Informatica 3 Informatica 3 LEZIONE 8: Fondamenti di programmazione orientata agli oggetti (2) Modulo 1: Ereditarietà Modulo 2: Polimorfismo e classi astratte Modulo 3: Visibilità delle proprietà di una classe Modulo 4: Assegnamento e uguaglianza Modulo 5: Genericità in C++ Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 1 Lezione 8 - Modulo 1 Ereditarietà Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 2 Generalizzazione e ereditarietà Principali astrazioni impiegate per condividere similitudini tra classi pur preservandone le indipendenze Generalizzazione o relazione IS-A: relazione tra una classe (super-classe o classe base) e una o più versioni specializzate della classe (sotto-classi o classi derivate) Persona Docente Studente Tutor Generalizzazione e ereditarietà (2) Vale la proprietà di transitività Concetto di antenato e discendente di una classe Ogni istanza di una sotto-classe è un istanza di tutte le classi antenato Lo stato di un istanza include il valore per ogni attributo di ogni classe antenato Una qualsiasi operazione di una qualsiasi classe antenato può essere applicata ad un istanza Studente IOL Ogni sotto-classe eredita le caratteristiche della super-classe Ogni istanza di una sotto-classe è (IS-A) un istanza della superclasse Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 3 Lo stesso principio si può applicare agli oggetti di un programma. La generalizzazione viene implementata definendo un nuovo tipo come estensione di un tipo preesistente. I linguaggi OO supportano la nozione di ereditarietà Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 4
Implementazione dell ereditarietà classe base classe derivata La classe Studente specializza la classe Persona aggiungendo ulteriori informazioni come ad es. il numero di matricola Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 5 Creazione e distruzione di oggetti derivati Il costruttore di una classe derivata viene invocato dopo il costruttore della classe base in questo modo si garantisce che le variabili ereditate siano disponibili all oggetto derivato La distruzione di una classe derivata procede in direzione opposta: si invoca prima il distruttore della classe derivata e successivamente il distruttore della classe base Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 6 Generalizzazione vs. aggregazione Ereditarietà multipla La generalizzazione si riferisce alle classi ed è un modo per strutturare la descrizione di un singolo oggetto la super-classe e la sotto-classe si riferiscono alle proprietà di uno stesso oggetto L aggregazione si riferisce alle istanze vengono coinvolti due oggetti in cui uno è parte dell altro Entrambe si possono rappresentare tramite un albero nell aggregazione l albero è costituito da istanze di oggetti che sono tutti parte di un oggetto composito relazione AND: un libro è costituito da una copertina e da un insieme di pagine nella generalizzazione l albero è composto da classi che descrivono un oggetto relazione OR: un libro può essere un libro di storia oppure di informatica Copertina Libro di storia Libro Libro Pagine Libro di informatica Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 7 L ereditarietà multipla consente ad una classe di avere più di una super-classe e di ereditare le caratteristiche di tutti i suoi antenati Consente di miscelare informazioni da due o più sorgenti In C++ si ottiene ponendo il simbolo : dopo la definizione di classe seguita dalla lista delle classi da cui deriva separate da, I costruttori sono chiamati nell ordine di ereditarietà specificato Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 8
Esempio di ereditarietà multipla class Lavoratore: char* qualifica; class StudenteLavoratore : public Studente, public Lavoratore { Overloading e overriding di operazioni Quando due funzioni caratterizzate da parametri di input diversi utilizzano lo stesso nome si parla di overloading Es. int square (int); double square (double); lo stesso nome viene sovraccaricato con significati differenti Una sotto-classe può effettuare un overriding (sovrascrittura) delle proprietà della super-classe definendo una proprietà con lo stesso nome e signature identiche [in C++] la proprietà della sotto-classe raffina e sostituisce la proprietà della super-classe Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 9 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 10 Esempio di overriding void presentati(); sono <nome> <cognome> sono <nome> <cognome>, matricola void presentati(); numero <matricola> Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 11 Overriding in altri linguaggi Altri linguaggi di programmazione rilassano il vincolo di avere la stessa signature in caso di overriding, basandosi sulle seguenti regole di controllo di tipi: Regola di controvarianza I parametri di input della funzione che sovrascrive devono essere un supertipo dei parametri corrispondenti della funzione sovrascritta Regola di covarianza Il valore restituito dalla funzione che sovrascrive deve essere un sottotipo del valore restituito dalla funzione sovrascritta C++ e Java non seguono nessuna di queste regole: la funzione che sovrascrive e la funzione sovrascritta devono essere uguali Ada e Eiffel richiedono la covarianza sia sui parametri di input che sul valore restituito Emerald rispetta queste due regole Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 12
Ereditarietà e compatibilità Compatibilità di tipo: la classe discendente costituisce un tipo che può essere sempre usato al posto del tipo della classe antenato (uno Studente S è sempre una Persona) il viceversa non vale! (una Persona non può sempre essere utilizzata dove ci si aspetta uno Studente) il tipo derivato (Studente) si dice sottotipo (subtype) del tipo base (Persona) Ereditarietà e compatibilità in C++ void presentati(); Persona * pp = new Persona; Studente * ps = new Studente;. pp = ps; // OK: in C++ i puntatori sono // polimorfici (upcasting) ps = pp; // KO: C++ ha un sistema di tipi forte void presentati(); Persona p; Studente s;. p = s; // OK: coercizione s = p; // KO Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 13 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 14 Informatica 3 Lezione 8 - Modulo 2 Problema Persona * pp = new Persona(, ); Studente * ps = new Studente( Paolo, Bianchi, 555431);. pp = ps; // upcasting pp->presentati(); sono Paolo Bianchi??? Polimorfismo e classi astratte Il binding tra il tipo dell oggetto a cui si riferisce pp e la sua implementazione è stabilito a tempo di compilazione Per risolvere questo problema occorre sfruttare il concetto di late binding in C++ viene implementato tramite le funzioni virtuali Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 15 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 16
Funzioni virtuali Late binding Funzione virtuale: si dichiara facendo precedere il suo prototipo dalla parola chiave virtual nella classe base una funzione dichiarata virtuale resta virtuale in tutta la gerarchia dell ereditarietà è buona norma dichiarare esplicitamente le funzioni virtuali ad ogni livello virtual void presentati(); virtual void presentati(); Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 17 Late binding: chiedere ad un oggetto lo svolgimento di un servizio, lasciando che il sistema scelga a tempo di esecuzione la versione del servizio più opportuna, in base al ruolo corrente dell'oggetto Persona * pp = new Persona(, ); Studente * ps = new Studente( Paolo, Bianchi, 555431);. pp->presentati(); ps->presentati(); pp = ps; pp->presentati(); sono Paolo Bianchi, matricola numero 555431 sono sono Paolo Bianchi, matricola numero 555431 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 18 Polimorfismo Controllo dei tipi Con il late binding il puntatore pp diventa polimorfico Polimorfismo: concetto generale di programmazione OO secondo il quale la stessa operazione può comportarsi in modo differente per oggetti di classi diverse appartenenti alla stessa gerarchia di ereditarietà In C++ il polimorfismo delle variabili viene limitato: una variabile di una classe T può riferirsi solamente ad oggetti di tipo T oppure ad oggetti appartenenti a classi derivate da T solamente puntatori, riferimenti a variabili e parametri passati per riferimento possono essere polimorfici Osservazione sul controllo dei tipi: la funzione virtuale viene definita nella classe base: è quindi disponibile in tutte le classi derivate, anche se queste non la ridefiniscono qualsiasi ridefinizione della funzione virtuale deve mantenere la stessa signature Anche se il compilatore non conosce a priori con quale funzione verrà effettuato il binding a tempo di esecuzione, può garantire che questa funzione esiste ed avrà la signature corretta Il C++ è fortemente tipizzato Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 19 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 20
Classi astratte Una classe astratta è una classe che non può essere istanziata Da una classe astratta è possibile derivare classi concrete, cioè istanziabili tutte le foglie dell albero che rappresenta la relazione di ereditarietà devono essere classi concrete Le classi astratte organizzano caratteristiche comuni a diverse classi si utilizzano per rappresentare gli ADT (metodi a livello astratto) si derivano poi le classi concrete che implementano i metodi della classe astratta Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 21 Classi astratte in C++ In C++ una classe astratta contiene funzioni virtuali pure (che non hanno un implementazione) che saranno definite nelle classi derivate class Poligono { //classe astratta Punto * vertici; //lista di vertici virtual void disegna() = 0; // funzione virtuale pura virtual void ruota() = 0; // funzione virtuale pura Una classe è astratta se possiede almeno una funzione virtuale pura, locale o ereditata Una classe astratta può essere usata solo per dichiarare variabili polimorfiche Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 22 Classi astratte in C++ Informatica 3 class Triangolo: public Poligono { virtual void disegna(); //overriding virtual void ruota(); //overriding void disegnapoligono(poligono & p) { p.disegna(); void main () { Triangolo t; Rettangolo r; disegnapoligono (t); disegnapoligono (r); class Rettangolo: public Poligono { virtual void disegna(); //overriding virtual void ruota(); //overriding Variabile polimorfica p punta a t quando si invoca disegnapoligono (t) Viene chiamata disegna() definita in Triangolo p punta a r quando si invoca disegnapoligono (r) Viene chiamata disegna() definita in Rettangolo Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 23 Lezione 8 - Modulo 3 Visibilità delle proprietà di una classe Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 24
Controllo dell accesso alle caratteristiche ereditate La relazione di ereditarietà consente alla classe derivata di riusare caratteristiche della classe base servizi attributi La classe derivata diventa un cliente speciale della classe base: può vederne (se consentito) anche dettagli interni invisibili ai clienti esterni Che cosa può usare la classe derivata della classe base? Che cosa può vedere chi utilizza la classe derivata di ciò che questa eredita dalla classe base? Livelli di visibilità delle caratteristiche Il livello di visibilità delle caratteristiche di una classe indica chi può vedere tali caratteristiche Un servizio/attributo può essere: private: visibile soltanto ai servizi (o a funzioni friend) della stessa classe in cui è dichiarato protected: visibile soltanto ai servizi (o a funzioni friend) della stessa classe in cui è dichiarato e delle classi da essa derivate public: visibile a tutti (anche a clienti esterni) Se una funzione viene dichiarata come friend ha gli stessi diritti della classe stessa Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 25 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 26 Visibilità erede-antenato Es. La visibilità erede-antenato dice a chi l'erede rende visibili le caratteristiche ereditate dall antenato Il rapporto tra erede e antenato può essere: public: le caratteristiche ereditate mantengono lo stato di visibilità che hanno nella classe base ad es., le caratteristiche private non sono visibili all'erede diretto, quelle protette non sono visibili ai clienti dell'erede diretto, ma solo ai discendenti protected: le caratteristiche ereditate pubbliche e protette sono rese visibili ai soli discendenti (non ai clienti). private: le caratteristiche ereditate pubbliche e protette sono visibili al solo erede diretto (nè ai discendenti, nè ai clienti). Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 27 class d1 : private base { class d3 : public d1 { void set-abc(){ a=1; // ko: base::a privato b=2; // ko: d1::base privato c=3; // ko: d1::base privato! Esempio class base { private: int a; public: int b,c; void main() { d1 X1; d2 X2; X1.b=2; // ko: privato X1.c=3; // ko: privato X2.b=2; // ko: protetto X2.c=3; // ko: protetto class d2: protected base { class d4 : public d2 { void set-abc(){ a=1; // ko: base::a privato b=2; // ok: d2::b // accessibile (protetto) c=3; // ok: d2::c //accessibile (protetto) Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 28
Informatica 3 Assegnamento e uguaglianza tra classi Il C++ per le classi definisce di default oltre a costruttore e distruttore anche gli operatori = e == Lezione 8 - Modulo 4 Assegnamento e uguaglianza Esempio: Auto * a; class Auto { stringa modello; stringa targa; p1 a1 Ferrari IOL003 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 29 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 30 Assegnamento e uguaglianza tra oggetti La presenza di riferimenti a oggetti esterni consente di interpretare uguaglianza e assegnamento tra oggetti in due modi: Interpretazione superficiale Assegnamento e uguaglianza vengono applicate campo per campo Assegnamento e uguaglianza tra oggetti La presenza di riferimenti a oggetti esterni consente di interpretare uguaglianza e assegnamento tra oggetti in due modi: Interpretazione superficiale Assegnamento e uguaglianza vengono applicate campo per campo Interpretazione profonda Assegnamento e uguaglianza vengono applicate considerando ricorsivamente gli oggetti collegati Persona p1, p2; p2=p1; //superf. p1 a1 Ferrari IOL003 p2 Persona p1, p3; p3=p1; //prof. p1 a1 Ferrari IOL003 p3 a3 Ferrari IOL003 I linguaggi di programmazione forniscono di default l'interpretazione superficiale Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 31 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 32
Informatica 3 Lezione 8 - Modulo 5 Genericità in C++ Genericità Problema: esistono strutture dati che rappresentano contenitori di altri dati (ad es. array, liste, pile, alberi, ecc.) Es. array può contenere int, float, Persona, Studente,.. per evitare di implementare la stessa struttura dati per ogni tipo di dato occorre sviluppare dei meccanismi per rendere il codice generico e riusabile Soluzione classica nella programmazione OO: utilizzare ereditarietà + polimorfismo [Java, Smalltalk] tutti gli oggetti derivano da un oggetto base che rappresenta l antenato di tutti i possibili oggetti che possono essere utilizzati all interno di un programma Es. classe Object di Java o Smalltalk le strutture dati contenitore puntano a questi tipi di oggetti e attraverso il polimorfismo possono essere applicate ad oggetti di tipo diverso Problema: tutte le classi fanno parte di un unico albero di ereditarietà Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 33 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 34 Genericità in C++ Sintassi dei template Il linguaggio C++ non forza ad utilizzare una gerarchia basata su un singolo oggetto, ma permette di risolvere il problema tramite i TEMPLATE I template rappresentano un modo alternativo all ereditarietà per riusare codice ereditarietà: riuso di codice oggetto template: riuso di codice sorgente In C++ i template implementano il concetto di tipo parametrizzato Quando si usa un template vengono specificati dei parametri generici, che verranno sostituiti dal compilatore con i tipi specificati nel programma La parola chiave template specifica che la definizione di classe che segue utilizzerà uno o più tipi non specificati I tipi dovranno essere specificati quando il codice deve essere effettivamente generato template<class T> class Array { T A[N]; public: //servizi array int main() { Array<int> ia; Array<float> fa; for (int i=0; i<n; i++){ ia[i]=i; fa[i]=(float)i; Il compilatore, all istanziazione del template in cui viene specificato il tipo del parametro, espande il template generando la classe con il tipo specificato (riuso di codice sorgente) Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 35 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 36