; i <= length; i++)
                buf[i] = str.buf[i];
        }
        return *this; // להחזיר את המופע של המחלקה כדי שנוכל לשרשר השמות
    }
    // ...
};

הערה: חיזרו לדוגמה זו כשתלמדו על העמסת אופרטורים.

לעיתים נרצה למנוע כלל העתקת אובייקטים של המחלקה, לצורך זה נגדיר את הבנאי והאופרטור המתאימים כפרטיים (באזור private) שלא יעשו דבר. בכך נאסור להשתמש בהם.

הפרק הקודם: זיכרון דינמי

מחלקות

הפרק הבא: הורשה