POO-C++   Eric Lecolinet   Télécom ParisTech

Programmation orientée objet
et autres concepts en C++

Eric Lecolinet

Télécom ParisTech / Dpt. Infres

Octobre 2011

License:



Début du cours (utilisez les flèches en haut à gauche pour naviguer)

Index

Tout dans un seul fichier: HTML / PDF

Sommaire

Index

Introduction

Chapitre 1 : Des objets et des classes ...

Chapitre 2 : Héritage

Chapitre 3 : Mémoire

Chapitre 4 : Constance

Chapitre 5 : Passage par valeur et par référence

Chapitre 6 : Templates et STL

Chapitre 7 : Surcharge des opérateurs et Smart Pointers

Chapitre 8 : Doxygen, typage dynamique, RTTI...

Chapitre 9 : Traitement des erreurs

Chapitre 10 : Héritage multiple


Liens et références

Les TPs associés à ce cours

Un petit tutoriel: de Java à C++

Une intro au toolkit graphique Qt

Le site de référence cplusplus.com et le manuel de la STL

Deux autres sites interessants: C++ Reference et STL SGI

La documentation automatique avec Doxygen

Les extensions Boost

La Méga Foire Aux Questions: C++ FAQ LITE

Le "Méga Cours C++" de Christian Casteyde

Le site de Bjarne Stroustrup l'auteur du C++

Brève historique

Langage C

C++

Bjarne Stroustrup, AT&T Bell Labs

initialement une extension objet du C (pré-compilateur)

plusieurs versions: de 1985 à normalisation ANSI / ISO (1998, 2003)

C++11 : nouvelle version (août 2011)

Java

inspiré de la partie objet de C++ (et d'ADA et Smalltalk ...)

C#

inspiré de Java (et de C++ ...)

Brève historique (2)

Mais aussi...

Objective C (MacOSX, IOS)

une autre extension objet du C

hybridation de C et Smalltalk

popuplaire grace à l'iPhone, etc.

syntaxe bizarre mais simple et puissant

Python, Ruby

visent la simplicité d'écriture et la flexibilité

interprétés et basés sur le typage dynamique (comme Objective C)

forte progression ces dernières années (au détriment de Java entre autres)

C++ versus C

Avantage : compatibilité C/C++

même syntaxe de base

code C "propre" compilable en C++

un programme peut combiner des fichiers C et C++

=> idéal pour rendre un programme C orienté objet

Inconvénient : compatibilité C/C++

C++ hérite de certains choix malencontreux du langage C !

C++ versus Java

Ressemblances

syntaxe en partie similaire

fonctionnalités objet de même nature

Différences

gestion mémoire (pas de garbage collecting, etc.)

héritage multiple

redéfinition des opérateurs

templates et STL

pas de threads dans le langage (mais bibliothèques ad hoc)

langage compilé (et ... plus rapide !)

En résumé

C++ = langage objet ET procédural

contrairement à Java, purement OO

vision anachronique: C++ = "sorte de mélange de C et de Java"

Bon côtés

orienté objet avec l'efficacité du C (et compatibilité avec C)

richesse du langage...

Moins bon côtés

difficultés héritées du C

richesse du langage...

parfois mal utilisée : programmes inutilement complexes

Things should be made as simple as possible but not any simpler (A. Einstein)

Références et liens

Références

Le langage C++, Bjarne Stroustrup, Campus Press/Pearson Education

www.cplusplus.com/reference

www.cppreference.com

Liens utiles

Travaux Pratiques (et d'autres liens utiles): www.enst.fr/~elc/cpp/TP.html

Introduction au toolkit graphique Qt: www.enst.fr/~elc/qt

Boost C++ Libraries: www.boost.org

voir aussi liens en 1ere page...

Compilateurs

Versions de C++

normalisation ANSI tardive => variations entre compilateurs !

Salles Sun à Télécom

g++ version 4.*.*

Attention aux incompabilités !

syntaxiques

binaires: vérifier compatibilité entre le programme et les librairies utilisées

Programme C++

Un programme C++ est constituté :

de classes réparties dans plusieurs fichiers (à la Java)

(éventuellement) de fonctions et variables globales (à la C)

Chaque fichier peut comprendre :

un nombre arbitraire de classes (si ça a un sens ...)

Pas de packages

mais des namespaces

Premier chapitre

Des objets et des classes ...

Déclarations et définitions

Même distinction qu'en langage C :

déclarations dans fichiers headers : xxx.h (ou .hpp ou .hh)

définitions dans fichiers d'implémentation : xxx.cpp (ou .cc ou .C)

règle standard : à chaque .cpp correspond un .h

qui déclare l'API publique

éventuellement (pour les librairies) un second .h (typiquement: xxxImpl.h)

qui déclare l'API privée interne à la librairie

et n'est jamais fourni aux "clients" de la librairie

Déclaration de classe

// fichier Circle.h : header contenant les déclarations

class Circle {
public:
  int x, y;                                // variables d'instance
  unsigned int radius;

  virtual void setRadius(unsigned int);    // méthodes d'instance
  virtual unsigned int getRadius() const;
  virtual unsigned int getArea() const;
  ....
};                                         // !NE PAS OUBLIER LE ;

Remarques

le ; final est obligatoire après la }

même sémantique que Java, syntaxe similaire mais ...

l'implémentation est (de préférence) séparée des déclarations

Implémentation de classe

Rappel des déclarations

class Circle {
public:
  int x, y;                                    // variables d'instance
  unsigned int radius;

  virtual void setRadius(unsigned int);        // méthodes d'instance
  virtual unsigned int getRadius() const;
  virtual unsigned int getArea() const;
}; 

Implémentation (ne pas oublier d'inclure le header !)

// fichier Circle.cpp : contient l'implementation

#include "Circle.h" 

void Circle::setRadius(unsigned int r) {   // noter le ::
  radius = r;
}

unsigned int Circle::getRadius() const { 
  return radius;
}

unsigned int Circle::getArea() const {
  return 3.1416 * radius * radius;
}

Instanciation

// fichier main.cpp                // ne pas mettre main() dans Circle.cpp !

#include "Circle.h"                // ne pas oublier!

int main() {
  Circle* c = new Circle();
  .....
}

Instanciation

// fichier main.cpp

#include "Circle.h"

int main() {
  Circle* c = new Circle();
  .....
}

new cree un objet (= nouvelle instance de la classe)

allocation mémoire

puis appel du constructeur (à suivre)

c = variable locale qui pointe sur le nouvel objet

c est un pointeur

Comparaison avec Java

Pointeur C++ vs. référence Java

  C++:  Circle* c = new Circle();   // pointeur C++
   
  Java: Circle c = new Circle();    // référence Java

dans les 2 cas: une variable qui pointe sur un objet

attention: "référence" a un autre sens en C++ !

Gestion mémoire

Java detruit les objets qui n'ont plus de référent (garbage collector)

C++ nécessite une destruction explicite par l'opérateur delete

Accès aux variables d'instance

#include "Circle.h"

int main() {
  Circle* c1 = new Circle();

  c1->x = 100;                   // noter la ->
  c1->y = 200;
  c1->radius = 35;

  Circle *c2 = new Circle();
  c2->x = c1->x;
}

Chaque objet possède sa propre copie des variables d'instance

noter l'utilisation de la -> (comme en C, mais . en Java)

c->x équivaut à: (*c).x

encapsulation => restreindre l'accès aux variables d'instance

Appel des méthodes d'instance

int main() {
  Circle* c1 = new Circle();
  Circle* c2 = new Circle();
  
  // attention: c->x, c->y, c->radius pas initialisés !

  unsigned int r = c1->getRadius();       // noter la ->
  unsigned int a = c2->getArea();
}

Toujours appliquées à un objet

ont accès à toutes les variables de cet objet

propriété fondamentale de l'orienté objet !

unsigned int Circle::getRadius() const {     // dans Circle.cpp
  return radius;
}

Constructeurs

class Circle {
   int x, y;
   unsigned int radius;
public:
   Circle(int x, int y, unsigned int r);           // declaration
  ....
};


Circle::Circle(int _x, int _y, unsigned int _r) {  // implementation
   x = _x;  y = _y;  radius = _r;
}

Circle* c = new Circle(100, 200, 35);              // instanciation

Appelés à l'instanciation de l'objet

pour initialiser les variables d'instance

Constructeurs (suite)

Deux syntaxes (quasi) équivalentes

Circle::Circle(int _x, int _y, unsigned int _r) {
   x = _x;  y = _y;  radius = _r;
}

Circle::Circle(int _x, int _y, unsigned int _r)
   : x(_x),  y(_y),  radius(_r) {
}

la 2eme forme est préférable (vérifie l'ordre des déclarations)

Chaînage des constructeurs

appel implicite des constructeurs des super-classes

dans l'ordre descendant

Constructeur par défaut

Si on ne définit aucun constructeur dans la classe

on peut écrire :

  Circle* c = new Circle();

C++ crée alors un constructeur par défaut qui ne fait rien

=> variables pas initialisées (contrairement à Java)

Conseils

toujours definir au moins un constructeur

en général, c'est une bonne idée d'avoir un constructeur sans argument :

class Circle {
   int x, y;
   unsigned int radius;
public:
   Circle(int x, int y, unsigned int r);
   Circle() : x(0), y(0), radius(0) { }
   ....
};

Destruction

Circle* c = new Circle(100, 200, 35);
...
delete c;                 // destruction de l'objet
c = NULL;                 // signifie: c pointe sur aucun object
}

delete détruit un objet crée par new

pas de garbage collector (ramasse miettes) comme en Java !

mais ca existe en option (ou techniques alternatives, cf. Smart Pointers)

Attention!

delete ne met pas c à NULL !

Remarque

NULL est une macro qui vaut 0 (ce n'est pas un mot-clé)

Destructeur

class Circle {
public:
  virtual ~Circle();                // destructeur
  ...
};

Circle* c = new Circle(100, 200, 35);
...
delete c;                          // destruction de l'objet
c = NULL;                                 

Appelé à la destruction de l'objet

un seul destructeur par classe (pas d'argument)

Chaînage des destructeurs

dans l'ordre ascendant (inverse des constructeurs)

delete & destructeur

Attention

c'est delete qui detruit l'objet (qui'il y ait ou non un destructeur)

le destructeur (s'il existe) est juste une fonction appelée avant la destruction

Quand faut-il un destructeur ?

si l'objet a des vars d'instance qui pointent vers des objets à detruire

si l'objet a ouvert des fichiers, sockets... qu'il faut fermer

pour la classe de base d'une hiérarchie de classes

Et en Java ...?

delete & destructeur

Et en Java ?

delete n'existe pas car GC (garbage collector)

la methode finalize() joue le meme role que le destructeur, mais:

pas de chainage des "finaliseurs"

appel non deterministe par le GC (on ne sait pas quand l'objet est détruit)

Surcharge (overloading)

Plusieurs méthodes

ayant le même nom

mais des signatures différentes

pour une même classe

class Circle {
  Circle();
  Circle(int x, int y, unsigned int r); 
  ....
};

Remarques

la valeur de retour ne suffit pas à distinguer les signatures

applicable aux fonctions "classiques" (hors classes)

Paramètres par défaut

class Circle {
  Circle(int x, int y, unsigned int r = 10); 
  ....
};

Circle* c1 = new Circle(100, 200, 35);
Circle* c2 = new Circle(100, 200);         // radius vaudra 10

Remarques

en nombre quelconque mais toujours en dernier

erreur de compilation s'il y a des ambiguités :

class Circle {
  Circle();
  Circle(int x, int y, unsigned int r = 10);           // OK
  Circle(int x = 0, int y = 0, unsigned int r = 10);   // AMBIGU!
  ....
};

Variables de classe

class Circle {                        // fichier Circle.h
public:
  static const float PI;              // variable de classe
  int x, y;                           // variables d'instance
  unsigned int radius;
  ...
};

Représentation unique en mémoire

mot-clé static

existe toujours (même si la classe n'a pas été instanciée)

Remarques

const (optionnel) indique que la valeur est constante

notion similaire aux variables "statiques" du C (d'où le mot-clé)

Définition des variables de classe

Les variables de classe doivent également être définies

dans un (et un seul) .cpp, sans répéter static

ce n'est pas nécessaire en Java ou C#

  // dans Circle.cpp
  const float Circle::PI = 3.1415926535;     // noter le ::

Exception

les variables de classe const int peuvent être définies dans les headers

  // dans Circle.h
  static const int TAILLE_MAX = 100;

Méthodes de classe

// déclaration: fichier Circle.h

class Circle {
public:
   static const float PI;
   static float getPI() {return PI;}
   ...
};

  
// appel: fichier main.cpp

float x = Circle::getPI();

Ne s'appliquent pas à un objet

mot-clé static

similaire à une fonction "classique" du C (mais évite collisions de noms)

N'ont accès qu'aux variables de classe !

Namespaces

namespace = espace de nommage

namespace Geom {        // dans Circle.h
    class Circle {
       ...
    };
}
    
namespace Math {        // dans Math.h
    class Circle {        // une autre classe Circle...
       ...
    };
}
  
    
#include "Circle.h"     // dans main.cpp
#include "Math.h"
    
int main() {
    Geom::Circle* c1 = new Geom::Circle();
    Math::Circle* c2 = new Math::Circle();
    ...
}

solution ultime aux collisions de noms

existent aussi en C#, similaires aux packages de Java

using namespace

namespace Geom {        // dans Circle.h
    class Circle {
       ...
    };
  
    class Rect {
       ...
    };
}

  
#include "Circle.h"     // dans main.cpp
using namespace Geom;

int main() {
    Geom::Circle* c1 = new Geom::Circle();
    Circle* c2 = new Circle();
    ...
}

spéficie un chemin d'accès par défaut

=> évite d'avoir à prefixer les classes et les fonctions

similaire à import en Java

Bibliothèque standard d'E/S

#include <iostream>                         // E/S du C++
#include "Circle.h"
    
using namespace std;
    
int main() {
  Circle* c = new Circle(100, 200, 35);
    
  cout << "radius= " << c->getRadius()     // necessite using...
  << "area= "   << c->getArea()
  << endl;
    
  std::cerr << "c = " << c  << std::endl;  // OK sans using...
}

Concaténation des arguments via << ou >>

std::cout : sortie standard

std::cerr : sortie des erreurs

std::cin : entrée standard (utiliser >> au lieu de <<)

Encapsulation / droits d'accès

class Circle {
private::
   int x, y;
   unsigned int radius;
public:
   static const float PI;
   Circle();
   Circle(int x, int y, unsigned int r);
};

Trois niveaux

private (le défaut en C++) : accès réservé à cette classe

protected : idem + sous-classes

public

NB: Java a un 4e niveau: package (par défaut), C++ a également friend

Encapsulation / droits d'accès (2)

class Circle {
// private:                      // private par defaut
   int x, y; 
   unsigned int radius;
public:
   static const float PI;        // PI est public car const
   Circle();
   Circle(int x, int y, unsigned int r);
};

Règles usuelles d'encapsulation

l'API (méthodes pour communiquer avec les autres objets) est public

l'implémentation (variables et méthodes internes) est private ou protected

Encapsulation / droits d'accès (3)

class Circle {
   friend class Manager;
   friend bool equals(const Circle*, const Circle*);
   ...
};

friend donne accès à tous les champs de Circle

à une autre classe : Manager

à une fonction : bool equals(const Circle*, const Circle*)

struct

struct = class + public

struct Truc {
   ...
};

équivaut à :

class Truc {
public:
   ...
};

en Java struct n'existe pas, en C# ce n'est pas une classe

Méthodes d'instance: où est la magie ?

Toujours appliquées à un objet

class Circle {
  unsigned int radius;
  int x, y;
public:
  virtual unsigned int getRadius() const;
  virtual unsigned int getArea() const;
};

int main() {
  Circle* c = new Circle(100, 200, 35);
  unsigned int r = c->getRadius();      // OK
  unsigned int a = getArea();         // INCORRECT: POURQUOI?
}

Et pourtant :

unsigned int Circle::getArea() const {
  return PI * getRadius() * getRadius();   // idem
}

unsigned int Circle::getRadius() const { 
  return radius;     // comment getRadius() accede a radius ?
}

Le this des méthodes d'instance

Paramètre caché this

pointe sur l'objet qui appelle la méthode

permet d'accéder aux variables d'instance

unsigned int Circle::getArea() const {
  return PI * radius * getRadius();
}

Circle* c = ...;
unsigned int a = c->getArea();

Transformé par le compilateur en l'équivalent de

unsigned int Circle::getArea(Circle* this) const {
  return Circle::PI * this->radius * this->getRadius();
}

Circle* c = ...;
unsigned int a = Circle::getArea(c);

Inlines

Méthodes implémentées dans les headers

class Circle {
public:
  // inline implicite pour les methodes
  unsigned int getRadius() const {return radius;}
  ....
};

inline Circle* createCircle() {return new Circle();}

A utiliser avec discernement

+ : rapidité (theoriquement pas d'appel fonctionnel)

+/- : lisibilité

- : augmente taille du binaire généré

- : contraire au principe d'encapsulation

Point d'entrée du programme

int main(int argc, char** argv)

même syntaxe qu'en C

arc : nombre d'arguments

argv : valeur des arguments

argv[0] : nom du programme

valeur de retour : normalement 0, indique une erreur sinon

Terminologie

Méthode versus fonction

méthodes d'instance == fonctions membres

méthodes de classe == fonctions statiques

fonctions classiques == fonctions globales

etc.

Termes interchangeables selon auteurs

Chapitre 2 : Héritage

Concept essentiel de l'OO

héritage simple (comme Java)

héritage multiple (à manier avec précaution !)

Règles d'héritage

Constructeurs

jamais hérités

Méthodes

héritées

peuvent être redéfinies (overriding) :

la nouvelle méthode remplace celle de la superclasse

! ne pas confondre surcharge et redéfinition !

Variables

héritées

peuvent être surajoutées (shadowing) :

la nouvelle variable cache celle de la superclasse

! à éviter : source de confusions !

Exemple (déclarations)

// header Rect.h

class Rect {                   
  int x, y;
  unsigned int width, height;

public:
  Rect();
  Rect(int x, int y, unsigned int width, unsigned int height);

  virtual void setWidth(unsigned int);
  virtual void setHeight(unsigned int);
  virtual unsigned int getWidth()  const {return width;}
  virtual unsigned int getHeight() const {return height;}
  /*...etc...*/
};

class Square : public Rect {   // héritage des variables et méthodes
public: 
  Square();
  Square(int x, int y, unsigned int width);

  virtual void setWidth(unsigned int);    // redéfinition de 2 méthodes
  virtual void setHeight(unsigned int);
};   

Exemple (implémentation)


class Rect {               // rappel des délarations
  int x, y;
  unsigned int width, height;
public:
  Rect();
  Rect(int x, int y, unsigned int width, unsigned int height);
  virtual void setWidth(unsigned int);
  virtual void setHeight(unsigned int);
  ...
};

class Square : public Rect {
public:
  Square();
  Square(int x, int y, unsigned int width);
  virtual void setWidth(unsigned int)
  virtual void setHeight(unsigned int);
}; 


// implémentation: Rect.cpp void Rect::setWidth(unsigned int w) {width = w;} void Square::setWidth(unsigned int w) {width = height = w;} Rect::Rect() : x(0), y(0), width(0), height(0) {} Square::Square() {} Square::Square(int x, int y, unsigned int w) : Rect(x, y, w, w) {} /*...etc...*/

Remarques

Héritage de classe

  class Square : public Rect {
    ....
  };

héritage public des méthodes et variables de la super-classe

= extends de Java

peut aussi être private ou protected

Chaînage des constructeurs

  Square::Square() {}
  Square::Square(int x, int y, unsigned int w) : Rect(x, y, w, w) { } 

1er cas : implicite

2e cas : explicite == super() de Java

Headers et inclusions multiples

Problème

class Shape {               // dans Shape.h
   ...
};

#include "Shape.h"          // dans Circle.h
class Circle : public Shape {
   ...
};

#include "Shape.h"          // dans Rect.h
class Rect : public Shape {
  ...
};

#include "Circle.h"         // dans main.cpp
#include "Rect.h"

int main() {
    ...
};

Transitivité des inclusions

le header Shape.h est inclus 2 fois dans main.cpp

=> la classe Shape est déclarée 2 fois => erreur de syntaxe !

Headers et inclusions multiples (2)

Empêcher les redéfinitions

#ifndef _Shape_h_           // dans Shape.h
#define _Shape_h_

  class Shape {
     ...
  };
  
#endif

A faire systématiquement en C et en C++ pour tous les headers

Remarques

#import : un #include intelligent (mais pas standard)

les " " ou < > précisent l'espace de recherche (programme vs. librairies)

#include <iostream>
#include "Circle.h"

l'option -I du compilateur ajoute un répertoire de recherche pour < >

exemple: -I/usr/X11R6/include

Polymorphisme

3eme caractéristique fondamentale de la POO

class Rect {
  int x, y;
  unsigned int width, height;
public:
  virtual void setWidth(unsigned int w) {width = w;}
  ...
};

class Square : public Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int w) {width = height = w;}
  ...
};

int main() {
  Rect* obj = new Square();      // obj est un Square ou un Rect ?
  obj->setWidth(100);            // quelle methode est appelée ?
}

Polymorphisme et liaison dynamique

Polymorphisme

un objet peut être vu sous plusieurs formes

Rect* obj = new Square();      // obj est un Square ou un Rect ?
obj->setWidth(100);            // quelle methode est appelée ?

Liaison dynamique (ou "tardive")

la méthode liée à l'instance est appelée

le choix de la méthode se fait à l'exécution

mécanisme essentiel de l'OO !

Laison statique

le contraire : la méthode liée au pointeur est appelée

Méthodes virtuelles

Deux cas possibles en C++

class Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);     // methode virtuelle
};

class Square : public Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);
};

int main() {
  Rect* obj = new Square();
  obj->setWidth(100);
}

Méthodes virtuelles

mot clé virtual => liaison dynamique : Square::setWidth() est appelée

Méthodes non virtuelles

PAS de mot clé virtual => liaison statique : Rect::setWidth() est appelée

Méthodes virtuelles: redéfinition

class Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);      // virtual nécessaire
};

class Square : public Rect {
public:
  /*virtual*/ void setWidth(unsigned int);  // virtual implicite
};

Les redéfinitions des méthodes virtuelles sont virtuelles

même si virtual est omis => virtual important dans les classes de base !

Elles doivent avoir la même signature

sinon c'est une autre fonction (surcharge) !

sauf que le type de retour peut être une sous-classe (covariance des types)

Méthodes virtuelles: surcharge

Il faut rédéfinir toutes les variantes

si on redéfinit l'une d'entres-elles

class Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);
  virtual void setWidth(unsigned double);  // surcharge
};

pas correct :

class Square : public Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);
};

correct :

class Square : public Rect {
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);
  virtual void setWidth(unsigned double);
};

Pourquoi des méthodes virtuelles ?

Programmation orientée objet

les méthodes d'instance doivent généralement être virtuelles

pour éviter les incohérences : exemple :

  Rect* obj = new Square();
  obj->setWidth(100);

setWidth() pas virtuelle => Square pas carré !

Java et C#

méthodes virtuelles par défaut

Pourquoi des méthodes NON virtuelles ?

A EVITER !

principale raison: compatibilité avec le C

Cas particuliers

optimiser l'exécution

accesseurs (getters, setters), et encore !

cas extrêmes (méthode appelée 10 000 000 fois...)

redéfinir des méthodes avec des signatures différentes

Méthode abstraite

Spécification d'un concept dont la réalisation peut varier

ne peut pas être implémentée

doit être redéfinie (et implémentée) dans les sous-classes ad hoc

  class Shape { 
  public:
      virtual void setWidth(unsigned int) = 0;  
      ...
  };

en C++ : virtual et = 0 (pure virtual function)

en Java et en C# : abstract

Classe abstraite

Contient au moins une méthode abstraite

=> ne peut pas être instanciée

Les classes héritées instanciables :

doivent implémenter toutes les méthodes abstraites

class Shape {                  // classe abstraite
public:
  virtual void setWidth(unsigned int) = 0;
  ...
};

class Rect : public Shape {    // Rect peut être instanciée
public:
  virtual void setWidth(unsigned int);
  ...
};

Classes abstraites (2)

Objectifs

"commonaliser" les déclarations de méthodes (généralisation)

-> permettre des traitements génériques sur une hiérarchie de classes

imposer une spécification

-> que les sous-classes doivent obligatoirement implémenter

principe d'encapsulation

-> séparer la spécification et l'implémentation

Remarque

pas de mot-clé "abstract" comme en Java

il suffit qu'une méthode soit abstraite

Exemple

class Shape {   // classe abstraite
  int x, y;
public:
  Shape() : x(0), y(0) {}
  Shape(int _x, int _y) : x(_x), y(_y) {}

  virtual int getX() const {return x;}
  virtual int getY() const {return y;}
  
  virtual unsigned int getWidth()  const = 0;   // methodes
  virtual unsigned int getHeight() const = 0;   // abstraites 
  virtual unsigned int getArea() const = 0; 
};


class Circle : public Shape {
  unsigned int radius;
public:
  Circle();
  Circle(int x, int y, unsigned int r);

  virtual unsigned int getRadius() const {return radius;}

  // redefinition et implementation des methodes abstraites
  virtual unsigned int getWidth()  const {return 2 * radius;}
  virtual unsigned int getHeight() const {return 2 * radius;}
  virtual unsigned int getArea() const {return PI * radius * radius;}
}

Traitements génériques

#include <iostream>
#include "Shape.h"
#include "Rect.h"
#include "Square.h"
#include "Circle.h"

int main(int argc, char** argv) {

  Shape** tab = new Shape*[10];        // tableau de Shape*
  unsigned int count = 0;

  tab[count++] = new Circle(0, 0, 100);
  tab[count++] = new Rect(10, 10, 35, 40);
  tab[count++] = new Square(0, 0, 60);

  for (int k = 0; k < count; k++) {
      cout << "Area = " << tab[k]->getArea() << endl;
  }
}

Bénéfices du polymorphisme (1)

Gestion unifiée

des classes dérivant de la classe abstraite

sans avoir besoin de connaître leur type !

contrairement à la programmation "classique" (en C, etc.)

#include <iostream>
#include "Shape.h"

void printAreas(Shape** tab, int count) {
  for (int k = 0; k < count; k++) {
      cout << "Area = " << tab[k]->getArea() << endl;
  }
}

Evolutivité

rajout de nouvelles classes sans modification de l'existant

Bénéfices du polymorphisme (2)

Spécification indépendante de l'implémentation

les classes se conforment à une spécification commune

=> indépendance des implémentations des divers "modules"

=> développement en parallèle par plusieurs équipes

Interfaces

Classes totalement abstraites

toutes les méthodes sont abstraites

aucune implémentation

-> pure spécification d'API (Application Programming Interface)

En C++: cas particulier de classe abstraite

pas de mot-clé interface comme en Java

pas indispensable car C++ supporte l'héritage multiple

Exemple d'interface

class Shape {  // interface
  // pas de variables d'instance ni de constructeur
public:
  virtual int getX() const = 0;                  // abstract
  virtual int getY() const = 0;                  // abstract
  virtual unsigned int getWidth()  const = 0;    // abstract
  virtual unsigned int getHeight() const = 0;    // abstract
  virtual unsigned int getArea() const = 0;    // abstract
};

class Circle : public Shape {
  int x, y; 
  unsigned int radius;
public:
  Circle();
  Circle(int x, int y, unsigned int r = 10);

  // getX() et getY() doivent être implémentées
  virtual int getX() const {return x;}
  virtual int getY() const {return y;}
  virtual unsigned int getRadius() const {return radius;}
  ...etc...
}

Complément: factorisation du code

Eviter les duplications de code

gain de temps

évite des incohérences

lisibilité par autrui

maintenance : facilite les évolutions ultérieures

Comment ?

technique de base : héritage

-> découpage astucieux des méthodes, méthodes intermédiaires ...

rappel des méthodes des super-classes :

class NamedRect : public Rect {
public:
    virtual void draw() {     // affiche le rectangle et son nom
        Rect::draw();             // trace le rectangle
        /* code pour afficher le nom */
    }
};

Classes imbriquées (1)

class Rect {
   class Point {              // classe imbriquee
       int x, y;
   public: 
       Point(x, y);  
   };
    
   Point p1, p2;              // variables d'instance
public:
   Rect(int x1, int y1, int x2, int y2);
};
  
  
Rect::Rect(int x1, int y1, int x2, int y2) 
   : p1(x1,y1), p2(x2,y2) { }      // appel du const. de la classe imbriquée


Rect::Point::Point(int _x, int _y) 
   : x(_x), y(_y) { }

Technique de composition très utile

souvent préférable à l'héritage multiple (à suivre...)

Classes imbriquées (2)

class Rect {
   class Point {              // classe imbriquee
       int x, y;
   public: 
       Point(x, y);  
   };
    
   Point p1, p2;              // variables d'instance
public:
   Rect(int x1, int y1, int x2, int y2);
};

Visibilité des champs depuis la classe imbriquée

les champs de Rect sont automatiquement visibles depuis Point en Java

mais pas en C++ !

Méthodes virtuelles: comment ça marche ?

Tableau de pointeurs de fonctions (vtable)

1 vtable par classe

chaque objet pointe vers la vtable de sa classe

=> coût un peu plus élévé (double indirection)

Chapitre 3 : Mémoire

Les différents types de mémoire

mémoire statique (ou globale) : réservée dès la compilation, variables static

pile (stack) : variables locales ("automatiques") des fonctions

mémoire dynamique (tas/heap) : allouée à l'exécution par new (malloc en C)


void foo() {
    static int count = 0;    // statique
    count++;
    
    int i = 0;               // pile
    i++;
    
    int* p = new int(0);     // dynamique
    (*p)++;                  // NB: ne pas oublier les parenthèses!
}

que valent count, i, *p si on appelle foo() deux fois ?

Remarque: il existe un 4e type : la mémoire constante "read only"

Mémoire

Durée de vie

mémoire statique : toute la durée du programme

pile : pendant l'exécution de la fonction

mémoire dynamique : de new à delete (de malloc à free en langage C)


void foo() {
    static int count = 0;    // statique    
    int i = 0;               // pile    
    int* p = new int(0);     // dynamique
}

A la sortie de la fonction

count existe encore (et conserve sa valeur)

i est détruite

p est détruite (elle est dans la pile) mais pas ce qu'elle pointe !

=> attention aux fuites mémoire !

Mémoire et objets

C++ permet d'allouer des objets

dans les trois types de mémoire, contrairement à Java !

void foo() {
    static Square a(5,5,20);             // statique
    Square b(5,5,20);                    // pile
    Square* c = new Square(5,5,20);      // dynamique
}

les variables a et b contiennent l'objet

impossible en Java: que des types de base ou des références dans la pile

la variable c pointe vers l'objet

même chose qu'en Java (sauf qu'il n'y a pas de ramasse miettes en C++)

Création et destruction des objets

void foo() {
    static Square a(5,5,20);             // statique
    Square b(5,5,20);                    // pile
    Square* c = new Square(5,5,20);      // dynamique
}

Dans tous les cas

Constructeur appelé quand l'objet est créé

ainsi que ceux des superclasses (chaînage descendant des constructeurs)

Destructeur appelé quand l'objet est détruit

ainsi que ceux des superclasses (chaînage ascendant des destructeurs)

Création et destruction des objets (2)

void foo() {
    static Square a(5,5,20);             // statique
    Square b(5,5,20);                    // pile
    Square* c = new Square(5,5,20);      // dynamique
}

Utilisation de new et delete

à chaque new doit correspondre un (et un seul) delete

jamais de delete sur des objets statiques ou dans la pile (détruits automatiquement)

Comment se passer de delete ?

avec des smart pointers (à suivre)

la mémoire est toujours récupérée en fin de programme

aucun delete = solution acceptable si peu d'objets

. versus ->

void foo() {
    static Square a(5,5,20);             // statique
    Square b(5,5,20);                    // pile
    Square* c = new Square(5,5,20);      // dynamique
    
    unsigned int w = a.getWidth();
    int y = b.getY();
    int x = c->getX();
}

. pour accéder à un membre d'un objet (ou d'une struct en C)

-> même chose depuis un pointeur (comme en C)

c->getX() équivaut à (*c).getX()

Objets contenant des objets

class Dessin {
    static Square a;    // var. de classe qui contient l'objet
    Square b;           // var. d'instance qui contient l'objet

    Square* c;          // var. d'instance qui pointe vers un objet
    static Square* d;   // var. de classe qui pointe vers un objet
};

Durée de vie : même principe

static (cas a et d) : même durée de vie que le programme

sinon (cas b et c) : même durée de vie que l'objet contenant

NB : l'objet pointé (cas c et d) est en mémoire dynamique (créé par new / détruit par delete)

Création de l'objet

class Dessin {
    static Square a;
    Square b;
    Square* c;
    
public:
    Dessin(int x, int y, unsigned int w) : 
        b(x, y, w),                   // appelle le constructeur de b
        c(new Square(x, y, w)) {      // crée l'objet pointé par c
     }
};

on pourrait aussi écrire :

    Dessin(int x, int y, unsigned int w) :
        b(x, y, w) {
      c = new Square(x, y, w);
    }

il faut rajouter dans le fichier .cpp

Square Dessin::a(10, 20, 300);     // on ne repete pas "static"

Qu'est-ce qui manque ?

Destruction de l'objet

Il faut un destructeur !

chaque fois qu'un constructeur fait new (sinon fuites mémoires)

class Dessin {
    Square b;
    Square* c;
    
public:
    Dessin(int x, int y, unsigned int w) : 
        b(x, y, w),
        c(new Square(x, y, w)) {
    }

    virtual ~Dessin() {delete c;}
};

Remarques

b pas créé avec new => pas de delete

destructeurs généralement virtuels (pour polymorphisme)

Qu'est-ce qui manque ?

Initialisation et affectation

class Dessin {
    Square b;
    Square* c;
public:
    Dessin(int x, int y, unsigned int w);
    virtual ~Dessin() {delete c;}
};


void foo() {
    Dessin d1(0, 0, 50);
    Dessin d2(10, 20, 300);

    d2 = d1;            // affectation

    Dessin d3 = d1;     // initialisation
    Dessin d4(d1);      // idem (syntaxe equivalente)
}

Quel est le probleme ?

quand on sort de foo() ...

Initialisation et affectation

class Dessin {
    Square b;
    Square* c;
public:
    Dessin(int x, int y, unsigned int w);
    virtual ~Dessin() {delete c;}
};

void foo() {
    Dessin d1(0, 0, 50);
    Dessin d2(10, 20, 300);
    d2 = d1;            // affectation
    Dessin d3 = d1;     // initialisation
    Dessin d4(d1);      // idem
}

Le contenu de d1 est copié dans d2, d3 et d4 !

=> toutes les variables c pointent sur la même instance de Square

=> cette instance est détruite 4 fois (BOUM!) quand on sort de foo (et les autres jamais)

Il faudrait de la copie profonde

Interdire la copie d'objets

La copie d'objets est dangereuse

s'ils contiennent des pointeurs ou des références !

1e solution : interdire la copie

déclarer privés l'opérateur d'initialisation (copy constructor) et d'affectation (operator=)

implémentation inutile

interdit également la copie pour les sous-classes

class Dessin {
   ....
private:
   Dessin(const Dessin&);                // initialisation: Dessin a = b;
   Dessin& operator=(const Dessin&);     // affectation: a = b;
   ....
};

Solution similaire à Java

qui ne permet pas de copier un objet dans un autre en utilisant =

(en Java = ne peut copier que des types de base ou des références)

Redéfinir la copie d'objets (copie profonde)

2e solution : redéfinir la copie

l'opérateur d'initialisation et d'affectation font de la copie profonde

class Dessin : public Graphique {
   ....
public:
   Dessin(const Dessin&);                // initialisation
   Dessin& operator=(const Dessin&);     // affectation
   ....
};


Dessin::Dessin(const Dessin& from) : Graphique(from) {
    b = from.b;
    
    if (from.c != NULL) c = new Square(*from.c);     // copie profonde
    else c = NULL;
}

 
Dessin& Dessin::operator=(const Dessin& from) {
   Graphique::operator=(from);
   
   b = from.b;
   
   delete c;
   if (from.c != NULL) c = new Square(*from.c);     // copie profonde
   else c = NULL;
   
   return *this;
}

Compléments

Tableaux: new[ ] et delete[ ]

int* tab = new int[100];
delete [] tab;                // ne pas oublier les []
tab = 0;

Ne pas mélanger les opérateurs !

x = new       ->  delete x
x = new[]     ->  delete[] x
x = malloc()  ->  free(x)    // éviter malloc() et free()

Redéfinition de new et delete

possible, comme pour presque tous les opérateurs du C++

Méthodes virtuelles

méthodes virtuelles => destructeur virtuel

ne le sont plus dans les constructeurs / destructeurs !

Chapitre 4 : Constance

Variables "const"

ne peuvent pas changer de valeur

doivent obligatoirement être initialisées

Exemples

alternative aux #define :

    const int MAX_ELEM = 200;

strcat( ) ne peut pas modifier le 2e argument :

    char* strcat(char* s1, const char* s2);

les variables d'instance ne peuvent pas changer :

    class User {
        const int id;
        const string name;      // name contient l'objet
    public:
        // pas optimal (a suivre...)
        User(int i, string n) : id(i), name(n)) {}
    };

Pointeurs et littéraux

Pointeurs : le const porte sur ce qui suit :

l'objet pointé est constant

const char *s = "abcd";
*s = 'x';           // INTERDIT (par le compilateur)
s = "toto"          // OK

le pointeur est constant

char* const s = "abcd"
*s = 'x';          // PERMIS (mais faux dans ce cas !!!)
s = "toto"         // INTERDIT

pointeur et objet pointé constants

const char* const s = "abcd";

Attention aux littéraux (i.e. "abcd")

souvent en mémoire "read-only" => plantage si on modifie leur contenu!

écrire :    const char* s = "abcd";   pour éviter les erreurs

Méthodes "const"

Les méthodes d'instance const

ne modifient pas les variables d'instance

mais sont applicables sur des objets const

class Square {
....
public:
  int getX() const;
  void setX(int x);
  ....
};

Exemple

const Square s1(0, 0, 100);
const Square * s2 = new Square(50, 50, 300);

cout << s1.getX() << endl;      // OK : getX() est const
s2->setX(50);             // INTERDIT! setX() n'est PAS const

Remarques

Un bon conseil !

mettre les const DES LE DEBUT de l'écriture du programme

changements pénibles a posteriori (modifs. en cascade...)

enum, une alternative a const pour les entiers

enum WEEK_END {SAMEDI=6, DIMANCHE=7};

Valeur de retour des fonctions

class User {
    char * name;          // chaine du C (a eviter!)
public:
    const char* getName() const {return name;}
    char* getName() {return name;}
};

renvoie directement la chaîne stockée par l'objet sans faire de copie

!!! la 2e version est DANGEREUSE (mais pas la 1ere) !!!

Conversion de constance

Exemple

on veut interdire la modification d'un objet

mais cet objet doit allouer une ressource à l'exécution

class DrawableSquare {   // s'affiche a l'ecran
    Peer* peer;

public:
    DrawableSquare() : peer(0) {}    // peer inconnu a ce stade
    void draw() const {if (!peer) peer = createPeer();}
};


void foo() {
    const DrawableSquare top_left(0,0,10);  // ne doit pas bouger;
    rect.draw();                            // OK: draw() est const
}

Probleme ?

Conversion de constance

class DrawableSquare {   // s'affiche a l'ecran
    Peer* peer;

public:
    DrawableSquare() : peer(0) {}
    void draw() const {if (!peer) peer = createPeer();}
};


void foo() {
    const DrawableSquare top_left(0,0,10);
    rect.draw();
}

Probleme

draw( ) ne peut etre const car elle modifie 'peer' !

Solution ?

Cast et const_cast<>

(Très) mauvaise solution

void draw() const {         // et si on se trompe de type ?
    if (!peer)
        ((DrawableSquare*)this)->peer = createPeer();
}

(Moins) mauvaise solution

void draw() const {         // verifie que c'est le meme type
    if (!peer)
        const_cast<DrawableSquare*>(this)->peer = createPeer();
}

Risque de plantage dans les 2 cas !

un objet const peut être stocké en mémoire "read-only"

Constance logique et constance physique

Bonne solution

class DrawableSquare {
    mutable Peer* peer;       // toujours modifiable ! 
public:
    void draw() const {if (!peer) peer = createPeer();}
};

constance logique : point de vue du client

constance physique : implémentation, inconnue du client

Chapitre 5 : Passage par valeur et par référence

Passage par valeur

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    ....
};

void MySocket::send(int i) {
    // envoie i sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a = 5;
   sock.send(a);
}

Quelle est la relation entre l'argument a et le parametre i ?

Passage par valeur

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    ....
};

void MySocket::send(int i) {
    // envoie i sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a = 5;
   sock.send(a);      // arg a copie dans param i
}

la valeur de l'argument est recopiée dans le paramètre de la fonction

sauf pour les tableaux (l'adresse du 1er élément est recopiée)

cas par défaut pour C++ et C# (seule possibilité pour C et Java)

Comment recupérer une valeur ?

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int i);
    ....
};

void MySocket::receive(int i) {
    // recupere i depuis la socket
    i = ...;
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a;
   sock.receive(a);
}

Que se passe t'il ?

Passage par référence

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int& i);
    ....
};

void MySocket::receive(int& i) {
    i = ...;  // recupere i depuis la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a;
   sock.receive(a);
}

Passage par référence

pas de recopie : l'argument a et le paramètre i référencent la même entité

i est un "alias" de a => a est bien modifié au retour de la fonction

Attention: PAS de passage par reference en Java (contrairement aux apparences) !

Cas des "gros arguments"

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int& i);
    void send(string s);
    ....
};

void MySocket::send(string s) {
    // envoie s sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   string a = "une chaine tres tres tres tres longue.....";
   sock.send(a);
}

Quel est le probleme ?

Cas des "gros arguments"

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int& i);
    void send(string s);
    ....
};

void MySocket::send(string s) {
    // envoie s sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   string a = "une chaine tres tres tres tres longue.....";
   sock.send(a);
}

Problèmes

1. le contenu de a est recopié inutilement dans s (temps perdu !)

2. recopie pas souhaitable dans certains cas

exemple: noeuds d'un graphe pointant les uns sur les autres

1ere tentative

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int& i);
    void send(string& s);
    ....
};

void MySocket::send(string& s) {
    // envoie s sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   string a = "une chaine tres tres tres tres longue.....";
   sock.send(a);
}

Pas satisfaisant

avantage : a n'est plus recopié inutilement dans s

inconvénient : send() pourrait modifier a (ce qui n'a pas de sens)

amélioration ... ?

Passage par const référence

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);
    void receive(int& i);
    void send(const string& s);     // const reference
    ....
};

void MySocket::send(const string& s) {
    // envoie s sur la socket
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   string a = "une chaine tres tres tres tres longue.....";
   sock.send(a);
}

Passage par référence en lecture seule

a n'est plus recopié inutilement dans s

send() ne peut pas modifier a ni s

Synthèse

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void send(int i);                  // par valeur
    void send(const string& s);        // par const référence
    void receive(int& i);              // par référence
};

Passage par valeur

argument recopié => pas modifié

Passage par const référence

argument pas recopié, pas modifié

alternative au cas précédent (gros arguments ou qu'il ne faut pas copier)

Passage par référence

argument pas recopié, peut être modifié

cas où on veut récupérer une valeur

Valeur de retour des fonctions

Mêmes règles que pour les paramètres

class User {
   string name;
   
public:
    User(const string& n) : name(n) {}
    
    const string& getName() const {return name;} // retourne name
    
    string getNameBAD() const {return name;}     // retourne une copie de name
};


int main() {
    string zname = "Zorglub";
    User z(zname);
    
    string n1 = z.getName();        // OK: copie 'name' dans n1
    string n2 = z.getNameBAD();     // double copie !
}

getNameBAD() fait une recopie intermédiaire qui ne sert à rien (dans ce cas)

Remarque

Conversions implicites des const références

class User {
    string name;
public:
    User(string string& n) : name(n) {}
};
int main() {
    User z("Zorgub");     // CORRECT
}

"Zorglub" n'est pas de type string (son type est char *)

"Zorglub" est implicitement convertie en string car constructeur :

     string::string(const char*);

Rappel

Opérateurs d'initialisation et d'affectation

   Dessin(const Dessin& d2);               // Dessin d = d2;
    
   Dessin& operator=(const Dessin& d2);    // d = d2;

d2 pas copié et pas modifiable

Comparaison avec C et Java

class MySocket {
public:
    MySocket(const char* host, int port);
    void receive(int& i);
    ....
};

void MySocket::receive(int& i) {
    // recupere i depuis la socket
    i = ...;
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a;
   sock.receive(a);
}

Pas de passage par référence en C ni en Java : comment faire ?

Comparaison avec C

Pointeurs: solution équivalente mais plus compliquée

class MySocket {
public:
    void receive(int& i);        // C++ référence (ref en C#)
    void receive(int* pi);       // C++ ou C : pointeur
};

void MySocket::receive(int& i) {    // i est un alias de a
    i = ...;
}

void MySocket::receive(int* pi) {   // pi pointe sur a
    *pi = ...;   // noter l'*
}

void foo() {
   MySocket sock("infres", 6666);
   int a;
   sock.receive(a);                 // C++ ou C#
   sock.receive(&a);                // C++ ou C : adresse de a
}

Passage par pointeur

passage par valeur de l'adresse de a recopiée dans le pointeur pi

seule possibilité en C (possible en C++ mais préférer les références)

Comparaison avec Java : Types de base

class MySocket {
public:
    void receive(int??? i);
};

void foo() {
   MySocket sock = new MySocket("infres", 6666);   // Java
   int a;
   sock.receive(a);     // Passage par VALEUR: a est recopié
}

En Java

PAS de passage par référence au sens de C++, C#, Pascal ...

PAS de pointeurs au sens de C ou C++

=> Pas d'équivalent pour les types de base !

Comparaison avec Java : Objets

class MySocket {
    public void receive(String s) {
       s = new String("valeur recue");    // il faudrait mettre la valeur recue du socket
    }
}

void foo() {
   MySocket sock = new MySocket("infres", 6666);
   String buf = new String("mon buffer");
   sock.receive(buf);
}

buf pointe vers quoi après l'appel ?

vers "mon buffer" ou "valeur recue" ?

Comparaison avec Java : Objets (Suite)

class MySocket {
    public void receive(String s) {
        // ici s pointe sur "mon buffer"
        s = new String("valeur recue"); 
        // ici s pointe sur "valeur recue"
    }
}

void foo() {
   MySocket sock = new MySocket("infres", 6666);
   String buf = new String("mon buffer");
   sock.receive(buf);
   // ici buf pointe sur "mon buffer"
}

Java : passage par valeur des références (= par pointeur)

la référence (= pointeur) buf est recopiée dans la référence s

mais l'objet pointé n'est pas recopié

s n'est pas un alias : ce n'est PAS du passage par référence !

Comparaison avec Java : Objets (Solution)

class MySocket {
    public void receive(StringBuffer s) {
        // s pointe sur le même StringBuffer que buf
        s.append("valeur recue");
    }
}

void foo() {
   MySocket sock = new MySocket("infres", 6666);
   StringBuffer buf = new StringBuffer();
   sock.receive(buf);
}

Solution

modifier le contenu de l'objet pointé

mais pas le pointeur !

Preferer les références aux pointeurs

Parce que c'est plus simple

en particulier pour le passage par référence

Parce que c'est plus sûr

pas d'arithmétique des références (source d'erreurs)

toujours initialisées (ne peuvent pas pointer sur 0)

référencent toujours la même entité

Circle c1;
Circle& r1 = c1;     // r1 sera toujours un alias de c1

Copie : références vs. pointeurs

Référence C++ = alias d'un objet (y compris pour la copie)

Circle c1, c2;
c1 = c2;      // copie le contenu de c2 dans c1

Circle& r1 = c1;
Circle& r2 = c2;
r1 = r2;      // pareil !

Référence Java ou pointeur C++ = pointe un objet

Circle* p1 = &c1;
Circle* p2 = &c2;
p1 = p2;   // copie le pointeur, pas l'objet pointé (comme en Java)

Cas des conteneurs de la STL

void drawAll(list<Point*> pl) 
{
  for (list<Point*>::iterator it = pl.begin(); it != pl.end(); ++it) 
    (*it)->draw();
}

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist( new Point(20, 20) );
  plist( new Point(50, 50) );
  plist( new Point(70, 70) );
  
  drawAll(plist); 
}

Quel est le problème ?

Cas des conteneurs de la STL (2)

void drawAll(list<Point*> pl) 
{
  for (list<Point*>::iterator it = pl.begin(); it != pl.end(); ++it) 
    (*it)->draw();
}

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist( new Point(20, 20) );
  plist( new Point(50, 50) );
  plist( new Point(70, 70) );
  
  drawAll(plist); 
}

Passage par valeur

plist est recopiée dans pl : opération coûteuse si la liste est longue !

noter que la liste est recopiée mais pas les objets pointés

Cas des conteneurs de la STL (3)

void drawAll(const list<Point*> & pl) 
{
  for (list<Point*>::const_iterator it = pl.begin(); it != pl.end(); ++it) 
    (*it)->draw();
}

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist( new Point(20, 20) );
  plist( new Point(50, 50) );
  plist( new Point(70, 70) );
  
  drawAll(plist);   
}

Passer les conteneurs par référence ou const référence

pour éviter de les recopier inutilement

noter const_iterator : iterateur qui ne modifie pas la liste

Chapitre 8 : Surcharge des opérateurs et Smart Pointers

Surcharge des opérateurs

#include <string>

string s = "La tour"; 
s = s + " Eiffel";
s += " est bleue";

string est une classe "normale"

mais les operateurs + et += sont redefinis

class string {
  friend string operator+(const string&, const char*)
  string& operator+=(const char*);
  ....
};

Surcharge des opérateurs

Possible pour presque tous les opérateurs

= == < > + - * / ++ -- += -= -> () [] new delete

mais pas pour: :: . .* ?

la priorité est inchangée

A utiliser avec discernement

peut rendre le code incomprehensible !

Existe dans de nombreux langages (C#, Python, Ada...)

mais pas en Java

Cas (particulièrement) intéressants

operator[ ]

template <class T> vector {
    int& operator[](int i) {....}
    ....
};

vector tab(3);
tab[0] = tab[1] + tab[2];

operator()

"Objets fonctionnels" : le même algorithme peut s'appliquer à des fonctions ou à des objets

operator++

class Integer {
    Integer& operator++();          // prefixe
    Integer  operator++(int);       // postfixe
};

operator new , delete , new[], delete[]

redéfinition de l'allocation mémoire

conversions de types

class String {
    operator char*() const {return c_s;}
};

Smart Pointers, comptage de références

Principe

compter le nombre de (smart) pointers qui référencent l'objet

détruire l'objet quand le compteur arrive à 0


smptr<Circle> p1 = new Circle(0, 0, 50);     // refcount=1

smptr<Circle> p2;
    
p2 = p1;      // p2 pointe aussi sur l'objet => refcount=2

p1 = NULL;    // p1 ne pointe plus sur l'objet => refcount=1

p2 = NULL;    // refcount=0 => destruction automatique de l'objet

Avantage

mémoire gérée automatiquement : plus de delete !

Smart Pointers "Intrusifs"

Principe

l'objet pointé possède un compteur de références

les smart pointers détectent les affectations et modifient le compteur

Exemple

class Shape {      // classe de base (Circle dérive de Shape)
    long refcount;
public:
    Shape() : refcount(0) {}
    void addRef() {++refcount;}  
    void remRef() {if (--refcount == 0) delete this;}   // hara kiri à 0 !
    void setX(int x);
    .....
};


void foo() {
  smptr<Shape> p = new Circle(0, 0, 50);      // smart pointer
  p->setX(20);

  vector< smptr<Shape> > vect;        // vecteur de smart pointers
  vect.push_back( new Circle(0, 0, 50) );
  vect[0]->setX(20);
  
}  // destruction des variables locales p et vect et de ce qu'elles pointent

Ou est la magie ?

Les smart pointers sont des objets qui :

encapsulent un pointeur standard (raw pointer)

surchargent le copy constructor et l'operateur =

surchargent les opérateurs de déréférencement -> et *

template <class T> class smptr {
    T* p;
public:
    smptr(T* obj) : p(obj) {if (p != NULL) p->addRef();}
           
    ~smptr() {if (p != NULL) p->remRef();}

    smptr& operator=(T* obj) {....}

    .....
    
    T& operator*()  const {return *p;}

    T* operator->() const {return p;}     // sptr->setX(20) fait 
                                          // sptr.p->setX(20)
};

void foo() {
  smptr<Shape> p = new Circle(0, 0, 50);
  p->setX(20);
} 

Implémentations et limitations

Il existe plusieurs implémentations

Smart pointers "intrusifs" (intrusive_ptr)

imposent d'avoir un compteur dans l'objet

Smart pointers "non intrusifs" (shared_ptr)

lèvent cette restriction mais incompatibles avec pointeurs standard

Smart pointers sans comptage de référence (scoped_ptr)

un seul pointeur par objet

Voir smart pointers de Boost et implémentation donnée en TP

Attention

ne marchent pas si dépendances circulaires

rajouter des verrous s'il y a des threads

Exemple d'implementation

template <class T>
class smptr {
    T* p;
public:
    smptr(T* obj = 0) : p(obj) {          // smptr<Circle> ptr = object;
        if (p != 0) p->addRef();
    }
      
    smptr(const smptr& ptr) : p(ptr.p) {  // smptr<Circle> ptr = ptr2;
        if (p != 0) p->addRef();
    }
     
    ~smptr() {                            // destructeur
        if (p != 0) s->remRef();
    }

    smptr& operator=(T* obj) {            // ptr = object;
        if (p != 0) p->remRef();
        p = obj;
        if (p != 0) p->addRef();
    }

    smptr& operator=(const smptr& ptr) {  // ptr = ptr2;
        if (p != 0) p->remRef();
        p = ptr.p;
        if (p != 0) p->addRef();
    }

    T* operator->() const {return p;}     // ptr->setX(20) fait 
                                          // ptr.operator->setX(20)
    
    T& operator*()  const {return *p;}
};

Doxygen

Système de documentation automatique

similaire à JavaDoc

/** Classe de base des objets geometriques.
 * Noter que cette classe est abstraite 
 * et ne peut donc pas être instanciee.
 */
class Shape {

  /// retourne la largeur.
  virtual unsigned int getWidth() const = 0;

  virtual unsigned int getWidth() const = 0;
  ///< retourne la hauteur.

  virtual void setPos(int x, int y) = 0;
  /**< change la position.
   * voir aussi setX() et setY().
   */

www.doxygen.org

Chapitre 6 : Templates et STL

Templates = programmation générique

les types sont des paramètres

base de la STL (Standard Template Library)


template <class T>  
T mymax(T x, T y) { return (x > y ? x : y); }

int i    = mymax(4, 10);
double x = mymax(6666., 77777.);
float f  = mymax<float>(66., 77.);

NB: attention: max() existe en standard !

Templates (2)

Classes templates

template <class T>  
class vector {
  vector()                  { ... }
  void add(T elem)          { ... }
  void add(T elem, int pos) { ... }
  void remove(int pos)      { ... }
};


template <class T>  
void sort(vector<T> v) {
  .....
}


vector<int> v;
v.add(235);
v.add(1);
v.add(14);
sort(v);

Standard Template Library (STL)

Conteneurs

classes qui contiennent des objets

gestion automatique de la mémoire

      vector<int> v(3);      // vecteur de 3 entiers
      v[0] = 7;
      v[1] = v[0] + 3;
      v[2] = v[0] + v[1];

Les plus courants

vector, list, map

Mais aussi

deque, queue, stack, set, bitset

STL (2)

Algorithmes

manipulent les données des conteneurs

génériques

      reverse( v.begin(), v.end() );

Itérateurs

sortes de pointeurs généralisés

exemple: v.begin() et v.end()

      reverse(v.begin(), v.end());

Documentation

www.cppreference.com ou www.sgi.com/tech/stl

Exemple de vecteur

#include <vector>
using namespace std;

struct Point {
    int x, y;
    Point(int x, int y);
};

vector<Point> points;     // vecteurs de Points

Point p1(10, 25); 
points.push_back(p1);

Point p2(10, 25); 
points.push_back(p2);

for (unsigned int i=1; i < points.size(); i++)
    drawLine(points[i-1].x, points[i-1].y, points[i].x, points[i].y);
    
points.clear();

"points" est un vecteur d'objets

accès direct aux éléments via [ ] ou at()

coût d'insertion / suppression élévé

Exemple de liste

#include <list>
using namespace std;

list<Point*> plist;     // liste de pointeurs
  
plist.push_back( new Point(20, 20) );
plist.push_back( new Point(50, 50) );
plist.push_back( new Point(70, 70) );
  
for (list<Point*>::iterator it = plist.begin();
     it != plist.end(); 
     ++it) {
  (*it)->draw();    // (*it) car -> est plus prioritaire que *
}

"plist" est une liste de pointeurs d'objets

pas d'accès direct aux éléments

coût d'insertion / suppression faible

la liste est doublement chaînée

Deux problèmes éventuels ...

void drawAll(list<Point*> plist) {
   ... affiche tous les points
}

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist.push_back( new Point(20, 20) );
  plist.push_back( new Point(50, 50) );
  plist.push_back( new Point(70, 70) );

  drawAll(plist);   // PBM 1

}  // PBM 2

1) Passer les conteneurs par référence

void drawAll(const list<Point*> & plist) 
{
  for (list<Point*>::const_iterator 
       it = plist.begin(); it != plist.end(); ++it) 
    (*it)->draw();
}

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist.push_back( new Point(20, 20) );
  plist.push_back( new Point(50, 50) );
  plist.push_back( new Point(70, 70) );
  
  drawAll(plist);   // PBM 1 corrigé
  
}  // PBM 2

Rappel: par défaut, les arguments sont passés par valeur

donc recopiés (sauf les tableaux)

=> passer la list par référence pour éviter de la recopier inutilement

2) Détruire les objets pointés

void foo() {
  list<Point*> plist;
  
  plist.push_back( new Point(20, 20) );
  plist.push_back( new Point(50, 50) );
  plist.push_back( new Point(70, 70) );
  
  drawAll(plist);
  
}  // PBM 2

Lorsqu'un conteneur est détruit

il détruit ses éléments mais pas les objets pointés !

faire :

for (list<Point*>::iterator 
     it = plist.begin(); it != plist.end(); ++it)
  delete *it;

Enlever des élements de std::list

Enlever à une position donnée

iterator erase ( iterator position );

iterator erase ( iterator first, iterator last );

Enlever un élément donné

void remove ( const T& value );

template < class Predicate >    void remove_if ( Predicate pred )

Détruire des élements tout en consultant la liste

Problème : l'itérateur k est invalide après erase() d'où l'utilité de k2

Remarque : l'objet pointé *k est détruit par delete

  typedef std::list<Point*> PointList;
  
  PointList plist;
  int val = 200;

  for (PointList::iterator k = plist.begin(); k != plist.end(); ) {

    if ((*k)->x != val)
       k++;
    else {
       PointList::iterator k2 = k;
       k2++;
       delete *k;
       plist.erase(k);
       k = k2;
    }
  }

Exemple d'utilisation d'un "algorithme"

  #include <string>
  #include <vector>
  #include <algorithm>
  using namespace std;
  
  class Entry {
    string name;
    friend bool compareEntries(const Entry*, const Entry*);
  public:
    Entry(const string& n) : name(n) {}
    ....
  };

  // NB: inline nécessaire si la définition est dans un header
  inline bool compareEntries(const Entry* e1, const Entry* e2) {  
     return e1->name < e2->name;
  }

  vector<Entry*> entries;
  .....

  std::sort( entries.begin(), entries.end(), compareEntries)
 

Chapitre 7 : Compléments

Doxygen, typage dynamique, RTTI, pointeurs...

Doxygen

Système de documentation automatique

similaire à JavaDoc

/** Classe de base des objets geometriques.
 * Noter que cette classe est abstraite 
 * et ne peut donc pas être instanciee.
 */
class Shape {

  /// retourne la largeur.
  virtual unsigned int getWidth() const = 0;

  virtual unsigned int getWidth() const = 0;
  ///< retourne la hauteur.

  virtual void setPos(int x, int y) = 0;
  /**< change la position.
   * voir aussi setX() et setY().
   */

www.doxygen.org

Transtypage vers les super-classes

class Object {
    ...
};

class Button : public Object {
    ...
};

Object* obj = new Object();
Button* but = new Button();


obj = but;         // correct?
but = obj;         // ???

Transtypage vers les super-classes

class Object {
    ...
};

class Button : public Object {
    ...
};

Object* obj = new Object();
Button* but = new Button();


obj = but;         // OK: transtypage implicite
but = obj;         // ERREUR de compilation (pareil en Java)

Transtypage implicite vers les super-classes ("upcasting")

Transtypage vers les sous-classes

class Object {
    // pas de methode draw()
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};

Object* obj = new Button();


//... ailleurs dans le programme on doit dessiner l'objet

obj->draw();       // correct?

Transtypage vers les sous-classes

class Object {
    // pas de methode draw()
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};


Object* obj = new Button();

//... ailleurs dans le programme on doit dessiner l'objet

obj->draw();       // ERREUR: draw() n'est pas une methode de Object

Que faire ?

Une solution qui a ses limites

class Object {
    virtual void draw() = 0;  // rajouter draw() dans la classe de base
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};


Object* obj = new Button();

//... ailleurs ...

obj->draw();    // COMPILE: draw() est une methode de Object

Problèmes

"Object" peut ne pas être modifiable (exple: classe d'une librairie)

"Object" finit par contenir tout et n'importe quoi !

Une mauvaise solution

class Object {
                               // pas de methode draw()
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};


Object* obj = new Button();

//... ailleurs ...

Button* but = (Button*)obj;    // DANGEREUX !!!
but->draw();       

Pourquoi ?

Une mauvaise solution

class Object {
                               // pas de methode draw()
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};


Object* obj = new Button();

//... ailleurs ...

Button* but = (Button*)obj;    // DANGEREUX !!!
but->draw();       

Et si on se trompe ?

comment être sûr que obj pointe sur un Button ? => ne JAMAIS utiliser le "cast" du langage C

et en Java ? Attraper les exceptions !

Bonne solution: Transtypage dynamique

class Object {
    // pas de methode draw()
};

class Button : public Object {
    virtual void draw();
};


Object* obj = new Button();

//... ailleurs ...

Button* but = dynamic_cast<Button*>(obj);

if (but != NULL) {
    but->draw();                         // obj pointait  sur un Button
else {
    cerr << "Not a Button!" << endl;     // mais pas dans ce cas !
}

Contrôle dynamique du type à l'exécution

=> pas de risque d'erreur

Typage statique et typage dynamique

Typage statique

cas de Java, C++, C#... : les objets sont fortement typés

exceptionnellement : transtypage dynamique (dynamic_cast)

Typage dynamique

le type des objets est généralement déterminé à l'exécution

@interface Object {            //  classe en Objective-C
    // pas de methode draw()
}
@end

@interface Button : Object {
}
+ (void)draw;
@end

Object* obj = [[Button alloc] init];

[obj draw];   // COMPIL OK : on envoie le message draw a obj
              // obj "décide": si obj est un Button draw est executé 

Autres operateurs de transtypage

static_cast

Button* but = static_cast<Button*>(obj);

similaire au cast du C mais detecte quelques absurdites

à éviter (pas de contrôle à l'exécution)

reinterpret_cast

meme chose en pire

const_cast

pour enlever ou rajouter const au type

RTTI

Accès dynamique au type d'un objet

#include <typeinfo>

void printClassName(Shape* p) {
  cout << typeid(*p).name() << endl;
}

Principales méthodes de type_info

name() retourne le nom de la classe (sous forme encodee)

opérateur == pour comparer 2 types

RTTI (2)

Ce qu'il ne faut pas faire

void drawShape(Shape *p) 
{
  if (typeid(*p) == typeid(Rect)
    p->Rect::draw();
    
  else if (typeid(*p) == typeid(Square)
    p->Square::draw();
    
  else if (typeid(*p) == typeid(Circle)
    p->Circle::draw();
}

Utiliser le polymorphisme (liaison dynamique)

class Shape {
    ....
    virtual void draw() const;   // eventuellement abstraite (= 0)
    ....
}

Types incomplets

// header Circle.h

class Circle {            // handle class
  CircleImpl* impl;
public:
  Circle();
  void foo(Rect&);
};

Objectifs

1. cacher l'implementation de "Circle" dans "CircleImpl"

2. la methode "foo()" depend d'une classe definie ailleurs

Problème ?

Types incomplets

// header Circle.h

class Circle {
  CircleImpl* impl;
public:
  Circle();
  void foo(Rect&);
};

Problème :

erreur de compilation: "CircleImpl" et "Rect" sont inconnus !

Solution ?

Types incomplets : mauvaise solution

// header Circle.h

#include "CircleImpl.h"
#include "Rect.h"

class Circle {
  CircleImpl* impl;
public:
  Circle();
  void foo(Rect&);
  ...
};

Inconvenients

1. l'implementation de "CircleImpl" devient visible !

2. "Circle.h" inclut "Rect.h" qui inclut peut-etre "Circle.h", etc...

=> dépendances circulaires entre headers

Types incomplets : bonne solution

// header Circle.h

class Circle {
  class CircleImpl* impl;
public:
  Circle();
  void foo(class Rect&);
  ...
};

Ces déclarations partielles

compilent sans connaître CircleImpl ni Rect

propriété des pointeurs et références de classes

Interêt

cacher l'implémentation (Handle classes)

moins de dépendances entre headers

Pointeurs de fonctions et de méthodes

class Integer {
  bool isSup(const Integer&);
  bool isInf(const Integer&);
  ...
};


Integer a(5), b(10);
bool test1 = a.isSup(b);


bool (Integer::*f)(const Integer&);

f = &Integer::isSup;

bool test2 = (a.f)(b);

Chapitre 9 : Traitement des erreurs

Exceptions

class MathErr {};

class Overflow : public MathErr {};

struct Zerodivide : public MathErr {
   int x;
   Zerodivide(int _x) : x(_x) {}
};

Organisation

classes

généralement regroupées en hiérarchies

héritage multiple également possible

Exceptions

class MathErr {};

class Overflow : public MathErr {};

struct Zerodivide : public MathErr {
   int x;
   Zerodivide(int _x) : x(_x) {}
};


try {
   int z = calcul(4, 0)
}
catch (Zerodivide& e) { cerr << e.x << "divise par 0" << endl; }
catch (MathErr)       { cerr << "erreur de calcul" << endl; }
catch (...)           { cerr << "erreur quelconque" << endl; }


int calcul(int x, int y) {
   if (y == 0) throw Zerodivide(x);    // leve l'exception
   else return x / y;
}

Exceptions (2)

Spécifications d'exceptions

void foo() throw (Overflow, Zerodivide);   // que ces exceptions

void foo() throw ();   // aucune exception

void foo();            // toutes les exceptions

throw indique les exceptions que la fonction peut lever

throw est optionnel en C++

mais pas en Java et le mot clé est throws !

reféfinitions des méthodes : pareil ou moins d'exceptions

Exceptions (3)

Redéclenchement

try {
    ..etc..
}

catch (MathErr& e) {
    if (can_handle(e)) {
       ..etc..
       return;
    }
    else {
       ..etc..
       throw;       // relance l'exception
    }
}

in fine, la fonction std::terminate est appelée

Exceptions (4)

Exceptions standard

bad_alloc, bad_cast, bad_typeid, bad_exception, out_of_range, etc.

Handlers

std::set_terminate() et std::set_unexpected() dans <exception>

NB: attention aux fuites mémoire !

seules les variables dans la pile seront desallouées !

-> prévoir traitement approprié pour les autres

Chapitre 10 : Héritage multiple

Bases de l'héritage multiple

class Rect { 
    int x, y, w, h;
public:
    virtual void setPos(int x, int y);
    ....
};

class Name { 
    std::string name;
public:
    virtual void setName(const std::string&);
    ....
};


class NamedRect : public Rect, public Name {
public:
     ....
};

NamedRect herite des variables et methodes des 2 superclasses

Constructeurs

class Rect { 
    int x, y, w, h;
public:
    Rect(int x, int y, int width, int height);
    ...
};

class Name {
    std::string name; 
public:
    Name(const std::string&);
    ...
};


class NamedRect : public Rect, public Name {
public:
     NamedRect(const std::string& s, int x, int y, int w, int h)
     : Rect(x,y,w,h), Name(s) {}
};

respecter l'ordre d'appel des constructeurs

Ambiguités

class Rect { 
    int x, y, w, h;
public:
    virtual void draw();
};

class Name {
    int x, y;
public:
    virtual void draw();
};


class NamedRect : public Rect, public Name {
public:
    virtual void draw() {
       Rect::draw();
       Name::draw();
    }
} 

redfinition de NamedRect::draw() pas obligatoire mais préférable

même principe pour variables

"using"

class A { 
public:
     int  foo(int);
     char foo(char);	
};

class B { 
public:
     double foo(double);	
};

class AB : public A, public B {
public:
     using A::foo;
     using B::foo;
     char foo(char);	// redefinit A::foo(char)
};
AB ab;
ab.foo(1);    // A::foo(int)
ab.foo('a');  // AB::foo(char)
ab.foo(2.);   // B::foo(double)

étend la résolution de la surcharge aux sous-classes

Duplication de bases

class Shape { 
    int x, y;
};

class Rect : public Shape { 
    // ...
};

class Name : public Shape { 
    // ...
};

class NamedRect : public Rect, public Name {
    // ...
};

la classe Shape est dupliquée dans NameRect

même principe pour accéder aux méthodes et variables

  float m = (Rect::x + Name::x) / 2.; 

Bases virtuelles

class Shape { 
    int x, y;
};

class Rect : public virtual Shape { 
    // ...
};

class Name : public virtual Shape { 
    // ...
};

class NamedRect : public Rect, public Name {
    // ...
};

la classe Shape n'est PAS dupliquée dans NameRect

attention: surcharge en traitement et espace mémoire

utilisation systématique découragée

Classes imbriquées (inner classes)

class NamedRect : public Rect {
    struct Name {         // classe imbriquee
       ...
    }; name

public:
    NamedRect(..etc..);
};

Technique de composition très utile

souvent préférable à l'héritage multiple

car moins de dependances dans le modele des classes

Remarque

pas d'accès aux champs de la classe imbriquante (!= Java)

Plus d'infos

toutes les réponses aux questions possibles et impossibles : C++ FAQ LITE

le site de Boost C++

un site intéressant sur les smart pointers

un site traitant des garbage collectors en C++