Introduzione al C++ e alla programmazione ad oggetti Corso Specialistico CNTC Bologna, 19-23 febbraio 2001 Andrea Dell’Acqua e Claudio Grandi

Introduzione Le due componenti principali dei programmi: Algoritmi: l’insieme delle istruzioni che svolgono un particolare compito Dati: ciò su cui gli algoritmi agiscono per produrre una soluzione unica La relazione fra queste componenti definisce il paradigma di programmazione Programmazione procedurale: problemi modellati dagli algoritmi. Dati immagazzinati in aree comuni o passate agli algoritmi Programmazione ad oggetti: problemi modellati dalle relazioni fra tipi di dati astratti (ADT, Abstract Data Types), chiamati generalmente oggetti 19-23 febbraio 2001

Il rapporto Dato-Algoritmo Programmazione Dati Algoritmi Linguaggio Bits Bits macchina Assemblers Symbolic Op-code Words Livello di astrazione Compilatori Variables & Statements Types Linguaggi Data Subroutines strutturati structures Ada (Modula) Abstract Packages Data Types (Modules) Object Oriented Objects Objects 19-23 febbraio 2001

Cos’è un oggetto? Né più né meno di quello che potreste trovare scritto in un vocabolario… Un oggetto è un’entità che si possa immaginare dotata di determinate caratteristiche e funzionalità. Lo stato di un oggetto è rappresentato da dati che ne descrivono le caratteristiche in un certo istante Le funzionalità di un oggetto sono le operazioni che può svolgere quando glie lo si richiede (cioè quando riceve un messaggio) Nella nostra vita quotidiana siamo molto più abituati a ragionare per oggetti che non in modo strutturato! 19-23 febbraio 2001

Un esempio... 19-23 febbraio 2001

Soldato 19-23 febbraio 2001

… cos’è un oggetto: Un insieme di dati e funzioni: Dato funzione Codice Dato 19-23 febbraio 2001

Incapsulazione Netta divisione fra interfaccia e implementazione Da fuori si vede solo l’interfaccia che definisce i messaggi accettati dall’oggetto I dettagli dell’implementazione (dati e codice delle funzioni) sono invisibili dall’esterno Ogni oggetto ha in se tutto ciò che gli serve per rispondere alle chiamate (o deve sapere a chi chiedere…) Il confinamento di informazioni e funzionalità in oggetti permette livelli maggiori di astrazione e semplifica la gestione di sistemi complessi. 19-23 febbraio 2001

Approccio OO Sono le strutture di dati che svolgono le azioni, non le subroutines Il lavoro è svolto dal server, non dal client “Cos’ è?” “Com’ è fatto?”  Data Oriented “Cosa può fare per me?”  Object Oriented 19-23 febbraio 2001

Perché programmare per oggetti? Programmare per oggetti non velocizza l’esecuzione dei programmi... Programmare per oggetti non ottimizza l’uso della memoria... E allora perchè programmare per oggetti? Programmare per oggetti facilita la progettazione e il mantenimento di sistemi software molto complessi! 19-23 febbraio 2001

Caratteristiche del software non mantenibile Rigidità non può essere cambiato con faciltà non può essere stimato l’impatto di una modifica Fragilità una modifica singola causa una cascata di modifiche successive i bachi sorgono in aree concettualmente separate dalle aree dove sono avvenute le modifiche Non riusabilità esistono molte interdipendenze, quindi non è possibile estrarre parti che potrebbero essere comuni 19-23 febbraio 2001

Programmazione ad oggetti La programmazione ad oggetti, attraverso l’incapsulazione, consente di: ridurre la dipendenza del codice di alto livello dalla rappresentazione dei dati riutilizzare del codice di alto livello sviluppare moduli indipendenti l’uno dall’altro avere codice utente che dipende dalle interfacce ma non dall’implementazione 19-23 febbraio 2001

C++ e Object Orientation Il C++ può essere usato come linguaggio procedurale o per programmazione ad oggetti Object Orientation implementata attraverso il concetto di classe Prima di affrontare il problema della programmazione OO con C++ dobbiamo: capire dove la programmazione procedurale fallisce affrontare la sintassi del C++ 19-23 febbraio 2001

Programmazione procedurale Esempio: cinematica relativistica Idea: perché non usare una function? COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4), + P3(4), P4(4) REAL P1(4), P2(4), P3(4), P4(4) COSTHETA12 = (P1(1)*P2(1) + P1(2)*P2(2) + + P1(3)*P2(3))/... COSTHETA13 = (P1(1)*P3(1) + P1(2)*P3(2) + + P1(3)*P3(3))/... COSTHETA14 = (P1(1)*P4(1) + P1(2)*P4(2) + + P1(3)*P4(3))/... FUNCTION COSTHETA(P1, P2) REAL P1(4), P2(4) COSTHETA = (P1(1)*P2(1) + P1(2)*P2(2) + + P1(3)*P2(3))/... END COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4), + P3(4), P4(4) REAL P1(4), P2(4), P3(4), P4(4) COSTHETA12 = COSTHETA(P1, P2) COSTHETA13 = COSTHETA(P1, P3) COSTHETA14 = COSTHETA(P1, P4) 19-23 febbraio 2001

Evoluzione del codice Se cambia il formato del common block? COMMON /MYDATA/ P(4), E(4), THETA(4), PHI(4) COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4), P3(4), P4(4) Bisogna cambiare la funzione (gli argomenti sono diversi) FUNCTION COSTHETA1(THETA1, THETA2, + PHI1, PHI2) COSTHETA1 = SIN(THETA1)*SIN(THETA2) * + COS(PHI1-PHI2) + COS(THETA1)*COS(THETA2) END ...e il codice! COMMON /MYDATA/ P(4), E(4), + THETA(4), PHI(4) COSTHETA12 = COSTHETA1(THETA(1),THETA(2), + PHI(1), PHI(2)) COSTHETA13 = COSTHETA1(THETA(1),THETA(3), + PHI(1), PHI(3)) COSTHETA14 = COSTHETA1(THETA(1),THETA(4), + PHI(1), PHI(4)) 19-23 febbraio 2001

Il concetto di dipendenza Nell’esempio precedente il codice di analisi (“alto livello”) dipende dai dettagli della struttura dati (“basso livello”). FUNCTION COSTHETA(P1, P2) REAL P1(4), P2(4) COSTHETA = (P1(1)*P2(1) + P1(2)*P2(2) + + P1(3)*P2(3))/... END COSTHETA dipende dalla struttura dei dati P1 e P2 COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4), + P3(4), P4(4) COSTHETA12 = COSTHETA(P1, P2) COSTHETA13 = COSTHETA(P1, P3) COSTHETA14 = COSTHETA(P1, P4) Il codice di analisi dipende dalla struttura del common block MYDATA 19-23 febbraio 2001

OO riduce le dipendenze! Riduce la dipendenza del codice di alto livello dalla rappresentazione dei dati Permette il riutilizzo del codice di alto livello Nasconde i dettagli di implementazione Supporta tipi di dati astratti (vedere seguito  ...) 19-23 febbraio 2001

Sintassi: FORTRAN vs C/C++ Struttura del programma In C/C++ non è necessario un particolare formato il codice PROGRAM TEST C esempio di programma ... END int main() { // esempio di programma ... return 0; // fine } spazi... Il C/C++ è case sensitive Istruzioni separate da “;” INTEGER I INTEGER*4 J REAL X REAL*8 D int i; long j; float x; double d; 19-23 febbraio 2001

Il main program Ogni programma in C++, per essere eseguibile, deve contenere una funzione main() da cui l’esecuzione comincerà main() deve avere un tipo (decidere quale è compito del programmatore). Regola generale è che main() ritorni un intero, a significare il return code dell’applicazione int main() { // il piu` semplice programma in C++ return 0; } 19-23 febbraio 2001

I/O: lettura e scrittura Non esiste nel C++ nativo. Si usa: iostream Gli operatori << e >> sono usati per definire la direzione del flusso cin, cout e cerr rappresentano lo standard input, output e error del programma #include <iostream> int main() { return 0; } #include <iostream> cout << “Hello, world !” << endl; direttiva al preprocessore end of line 19-23 febbraio 2001

Commenti Esistono due tipi di commento in C++ inline: multiline (come in C): I due tipi possono essere usati indifferentemente, ma si raccomanda di usare l’inline (più semplice e meno ambiguo) const int Ntries; // questo e` un commento inline // il resto della linea e’ trattato come un commento const int Ntries; /* questo e` un commento multiline: tutto viene trattato come un commento fino a quando il commento stesso non viene chiuso con uno */ 19-23 febbraio 2001

Tipi predefiniti in C++ Sono definiti una serie di tipi numerici che permettono di rappresentare numeri interi, reali e caratteri char (un solo byte) viene normalmente usato per rappresentare interi inferiori a 256 stringhe e numeri complessi sono implementati come tipi derivati int intero in singola precisione long intero in doppia precisione float reale in singola precisione double reale in doppia precisione long double reale in precisione estesa unsigned int intero senza segno unsigned double reale senza segno in doppia precisione char carattere singolo bool variabili logiche 19-23 febbraio 2001

Tipi predefiniti in C++ (2) ‘\a’ alert ‘\\’ backslash ‘\b’ backspace ‘\r’ carriage return ‘\”’ double quote ‘\f’ form feed ‘\t’ tab ‘\n’ newline ‘\0’ carattere nullo ‘\’’ single quote ‘\v’ vertical tab ‘\101’ 101 ottale, ‘A’ ‘\x041’ esadecimale, ‘A’ Costanti carattere 123 123 0x123 interi costanti, decimale, ottale, esadecimale 123l 123u interi, long, unsigned ‘A’ ‘1’ ‘\t’ caratteri, tab 3.14f 3.1415 3.1415L float, double, long double 300e-2 .03e2 30e-1 double, notazione esponenziale “Nome” stringa costante true false boolean Esempi di costanti “” stringa nulla (‘\0’) “nome” ‘n’ ‘o’ ‘m’ ‘e’ ‘\0’ “una \”stringa\”” stampa: una “stringa” “una stringa \ un \ alla fine della linea su piu` linee” per continuare la stringa Stringhe costanti 19-23 febbraio 2001

Tipi predefiniti in C++ (3) OS 16 bit OS 32 bit OS 64 bit char[1] 8 8 8 int[1] 16 32 32 bool 16 32 32 short[1] 16 16 16 long[1] 32 32 64 float 32 32 32 double 64 64 64 long double 64 128 128 [1] Può essere unsigned 19-23 febbraio 2001

Identificatori Un identificatore è composto da uno o più caratteri Il primo carattere deve essere una lettera o un underscore. Caratteri successivi possono essere lettere, numeri o underscore Non c’ è un limite in lunghezza, anche se alcuni sistemi si limitano a considerare i primi 31 caratteri Gli identificatori che iniziano con un doppio underscore o con un underscore e una lettera maiuscola sono riservati ad usi di sistema C++ e` case sensitive! const int Ntries; double _attempts; double 2A; // errore! 19-23 febbraio 2001

Keywords Alcuni identificatori sono esplicitamente riservati al sistema (hanno un preciso significato in C++) e non possono essere usati keyword asm else operator throw auto enum private true bool explicit protected try break extern public typedef case false register typeid catch float reinterpret_cast typename char for return union class friend short unsigned const goto signed using const_cast if sizeof virtual continue inline static void default int static_cast volatile delete long struct wchar_t do mutable switch while double namespace template dynamic_cast new this 19-23 febbraio 2001

const La keyword const viene utilizzata per dichiarare un oggetto costante In C le costanti vengono normalmente dichiarate usando il preprocessore in questo caso N e` una costante senza tipo ed il preprocessore sostituisce N ovunque lo trovi nel programma, senza rispettare le regole di scope (da evitare) const int N=100; N non puo` essere cambiato double w[N]; N usato come per dimensionare un vettore const int vect[5]= le componenti di vect non {10,20,30,40,50}; possono essere cambiate Esempi di const #define N 100 19-23 febbraio 2001

Dichiarazione Le dichiarazioni associano un significato ad un identificatore in C++ ogni cosa deve essere dichiarata per poter essere usata Una dichiarazione è spesso anche una definizione. Per variabili semplici questo consiste nell’associare un valore alla variabile al momento della dichiarazione const int i; // la variabile i double max(double r1,double r2); // la funzione max const double pi=3.1415926; // definizione double max(double r1, double r2) { // dichiarazione return (r1>r2) ? r1: r2; // definizione di max } 19-23 febbraio 2001

typedef L’istruzione typedef viene utilizzata per creare un alias per tipi esistenti typedef NON può essere usato per implementare nuovi tipi, ma solo per definire un alias typedef int INTEGER; // per i nostalgici del fortran typedef int BOOLEAN; // usato prima che bool venisse // implementato typedef void (*ptr_f)(); // ptr_f e` un puntatore ad una // procedura (subroutine) typedef mela frutto; // compila soltanto se mela // e` gia` stata definita 19-23 febbraio 2001

Enumeratori In C++ sono supportati tipi definiti dall’utente enum Color { red, green, blue }; Color screenColor = blue; Color windorColor = red; int n = blue; // valido Color c = 1; // errore enum Seme { cuori, picche, quadri, fiori }; 19-23 febbraio 2001

Scope Le variabili possono essere dichiarate e definite quasi ovunque in un programma in C++ la visibilità (scope) di una variabile dipende da dove la variabile è stata dichiarata int func() { … const int n=50; // function scope for (int i=0;i<100;i++) // i e` locale double r; // r e` locale ... } cout<<“n “<< n <<endl; // OK cout<<“i “<< i <<endl; // errore! Ma... cout<<“r “<< r <<endl; // errore! 19-23 febbraio 2001

Scope (2) Attenzione! La stessa variabile può essere ri-dichiarata (con visibilità diversa). Questo è da evitare (se possibile) per non rendere il programma oscuro e a rischio di errore! int i; // file (global) scope int func() { int i=50; // function scope, nasconde // la i a file scope for (int i=0;i<100;i++) // block scope. Nasconde // la i a function scope int i; // questo e` un errore... ... } cout<<“i “<< i <<“ “<< ::i <<endl; Scope resolution operator 19-23 febbraio 2001

namespace Funzioni e variabili definite a global scope sono visibili dappertutto in un programma in C++ Per evitare che funzioni diverse (definite in librerie diverse) con lo stesso nome possano interferire (name clash), C++ implementa il concetto di namespace, che introduce un ulteriore, più alto livello di scope namespace mynames { int i; // la mia dichiarazione di i float max(float, float); // la mia dichiarazione di max } float mynames::max(float a, float b) // implementazione della { // funzione max appartenente return (a>b) ? a : b; // al namespace mynames 19-23 febbraio 2001

namespace (2) Per utilizzare variabili e funzioni racchiuse in un namespace si può: o accedere all’intero namespace oppure accedere alla singola variabile o funzione oppure dichiarare la singola funzione using namespace mynames; ... float r = max (2.1f, 5.3f); float r = mynames::max (2.1f, 5.3f); using mynames::max; ... float r = max (2.1f, 5.3f); 19-23 febbraio 2001

Operatori Espressioni Aritmetiche Commento -i +w piu` e meno unari a*b a/b i%2 moltiplicazione, divisione, modulo a+b a-b addizione e sottrazione binarie a=3; assegnazione Espressioni Aritmetiche Commento k = ++j; j=j+1; k=j; k = j++; k=j; j=j+1; k = --j; j=j-1; k=j; k = j--; k=j; j=j-1; Auto-incremento Espressione e decremento < minore di .LT. > maggiore di .GT. <= minore o uguale .LE. >= maggiore o uguale .GE. == uguale .EQ. != diverso .NE. ! Negazione unaria .NOT. && and logico .AND. || or logico .OR. Operatori relazionali Fortran ~i; Complemento bit a bit i&j; AND bit a bit i|j OR bit a bit i^j XOR bit a bit i<<n shift a sinistra di n pos. i>>n shift a destra di n pos. bit-wise significato 19-23 febbraio 2001

Espressioni di assegnazione Le espressioni di assegnazione sono valutate da destra a sinistra Le assegnazioni multiple sono permesse alcuni operatori di assegnazione combinano assegnazione ed altri operatori Assegnazioni possono essere fatte all’interno di espressioni aritmetiche a = j++; j viene incrementato ed il risultato assegnato ad a a = b = c = d = 100; a *= b; // equivale ad a = a*b; a -= b; // equivale ad a = a-b; a = b + ( c = 3 ); // equivale a c=3; a=b+c; 19-23 febbraio 2001

Statements Statement C++ commenti vuoto ; espressione j=j+k; composto { . . . . } usato in funzioni, if.. Costituisce un blocco goto goto label; da non usarsi if if (p==0) cerr<<“error”; un solo branch if-else if (x==y) cout<<“the same”; else cout<<“different”; due branch for for (j=0;j<n;j++) le dichiarazioni sono a[j]=0; permesse while while (i != j) 0 o piu` iterazioni i++; do-while do y=y-1; 1 o piu` iterazioni while (y>0); break break; esce dal blocco continue continue; prossima iterazione Statement C++ commenti 19-23 febbraio 2001

Statements (2) Statement C++ commenti switch switch (s) { case 1: si deve usare break per ++i; evitare di cadere nei case 2: casi successivi e --i; aggiungere un caso di default: default alla fine della ++j; lista }; dichiarazione int i=7; in un blocco, file o namespace try try {. . . .} usato per trattare le eccezioni label error: cerr<<“Error!”; usato con goto return return x*x*x; valore di ritorno di una funzione Statement C++ commenti 19-23 febbraio 2001

Statement composti Uno statement composto in è costituito da una serie di statement contenuti fra parentesi graffe Usato normalmente per raggruppare istruzioni in un blocco (if, for, while, do-while, etc.) Il corpo di una funzione è sempre uno statement composto La dichiarazione di una variabile può avvenire ovunque all’interno di un blocco, in questo caso lo scope della variabile sarà il blocco stesso Ovunque si possa usare uno statement singolo si può definire un blocco 19-23 febbraio 2001

if Attenzione all’uso di = e == Nel dubbio, usare sempre un blocco… Attenzione agli else! if (i=1) // questo e` sempre vero!!! {. . . .} if (i != 0) // possibile divisione per 0 a++; // mancano delle {}? a/=i; if (i == 0) // possibile divisione per 0 if (a<0) { cerr<<“a e` negativo!”; } else b=a/i; 19-23 febbraio 2001

while e do-while La forma generale di un while è : Lo statement verrà eseguito fino a quando la condizione verrà verificata (true). A seconda del volore della condizione, lo statement verrà eseguito zero o più volte la sintassi di un do-while è invece: Lo statement verrà quindi eseguito almeno una volta while (condizione) statement; do statement; while (condizione); 19-23 febbraio 2001

break e continue break e continue sono utilizzati nei loop per saltare alla fine del loop o fuori dal loop stesso break e continue possono solamente essere utilizzati nel corpo di un for, while o do-while. break e` anche usato negli switch int i,n=0; int a[100]; cin>>i; // leggo il valore di i while (1) // loop infinito { if (i<0) break; if (n>=100) continue; a[n]=i; n++; // continue salta qui } // break salta qui 19-23 febbraio 2001

switch Lo switch è uno statement condizionale che generalizza lo if-else lo statement è generalmente composito e consiste di diversi case e, opzionalmente, di un default switch (condizione) (statement); switch (n) { case 0: cout<<“ n e` nullo”<<endl; break; case 1: case 3: case 5: case 7: case 9: cout<<“ n e` dispari”<<endl; break; case 2: case 4: case 6: case 8: case 10: cout<<“ n e` pari”<<endl; break; default: cout<<“ n non e` compreso tra 0 e 10”<<endl; } 19-23 febbraio 2001

switch (2) Non si puo` dichiarare una variabile in uno dei case … ma si puo` creare una variabile locale definendo uno statement composto... switch (k) { case 0: int j=0; // Illegale! Errore! . . . case 1: } switch (k) { case 0: { int j=0; // OK, questo compila . . . } case 1: 19-23 febbraio 2001

L’operatore ? L’operatore ? e` l’unico esempio di operatore ternario in C++ Equivale a: Esempio: expr1 ? expr2 : expr3; if(expr1) expr2; else expr3; double max(double a, double b) { double max = (a>b) ? a : b; return max; } 19-23 febbraio 2001

Sintassi: FORTRAN vs C/C++ Controllo di flusso del programma DO I = 1, 10 . . . ENDDO IF (I.EQ.10 .AND. J.GT.4 .OR. X) THEN . . . ENDIF DO WHILE(X .NE. 5) . . . ENDDO for (i = 1; i <= 10; i++) { . . . } if (i == 10 && j > 4 || x) { . . . } while( x != 5 ) { . . . } 19-23 febbraio 2001

Funzioni matematiche Potenze: pow(b,exp) (non si può usare ** ) In C++ non esistono funzioni predefinite #include <iostream> cin >> r >> theta >> phi ; { double r, theta, phi; cout << x << “, “ << y << “, “ << z << endl; #include <cmath> double x = r * sin( theta ) * sin( phi ); double y = r * sin( theta ) * cos( phi ); double z = r * cos( theta ); int main() { return 0; } cmath.h definisce sin, cos, ... Potenze: pow(b,exp) (non si può usare ** ) 19-23 febbraio 2001

Array Sono supportati gli array di dimensione fissa Inizializzazione: int main() { int x[10]; for ( int i = 0; i < 10, i++ ) x[i] = 0; double m[5][5]; for ( int i = 0; i < 5; i++ ) for ( int j = 0; j < 5; j++ ) m[i][j] = i * j; return 0; } Inizializzazione: int x[] = { 1, 2, 3, 4 }; char[] t = { ‘C’, ‘i’, ‘a’, ‘o’, ‘\0’ }; char[] s = “Ciao”; int m[2][3] = { {11, 12, 13}, {21, 22, 23} }; L’indice va da 0 a n-1. Usare un indice maggiore di n-1 può causare un crash. 19-23 febbraio 2001

Esempio con gli arrays Moltiplicazione fra matrici: int main() { const int DIM=3; float m[DIM][DIM], m1[DIM][DIM], m2[DIM][DIM]; // Assumiamo che m1 ed m2 vengano riempiti qui... // Moltiplicazione: for (int i=0; i<DIM; i++) { for (int j=0; j<DIM; j++) { float sum=0; for (int k=0; k<DIM; k++) sum += m1[i][k] * m2[k][j]; m[i][j] = sum; } return 0; } 19-23 febbraio 2001

Puntatori Riferimento ad una locazione di memoria indirizzo di memoria int *ptr = &j; #include <iostream> cout << *ptr << endl; cout << ptr << endl; j = 24; cout << *ptr << endl; int main() { int j = 12; return 0; } ptr j 12 24 12 24 0x7b03a928 indirizzo di memoria 19-23 febbraio 2001

Puntatori Puntatore nullo j 12 ptr #include <iostream> int main() { int j = 12; int *ptr = 0; cout << *ptr << endl; // crash ! return 0; } j 12 ptr Segmentation violation (core dumped) 19-23 febbraio 2001

Puntatori e array In C gli array sono trattati come puntatori X[0] 1.5 2.5 0.0 3.5 x X+1 X+3 int main() { float x[5]; int j; for (j = 0; j < 5; j++) x[j] = 0; float *ptr = x; *ptr = 1.5; // x[0] = 1.5 *(ptr+1) = 2.5; // x[1] = 2.5 *(ptr+3) = 3.5; // x[3] = 3.5 } 19-23 febbraio 2001

Puntatori: allocazione dinamica Riferimento ad una locazione di memoria #include <iostream> int main() { int *ptr = new int; *ptr = 12; cout << *ptr << endl; delete ptr; return 0; } 12 ptr Attenzione: Non usare delete fa accumulare locazioni di memoria inutilizzate (memory leak) Utilizzare puntatori prima del new o dopo il delete causa il crash del programma 19-23 febbraio 2001

Puntatori: allocazione dinamica Riferimento a più locazioni di memoria #include <iostream> int main() { int *ptr = new int[3]; ptr[0] = 10; ptr[1] = 11; ptr[2] = 12 delete [] ptr; return 0; } 10 ptr 11 12 19-23 febbraio 2001

new e delete Gli operatori new and delete vengono utilizzati per allocazione/deallocazione di memoria dinamica la memoria dinamica (heap), è un’area di memoria libera provvista dal sistema per quegli oggetti la cui durata di vita è sotto il controllo del programmatore new riserva la quantità necessaria di memoria richiesta e ritorna l’indirizzo di quest’area int *i=new int; alloca un intero, returna il puntatore char *c=new char[100]; alloca un array (stringa) di 100 caratteri int *i=new int(99); alloca un intero e lo inizializza a 99 char *c=new char(‘c’); alloca un carattere inizializzato a c int *j=new int[n][4]; alloca un array di puntatori ad intero operatore new commenti 19-23 febbraio 2001

new e delete (2) L’operatore delete è usato per restituire una certa area di memoria (allocata con new) allo heap Ogni oggetto allocato con new deve essere distrutto con delete se non viene piu` utilizzato, altrimenti l’area di memoria che esso occupata non potra` piu` essere ri-allocata (memory leak) L’argomento di delete è tipicamente un puntatore inizializzato preventivamente con new delete ptr; distrugge un puntatore ad un oggetto delete p[i]; distrugge l’oggetto p[i] delete [] p; distrugge ogni oggetto di tipo p operatore delete commenti 19-23 febbraio 2001

new e delete (3) Attenzione la dimensione dello heap non e` infinita l’allocazione con new può fallire, nel qual caso new restituisce un puntatore nullo o suscita un’eccezione. Nel caso di allocazione di memoria importante bisogna verificare che l’operazione abbia avuto successo prima di usare il puntatore ogni oggetto creato con new deve essere distrutto con delete, ogni oggetto creato con new [] deve essere distrutto con delete [] , queste forme NON sono intercambiabili 19-23 febbraio 2001

Regole di conversione e cast In C++ esistono conversioni esplicite ed implicite. Le conversioni implicite (e.g. intfloat) nelle espressioni aritmetiche, nel passare i parametri ad una funzione o nel ritornare un valore da una funzione rendono il meccanismo di conversione molto conveniente ma anche potenzialmente pericoloso (errori a run time) char, short e bool vengono promossi ad int Tipi interi che non possono essere rappresentati con un int vengono promossi a unsigned In una espressione di tipo misto, gli operandi di ordine inferiore vengono promossi all’ordine superiore secondo la gerarchia: int<unsigned<long<unsigned long<float<double<long double bool e` un tipo intero, con true che viene promosso a 1 e false a 0 Conversioni implicite 19-23 febbraio 2001

Regole di conversione e cast (2) Ogni genere di puntatore può essere convertito in un puntatore generico a void Al contrario di quanto avviene in C, un puntatore generico non è compatibile con un puntatore di tipo arbitrario ma richiede un cast esplicito Ogni puntatore puo` essere inizializzato a 0 senza bisogno di un cast esplicito. In C++ usare 0 e non NULL per i puntatori! char *ch; void *generic_p; . . . generic_p=ch; // OK, char* va in void* ch=generic_p; // OK in C, illegale in C++ ch=(char *)generic_p; // OK, C e C++ arcaico 19-23 febbraio 2001

Casting in ANSI C++ Data la complessità delle operazioni di casting in C++ nuovi operatori di casting sono stati aggiunti a quelli già esistenti in C Esiste anche un dynamic_cast, utilizzato per riconoscere il tipo di un oggetto a run-time (RTTI) x=(float) i; cast in C++ - notazione C x=float(i); cast in C++, notazione funzionale x=static_cast<float>(i); ANSI C++ - raccomandato i=reinterpret_cast<int>(&x) ANSI C++, non portabile e system dependent func(const_cast<int>(c_var)) dove C_var e` una variabile dichiarata const. Usato per eliminare la “const-ness” per chiamare func Cast commenti 19-23 febbraio 2001

Funzioni In C++ le funzioni sono caratterizzate da un nome, dal tipo della variabile ritornata e da una lista di parametri (opzionali) La lista dei parametri (anche se vuota) deve essere esplicitata Il valore ritornato deve essere compatibile, a meno di conversione esplicita, con il tipo della funzione double max( double a, double b) { return (a>b) ? a : b; } Tipo ritornato Parametri Corpo della funzione Valore di ritorno 19-23 febbraio 2001

Funzioni (2) Tipo di dichiarazione C++ commenti funzione double cube(double x) parametri passati { return x*x*x; } “by value” procedura void pr_square(int i) subroutine, non si { cout<<i*I<<endl; } usa return senza argomenti void hello () puo` anche essere { cout<<“Hello”<<endl; } void hello(void) argomenti passati void swap(int& i,int& j) i e j hanno i loro per riferimento { int t=i; i=j; j=t; } valori scambiati variabile int scanf(const char, …) chiamata con un qualsiasi numero di argomenti inline inline double cube(int x) codice inline argomenti di int power(int i, int n=2) il 2do argomento default puo` essere tralasciato Tipo di dichiarazione C++ commenti 19-23 febbraio 2001

Prototipi delle funzioni Prima di essere usata, una funzione deve essere dichiarata (nel file che la usa) I prototipi rendono le funzioni in C++ “type safe”, nel senso che i valori reali degli argomenti vengono all’occorrenza convertiti nei tipi formali specificati dal prototipo #include <iostream> double max(double, double); int main() { double m = max(1, 3); cout<<“Il massimo e` “<<m<<endl; return 0; } main.cc double max (double a, double b) { return (a>b) ? a : b; } max.cc Prototipo di max (normalmente in max.h) 19-23 febbraio 2001

Call-by-Reference L’uso dei riferimenti permette ad una funzione di modificare il valore dei suoi argomenti Per ragioni di efficenza, oggetti di grandi dimensioni (in termini di memoria) vengono normalmente passati “by reference”. Per evitare che possano essere modificati dalla funzione, il riferimento viene definito const bool greater(int& i, int& j) { // se i>j scambia i e j if (i>j) { int temp=i; i=j; j=temp; return true; } else return false; Argomenti passati “by reference” possono essere modificati dalla funzione stessa 19-23 febbraio 2001

Funzioni inline La keyword inline suggerisce al compilatore che ogni chiamata alla funzione deve essere convertita in codice eseguibile (la definizione della funzione viene sostituita alla chiamata dovunque nell codice) Le funzioni inline vengono usate per ragioni di efficienza e (per non sovraccaricare il compilatore) devono essere semplici Il compilatore può decidere autonomamente (per esempio se la funzione è troppo lunga) di ignorare la direttiva inline 19-23 febbraio 2001

Argomenti di default Ad ogni parametro di una funzione può essere assegnato un valore di default. Questo permette di chiamare la funzione tralasciando quei parametri il cui valore di default risulta appropriato Solo ai parametri più a destra nella calling sequence può essere dato un default. int pow(int , int); int main() { int r=3; int a1=pow(3,3); // a1=27 int a2=pow(3); // a2=9 return 0; } main.cc int pow (int a, int k=2) { if (k==2) return a*a; else return a*pow(a, k-1); } pow.cc Argomento di default 19-23 febbraio 2001

Overloading Funzioni diverse possono avere lo stesso nome La funzione che viene chiamata è scelta dal compilatore in base al tipo di ritorno ed al numero e tipo degli argomenti double average_array(const int a[], int size) { int sum=0; for (int i=0;i<size;i++) sum+=a[i]; return double(sum)/size; } double average_array(const double a[], int size) double sum=0; return sum/size; average_array.cc 19-23 febbraio 2001

Overloading (2) La lista dei tipi degli argomenti di una funzione è chiamata signature Il tipo ritornato dalla funzione non fa parte della signature, mentre il numero e l’ordine degli argomenti è cruciale void print(int i=0) {. . .} // (1) void print(int i, double x) {. . .} // (2) void print(double y, int i) {. . .} // (3) . . . print(‘A’); // ‘A’ e` convertito a int, chiama (1) print(str[]); // errore! Non e` possibile una conversione print(15,9); // errore! Ambiguita` fra (2) e (3) print(15,9.); // OK, chiama (2) print(); // OK, chiama (1) con il default 19-23 febbraio 2001

L’algoritmo di selezione Ricerca della corrispondenza esatta Promozioni standard degli argomenti int  long I tentativi del compilatore Conversioni standard dei tipi int  float Conversioni definite dall’utente traccia  int Corrispondenza con l’ellipsi (…) L’utente può sempre utilizzare una conversione forzata (type cast) per ottenere una corrispondenza Il compilatore segnala tutti i casi in cui esiste ambiguità 19-23 febbraio 2001

Funzioni esterne Si possono chiamare funzioni FORTRAN da C++: SUBROUTINE HBOOK1(ID, TITLE, NBIN, MIN, MAX, OPT) SUBROUTINE HFILL(ID,X, Y, WEIGHT) extern “C” void hbook1_(int&, char*, int&, float&, float&, float&, int); extern “C” void hfill_(int&, float&, float&, float&); ... hbook1_(100, title, ……) // BUS ERROR!!! (il FORTRAN passa // sempre “by-reference” int id=100; hbook1_(id, title, ……) // OK! 19-23 febbraio 2001

Parametri del programma Dotando main() di una lista di argomenti, è possibile avere accesso ai parametri passati dalla command line: argc è il numero di parametri passati dalla command line (sempre almeno 1, il nome del programma) mentre il vettore di stringhe argv contiene ogni singolo parametro #include <iostream.h> int main(int argc, char *argv[]) { cout<<“ argc e`: “<<argc<<endl; cout<<“ il nome dell’eseguibile e` “<<*argv<<endl; for (int i=1; i<argc; i++) cout<<“Argomento #”<<i<<“ = “<<*(argv+i)<<endl; return 0; } 19-23 febbraio 2001

Parametri del programma (2) Lanciato con il comando prompt> mytest questo e un test il programma produrra` il seguente output: argc e` : 5 il nome dell’eseguibile e`/user/andrea/myprogram Argomento #1 = questo Argomento #2 = e Argomento #3 = un Argomento #4 = test 19-23 febbraio 2001

Organizzazione dei files Normalmente, le dichiarazioni delle interfacce e le specifiche sono separate dall’implementazione header files (.h o .hh) inclusi nei file sorgente utilizzando direttive del precompilatore non contengono codice eseguibile (con l’eccezione delle definizioni delle funzioni inline) non devono essere inclusi piu` di una volta, per evitare problemi con il linker #include <iostream.h> #ifndef MyHeader_H #define MyHeader_H // dichiarazioni ….. #endif 19-23 febbraio 2001

Organizzazione dei files (2) Files sorgente (.C,.cxx,.cpp,.cc) contengono l’implementazione di funzioni e metodi codice eseguibile includono gli header files utilizzando le direttive del preprocessore vengono compilati Funzioni inline (.icc) La definizione di una funzione inline deve essere visibile là dove viene usata. Normalmente implementate negli header files o in files separati (con estensione .icc) che devono essere inclusi nel files sorgente che ne facciano uso 19-23 febbraio 2001

C++ e Object Orientation Definizione di nuovi tipi (oltre a int, float, double) come: numeri complessi, vettori, matrici, . . . ma anche: traiettorie, superfici, elementi di apparati sperimentali,... Gli oggetti permettono di modellare una problema che rappresenti la realtà 19-23 febbraio 2001

…C++ e Object Orientation Object Orientation implementata in C++ attraverso il concetto di classe: I dati privati (o attributi) di una classe definiscono lo stato dell’oggetto Le funzioni (o metodi) di una classe implementano la risposta ai messaggi 19-23 febbraio 2001

Una classe C++ Messaggio Metodo Attributo 19-23 febbraio 2001

Classe Vector2D Un esempio: un vettore bidimensionale costruttore class Vector2D { public: Vector2D(double x, double y); double x(); double y(); double r(); double phi(); private: double x_; double y_ }; Vector2D.h costruttore funzioni o metodi #include “Vector2D.h” Vector2D::Vector2D(double x, double y): x_(x), y_(y) { } double Vector2D::x() { return x_; } double Vector2D::r() { return sqrt( x_*x_ + y_*y_); ... Vector2D.cc dati o attributi Punto e virgola! 19-23 febbraio 2001

Interfaccia e implementazione Gli attributi privati non sono accessibili al di fuori della classe I metodi pubblici sono gli unici visibili #include “Vector.h” Vector2D::Vector2D(double x, double y) : x_(x), y_(y) {} double Vector2D::x() { return x_; } double Vector2D::r() return sqrt(x_*x_ + y_*y_); Vector2D.cc class Vector2D { public: Vector2D(double x, double y); double x(); double y(); double r(); double phi(); private: double x_; double y_; }; Vector2D.h 19-23 febbraio 2001

Costruttori e distruttori Un costruttore è un metodo il cui nome è quello della classe a cui appartiene Lo scopo di un costruttore è quello di costruire oggetti del tipo della classe. Questo implica l’inizializzazione degli attributi e, frequentemente, allocazione di memoria dallo heap Un costruttore la cui lista di argomenti è vuota o composta di argomenti di default viene normalmente chiamato costruttore di default Vector2D::Vector2D() {. . . .} // costruttore di default #include “Vector2D.h” . . . Vector2D v; // oggetto costruito con il // costruttore di default 19-23 febbraio 2001

Costruttori e distruttori (2) Un costruttore del tipo che ha come argomento un riferimento ad un oggetto della stessa classe viene chiamato copy constructor Il copy constructor viene normalmente utilizzato: quando un oggetto è inizializzato per assegnazione quando un oggetto è passato come argomento ad una funzione quando un oggetto è ritornato da una funzione Se non viene fornito esplicitamente dall’utente, il compilatore ne genererà uno automaticamente Vector2D::Vector2D(const Vector2D& v) {. . . .} Vector2D v(v1); // dove v1 e` di tipo Vector2D 19-23 febbraio 2001

Costruttori e distruttori (3) Gli attributi di una classe possono essere inizializzati nel costruttore per mezzo di una lista di inizializzatori, che precede il corpo della funzione Quando uno degli attributi è esso stesso una classe, il costruttore appropriato viene scelto sulla base dei parametri forniti nell’inizializzazione E` obbligatorio inizializzare gli attributi (non statici) che siano o riferimenti o const Vector2D::Vector2D(double x, double y) : x_(x), y_(y) { . . . } 19-23 febbraio 2001

Costruttori e distruttori (4) Il distruttore è un metodo il cui nome è quello della classe a cui appartiene preceduto da una tilde (~) Il distruttore viene chiamato automaticamente quando un oggetto sta per essere distrutto (sia perchè delete è stato invocato sia perchè l’oggetto è finito fuori scope Il compito del distruttore è di assicurarsi che l’oggetto per cui è invocato verrà distrutto senza conseguenze. In particolare, se memoria è stata allocata nel costruttore, il distruttore dovrà assicurarsi di restituirla allo heap Vector2D::~Vector2D() {} // vuoto, in questo caso 19-23 febbraio 2001

Costruttori e distruttori (5) I costruttori con un solo parametro sono automaticamente trattati come operatori di conversione Per evitare la conversione si puo` usare explicit Vector2D::Vector2D(int i) {. . .} // costruisce un vettore a partire da un intero, ma puo` // essere usato per convertire un intero in vettore v=Vector2D(i); explicit Vector2D(int); // solo costruttore 19-23 febbraio 2001

Classe Vector2D Come usare Vector2D: invoca il constructor main.cc #include <iostream.h> #include “Vector2D.h” int main() { Vector2D v(1, 1); cout << “ v = (“ << v.x() << “,” << v.y() << “)” << endl; cout << “ r = “ << v.r(); cout << “ phi = “ << v.phi() << endl; return 0; } main.cc invoca il constructor v = (1, 1) r = 1.4141 phi = 0.7854 Output: 19-23 febbraio 2001

Classe Vector2D … oppure attraverso un puntatore... #include <iostream.h> #include “Vector2D.h” int main() { Vector2D *v = new Vector2D(1, 1); cout << “ v = (“ << v->x() << “,” << v->y() << “)” << endl; cout << “ r = “ << v->r(); cout << “ phi = “ << v->phi() << endl; delete v; return 0; } main.cc Allocazione sullo heap v = (1, 1) r = 1.4141 phi = 0.7854 Output: Attenzione! 19-23 febbraio 2001

Interfaccia e implementazione La struttura interna dei dati (x_, y_) che rappresentano l’oggetto della classe Vector2D sono nascosti (private) agli utilizzatori della classe. Gli utilizzatori non dipendono dalla struttura interna dei dati (come lo erano gli utilizzatori dei common blocks Fortran) Se la struttura interna cambia (es.: r_, phi_), il codice che usa Vector2D non deve essere modificato. 19-23 febbraio 2001

Classe Vector2D Protezione dell’accesso ai dati: I metodi di una classe hanno libero accesso ai dati privati e protetti di quella classe #include <iostream> #include “Vector2D.h” int main() { Vector2D v(1, 1); cout << “ V = (“ << v.x_ << “,” // << v.y_ << “,” << endl; // non compila ! cout << “ r = “ << v.r(); cout << “ phi = “ << v.phi() << endl; } main.cc 19-23 febbraio 2001

Selettori e modificatori Selettore: metodo che non modifica lo stato (attributi) della classe. E’ dichiarato const Modificatore: metodo che può modificare lo stato della classe #include “Vector2D.h” void Vector2D::scale(double s) { x_ *= s; y_ *= s; } Vector2D.cc class Vector2D { public: Vector2D(double x, double y); double x() const; double y() const; double r() const; double phi() const; void scale(double s); private: double x_, y_; }; Vector2D.h #include “Vector2D.h” int main() { const Vector2D v(1, 0); double r = v.r() // OK v.scale( 1.1 ); // errore! } main.cc Selettori (const) modificatore 19-23 febbraio 2001

friend La keyword friend puo` essere usata perche` una funzione (o una classe) abbia libero accesso ai dati privati di un’altra classe class A { . . . friend int aFunc(); friend void C::f(int); }; class B { … friend class C; class C { 19-23 febbraio 2001

friend (2) friend (nonostante il nome) e` nemico dell’incapsulamento e quindi dell’Object Orientation Un uso eccessivo di friend è quasi sempre sintomo di un cattivo disegno Esistono anche situazioni in cui un friend può essere accettabile Overloading di operatori binari Considerazioni di efficienza Relazione speciale fra due classi “A programmer must confer with an architect before making friend declarations” 19-23 febbraio 2001

static Attributi dichiarati static in una classe sono condivisi da tutti gli oggetti di quella classe Metodi dichiarati static non possono accedere ad attributo non statici della classe Attiributi statici possono essere usati e modificati soltanto da metodi statici Nonostante l’utilizzo di static sembri imporre condizioni troppo restrittive, esso risulta utile nell’implementazione di: contatori singleton (vedi oltre) 19-23 febbraio 2001

Un contatore Un membro statico deve essere Class MyClass { private: static int counter; static void increment_counter() { counter++; } static void decrement_counter() { counter--; } public: MyClass() { increment_counter(); } ~MyClass() { decrement_counter(); } static int HowMany() { return counter; } }; Un membro statico deve essere inizializzato una e una sola volta nel codice eseguibile #include <iostream.h> #include “MyClass.h” int MyClass::counter=0; int main() { MyClass a,b,c; MyClass *p=new MyClass; cout<<“ How many? “<< MyClass::HowMany() <<endl; delete p; cout<<“ and now? “<< a.HowMany() <<endl; return 0; } Un metodo statico puo` essere invocato cosi`... … o cosi`... 19-23 febbraio 2001

Un singleton Un singleton è una classe di cui, ad ogni momento nel corso del programma, non può esistere più di una copia (istanza) class aSingleton { private: static aSingleton *ptr; aSingleton () {} public: static aSingleton *GetPointer(){ if (ptr==0) ptr=new aSingleton; return ptr; } }; Pattern utile per l’implementazione di classi “manager” di cui deve esistere una sola istanza #include “aSingleton.h” aSingleton *aSingleton::ptr=0; int main() { aSingleton *mySing= aSingleton::GetPointer(); . . . Return 0; } Attenzione a non farlo diventare l’equivalente di un common block! 19-23 febbraio 2001

Operatori E’ possibile ridefinire +, -, *, [], ++, ==, . . . class Vector2D { public: Vector2D(double x, double y); double x() const; double y() const; double r() const; double phi() const; private: double x_; double y_; }; Vector2D operator+(const Vector2D& v1, const Vector2D& v2); Vector2D operator-(const Vector2D& v1, Vector2D.h Vector2D operator+(const Vector2D& v1, const Vector2D& v2) { return Vector2D(v1.x() + v2.x(), v1.y() + v2.y()); } Vector2D operator-(const Vector2D& v1, return Vector2D(v1.x() - v2.x(), v1.y() - v2.y()); Vector2D.cc 19-23 febbraio 2001

Operatori (2) Esempio: main.cc Sintassi alternativa (!#@!?) : Output: #include <iostream> #include “Vector2D.h” int main() { Vector2D v1(1, 0), v2(0, 1); Vector2D v; v = v1 + v2; cout << “ v = “ << v << endl; cout << “ r = “ << v.r(); cout << “ phi = “ << v.phi() << endl; } main.cc v.operator=( operator+(v1, v2) ); Sintassi alternativa (!#@!?) : v = (1, 1) r = 1.4141 theta = 0.7854 Output: ridefinizione di << 19-23 febbraio 2001

Operatori (3) Esempio: p greco main.cc #include <iostream> #include <cmath> #include “Vector3D.h” #include “Matrix.h” // matrice 3x3 int main() { Vector3D v1(1, 1, 0); double phi = M_PI/3; double c = cos(phi), s = sin(phi); Matrix m(1, 0, 0, 0, c, s, 0, -s, c); Vector3D u = m * v; } main.cc p greco 19-23 febbraio 2001

this In una classe è automaticamente definito un attributo particolare: this this è un puntatore all’oggetto di cui fa parte E’ particolarmente utile quando si definisce un operatore di assegnazione (=): class Vector2D { public: Vector2D& operator=(const Vector2D& ); // ... private: double x_, y_; }; Vector2D.h Vector2D& operator=(const Vector2D& v){ x_=v.x(); y_=v.y(); return *this; } Vector2D.cc L’operatore = ritorna una referenza a se stesso. Permette assegnazioni multiple #include “Vector2D.h” int main() { Vector2D null(0, 0); Vector2D a, b; a=b=null; } main.cc 19-23 febbraio 2001

Overloading di operatori possono esistere funzioni con lo stesso nome ma con argomenti diversi Non bisogna pero` esagerare! Ogni operatore deve avere un significato ben preciso, per ragioni di chiarezza. Vector2D operator*(const Vector2D&, double s) { return Vector2D( v.x() * s, v.y() * s); } double operator*(const Vector2D& v1, const Vector2D& v2) { return ( v1.x() * v2.x() + v1.y() * v2.y() ); Vector2D.cc class Vector2D { public: // ... private: double x_, y_; }; Vector2D operator*(const Vector2D &, double); double operator*(const Vector2D&, const Vector2D&); Vector2D.h 19-23 febbraio 2001

Overloading di operatori (2) Permette di utilizzare tipi definiti dall’utente come se fossero tipi fondamentali La cardinalita`, l’associativita` e la precedenza di un operatore non possono essere modificati Operatori unari sono implementati come metodi senza argomenti (l’oggetto è l’argomento implicito) Operatori binari possono essere implementati come metodi con un argomento (il primo argomento, implicito, è l’oggetto il cui operatore agisce) o come funzioni friend a due argomenti. 19-23 febbraio 2001

Programmazione generica Il C++ fornisce un metodo per creare un polimorfismo parametrico. E’ possibile utilizzare lo stesso codice per tipi differenti: il tipo della variabile diventa un parametro template<class T> T max( T p1, T p2 ) { if ( p1 < p2 ) return p2; else return p1; } Per il tipo T deve essere definito l’operatore < int main() { Vector v1,v2; cout << max<int>(10,20) << endl; cout << max<float>(2.6,1.0) << endl; cout << max<Vector>(v1,v2) << endl;} Main.cc 19-23 febbraio 2001

Sintassi template < class identifier > function definition class definition typename Ogni volta che nella definizione della funzione o della classe appare identifier questo viene sostituito dal compilatore con il tipo fornito nella chiamata. La dichiarazione e l’implementazione del template devono essere nello stesso file ove il template viene utilizzato 19-23 febbraio 2001

Parametri templati Parametri interi possono essere inclusi nella dichiarazione del template I parametri di default possono essere tralasciati template <typename T=int , int n=10> class array_n { ... private: T items[n]; // n istanziato esplicitamente }; array_n<complex, 1000> w; // w array di complessi 19-23 febbraio 2001

Templates di templates L’argomento di un template puo` essere esso stesso un template questo permette la creazione e l’utilizzo di meta-templates (templates istanziati con templates) molto sofisticati la Standard Template Library fa uso di questa possibilita` template <class T1, template <class T2> class T3 > 19-23 febbraio 2001

Funzioni template e parametri Una buona parte dei compilatori accetta una sintassi ristretta per quel che riguarda le funzioni template. ANSI/C++ prevede invece che anche parametri numerici possano essere inclusi nella definizione del template template <class T> void swap(T& x, T& y){ T temp; temp=x; x=y; y=temp; } OK per ogni compilatore template <class T, int n=10> T aFunc(){ T temp[n]; . . . } ANSI/C++, ma la maggior parte dei compilatori lo rifiuta 19-23 febbraio 2001

Membri statici Per le classi template, gli attributi statici non sono universali ma specifici di ogni istanza Le variabili statiche MyClass<int>::counter e MyClass<double>::counter sono diverse template <class T> class MyClass { public: static int counter; ... }; MyClass<int> a,b; MyClass<double> c; 19-23 febbraio 2001

Un esempio: lo stack di interi val Contenuto next val Contenuto next val Contenuto next ... Stack top class Contenuto { ... private: Contenuto* next; int val; }; class Stack { Contenuto* top; Stack top Lo stack vuoto 19-23 febbraio 2001

Un esempio: lo stack di interi class Contenuto { public: Contenuto ( int i, Contenuto* ptn ) { val=i; next=ptn; } int getVal (){ return val; } Contenuto* getNext() {return next;} private: Contenuto* next; int val; }; class Stack { public: Stack() {top = 0;} ~Stack() {} void push ( int i ) { Contenuto* tmp = new Contenuto(i,top ); top = tmp; } int pop () { int ret = top->getVal(); Contenuto* tmp = top; top = top->getNext(); delete tmp; return ret; } private: Contenuto* top; }; int main() { Stack s; s.push ( 10 ); s.push ( 20 ); cout << s.pop() << “ - “ << s.pop; return 0; }; User code >> 10 - 20 Output 19-23 febbraio 2001

Lo stack “templato” User code template <class T> class Contenuto { public: Contenuto ( T i, Contenuto* ptn ) { val = i; next = ptn; } T getVal (){ return val; } Contenuto* getNext() {return next;} private: Contenuto* next; T val; }; template <class T> class Stack { public: Stack() {top = NULL;} ~Stack() {;} void push ( T i ) { Contenuto<T>* tmp = new Contenuto<T> (i,top ); top = tmp; } T pop () { T ret = top->getVal(); Contenuto<T>* tmp = top; top = top->getNext(); delete tmp; return ret; } private: Contenuto<T>* top; }; int main() { Stack<int> s; s.push ( 10 ); s.push ( 20 ); Stack<double> s1; Stack<Shape *> s2; cout << s.pop() << “ “ << s.pop; return 0;}; User code 19-23 febbraio 2001

La Standard Template Library La libreria standard STL e’ una libreria di classi di contenitori, algoritmi ed iteratori. STL e’ una libreria generica: tutti i suoi componenti sono parametrizzati mediante l’utilizzo dei template Iteratori puntatori intelligenti Contenitori vettori, liste, mappe, …. Algoritmi find, replace, reverse, sort, …. 19-23 febbraio 2001

Iteratori (puntatori intelligenti) Gli iteratori sono dei puntatori agli elementi di un contenitore e ci permettono di muoverci all’interno di esso: Iteratori monodirezionali: Permettono di accedere all’elemento successivo o al precedente Iteratori bidirezionali : Permettono di accedere sia all’elemento successivo che al precedente Iteratori ad accesso casuale : Permettono di accedere ad un qualunque elemento del contenitore 19-23 febbraio 2001

Contenitori Un contenitore è un oggetto capace di immagazzinare altri oggetti e che possiede metodi per accedere ai suoi elementi. Ogni contenitore ha un iteratore associato che permette di muoversi tra gli elementi contenuti Una sequenza è un contenitore di lunghezza variabile i cui elementi sono organizzati linearmente. E’ possibile aggiungere e rimuovere elementi Un contenitore associativo è una sequenza che permette un efficiente accesso ai suoi elementi basato su una chiave. 19-23 febbraio 2001

Sequenze vector Tempo costante di inserimento e cancellazione di elementi all’inizio e alla fine del vettore. Tempo lineare con il numero di elementi per inserimento e cancellazione di elementi all’interno del vettore Iteratore ad accesso casuale list Tempo costante di inserimento e cancellazione di elementi in ogni punto della lista Iteratore bidirezionale 19-23 febbraio 2001

... 1 2 9 vector p p p p p p Le locazioni di memoria sono contigue begin() end() push_back() 1 2 ... 9 p p p p p p ++ Le locazioni di memoria sono contigue Accesso casuale, veloce l’accesso agli elementi, lenti inserimento ed estrazione 19-23 febbraio 2001

... list Simile allo stack, ma consente di muoversi in due direzioni val nodo next prev val nodo next prev val nodo next prev ... list top bottom Simile allo stack, ma consente di muoversi in due direzioni Le locazioni di memoria non sono contigue Lenta la ricerca, veloci inserimento ed estrazione 19-23 febbraio 2001

Contenitori associativi Sono contenitore di coppie ( key, value ) e possiedono un iteratore bidirezionale map Viene richiesto l’operatore < per la chiave Gli elementi sono ordinati secondo la chiave 19-23 febbraio 2001

Algoritmi Gli algoritmi sono delle funzioni globali capaci di agire su contenitori differenti Sono incluse operazioni di ordinamento (sort, merge, min, max...), di ricerca (find, count, equal...), di trasformazione (transform, replace, fill, rotate, shuffle...), e generiche operazioni numeriche (accumulate, adjacent difference...). sort find fill min, max copy count 19-23 febbraio 2001

Esempio uso sequenze vector #include < > #include <algorithm> #include <iostream> int main() { <int> container; int val; for (int i=0; i<10; i++) { val = (int)((float)rand()/RAND_MAX*10); container.push_back(val); } <int>::iterator it1; for ( it1=container.begin(); it1!=container.end(); it1++) cout << "vector : " << *it1 << endl; return 0; } list 19-23 febbraio 2001

Esempio uso contenitori associativi #include <map> #include <algorithm> #include <iostream> #include <string> int main() { map<string,int> amap; amap["Primo”]=1; amap[“Secondo”]=2; cout << "Size : " << amap.size() << endl; amap["Terzo"]=3; amap["Quarto"]=4; map<string,int>::iterator it; for ( it=amap.begin(); it!=amap.end(); it++) cout << "map : " << it->first << " " << it->second << endl; cout << amap.find("Terzo")->second << endl; return 0; } 19-23 febbraio 2001

Assegnazione di un metodo ad un messaggio I metodi pubblici di una classe costituiscono l’interfaccia della classe (cioè i messaggi che l’oggetto può interpretare) La funzione è assegnata al messaggio in fase di codifica (early binding) Può essere necessario assegnare la funzione al messaggio a run-time (late binding)  Polimorfismo 19-23 febbraio 2001

Controllo dei tipi Controllare i tipi significa verificare che ad un oggetto vengano inviati solo messaggi che è in grado di comprendere: controllo del nome del metodo controllo della lista degli argomenti In C++ il controllo è fatto dal compilatore (strong typing) In altri linguaggi (ad esempio SmallTalk) è fatto a run-time (weak typing) 19-23 febbraio 2001

Typing & Binding Typing Definizione dei messaggi e degli argomenti Strong Consistenza dei tipi verificata dal compilatore Weak Consistenza dei tipi verificata a run-time Binding Assegnazione di un metodo ad un messaggio Early In fase di programmazione INFLESSIBILE Late A run-time POLIMORFISMO 19-23 febbraio 2001

Esempio: i soldati Tutti i soldati devono capire il messaggio attacca. Il messaggio ha conseguenze diverse a seconda del tipo di soldato: un arcere lancia una freccia un fante usa la spada un cavaliere lancia una lancia Il gestore della schermata vuole tenere una lista di soldati e vuole poter dire ad ogni soldato di attaccare indipendentemente dal tipo ma basandosi solo sulla posizione. 19-23 febbraio 2001

list<Soldato> lista; riempiLista(lista); Posizione unaPosizione=...; list<Soldato>::iterator iter; for(iter=lista.begin();iter!=lista.end();iter++){ Soldato unSoldato=(*iter); if(unSoldato.posizione()==unaPosizione) unSoldato.attacca(); } class Soldato { void attacca() { // cosa scrivo qui?!? Per quale tipo di // soldato implemento il metodo attacca()? }; 19-23 febbraio 2001

La classe concreta eredita da quella astratta Polimorfismo Polimorfismo con tipi controllati dal compilatore (Strong typing & late binding). Come? In C++ viene implementato tramite il concetto di ereditarietà (inheritance) Classe astratta: definisce i messaggi Classe concreta: assegna i metodi ai messaggi La classe concreta eredita da quella astratta 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà Una classe può essere derivata da una classe esistente usando la sintassi: public, protected e private specificano il tipo di accesso ai membri della classe Se la classe base non ha un costruttore di default: La classe derivata deve implementarlo Se la classe base ha un costruttore di default: il costruttore della classe derivata deve esplicitamente invocarlo nella sua lista di inizializzatione Il costruttore della classe base può così essere eseguito prima che il costruttore della classe derivata sia eseguito class newclass: (public|protected|private) oldclass { dichiarazioni... }; 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà (2) Una classe derivata pubblicamente è a tutti gli effetti un sottotipo della classe base. Un oggetto della classe derivata può essere trattato come se fosse un oggetto della classe base Un puntatore alla classe base può puntare ad oggetti della classe derivata Un riferimento alla classe derivata può, se la cosa ha un senso, essere implicitamente convertito ad un riferimento alla classe base E` possibile dichiarare un riferimento alla classe base ed inizializzarlo ad un oggetto della classe derivata 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà (3) La definizione dell’interfaccia (metodi pubblici) della classe base è estremamente importante perchè determina il comportamento delle classi derivate Un metodo della classe base può essere: dichiarato e definito normalmente la classe derivata eredita questo metodo e NON può ridefinirlo dichiarato virtual e definito normalmente la classe derivata eredita questo metodo e può ridefinirlo dichiarato virtual e non definito (=0) la classe derivata eredita il metodo e DEVE ridefinirlo 19-23 febbraio 2001

Classi base astratte Una funzione puramente virtuale è un metodo virtuale non definito. E` dichiarato come: Una classe che ha almeno un metodo puramente virtuale è chiamata classe astratta Oggetti di una classe astratta non possono esistere Puntatori ad una classe base astratta possono essere definiti ed usati polimorficamente (per puntare ad oggetti delle classi derivate) Una classe base astratta viene introdotta per specificare l’interfaccia di una categoria di classi virtual func_prototype = 0; 19-23 febbraio 2001

virtual void attacca()=0; }; class Arcere : public Soldato { class Soldato { virtual void attacca()=0; }; class Arcere : public Soldato { virtual void attacca() { // lancia una freccia } class Fante : public Soldato { // usa la spada ... 19-23 febbraio 2001

Erediarietà multipla L’ereditarietà multipla permette di derivare una classe da due o più classi base. La sintassi viene estesa per permettere una lista di classi base L’ ereditarietà multipla viene spesso utilizzata per combinare un’interfaccia ed una implementazione, ma è molte volte sintomo di un cattivo disegno class A { . . . . }; class B { class AplusB: public A, private B { 19-23 febbraio 2001

dynamic_cast dynamic_cast opera una conversione, se è possibile, fra due tipi. Il puntatore ritornato NON è nullo soltanto se il tipo dell’oggetto su cui si opera è quello che ci si aspetta class Base { . . . . // base implementation }; class Derived: public Base { . . . . void new_method() ; // non e’ definito in Base! void func(Base *ptr) // ptr e’ un obbetto dell classe Base { ptr->new_method(); // Errore!!! Derived *p = dynamic_cast<Derived *> (ptr) if (p !=0) { p->new_method(); } 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà (4) Una classe derivata estende la classe base e ne eredita tutti i metodi e gli attributi class Track { public: LorentzVector momentum() { return p_; } protected: LorentzVector p_; }; Track.h #include “Track.h” class DchTrack : public Track { public: int hits() { return hits_->size(); } DchHit* hit(int n) { return hits_[n]; } protected: list<DchHit> hits_; }; DchTrack.h DchTrack è una Track che ha degli attributi in più (hits_) e nuovi metodi (DchHit* hit(int n), int hits()) 19-23 febbraio 2001

Esempio: shape Tutti gli oggetti nella finestra hanno comportamenti comuni che possono essere considerati in astratto: disegna sposta ingrandisc etc... 19-23 febbraio 2001

Cerchi e quadrati Quadrato Cerchio 19-23 febbraio 2001 Vediamo ora nel dettaglio come scrivere delle classi che risolvono un problema. Ad esempio il classico problema di visualizzare forme geometriche e di manipolarle con una GUI. Abbiamo bisogno di varie forme geometriche: cerchi, rettangoli, esagoni, che si possano creare, distruggere, disegnare, muovere, ruotare etc. Non pretendiamo qui di presentare un’implementazione completa, ma di dare solo un’idea di come si possa ottenere un certo tipo di comportamento utilizzando la programmazione ad oggetti. Nel nostro esempio assumiamo l’esistenza di una libreria grafica di base non OO e una libreria di classi di geometria con punti, vettori in due dimensioni.. 19-23 febbraio 2001

Cerchio Circle.h Costruttore Distruttore Interfaccia Pubblica Nome della classe Circle.h Costruttore public: Circle(Point2d center, double radius); ~Circle(); void moveAt(const Point2d & p); void moveBy(const Point2d & p); void scale(double s); void rotate(double phi); void draw() const; void cancel() const; class Circle { }; Distruttore private: Point2d center_; double radius_; Point2d: classe che rappresenta un punto in 2 dimensioni. Interfaccia Pubblica Metodi: operazioni sugli oggetti Qui vediamo la struttura essenziale di una classe e molti degli elementi sintattici di base: la dichiarazione di una classe con membri pubblici e privati costruttore, distruttore metodi inline metodi definiti in un’altra file attributi di tipo “built-in ” e di classe Color sarebbe un enumerator ma non si vede la dichiarazione.. come si istanzia un oggetto e come si invoca un suo metodo un loop “for” l’uso di operatori vari in un piccolo algoritmo l’uso di oggetti temporanei (che il compilatore può ottimizzare) “Dati” privati (Attributi, membri) Punto e virgola! 19-23 febbraio 2001

Cerchio (2) Circle.cc Main.cc #include “Circle.h” #include “Circle.h” void Circle::draw() const { const int numberOfPoints = 100; float x[numberOfPoints], y[numberOfPoints]; float phi = 0, deltaPhi = 2*M_PI/100; for ( int i = 0; i < numberOfPoints; ++i ) x[i] = center_.x() + radius_ * cos( phi ); y[i] = center_.y() + radius_ * sin( phi ); phi += dphi; } polyline_draw(x, y, numberOfPoints, color_, FILL); void Circle::moveAt( const Point2d& p ) { cancel(); center_ = p; draw(); void Circle::scale( double s ) { cancel(); radius_ *= s; draw(); Circle::Circle( Point2d c, double r ) : center_( c ), radius_( r ) { draw(); } Circle::~Circle() { cancel(); } Circle.cc Cerchio (2) #include “Circle.h” int main() { Circle c( Point2d(10, 10), 5 ); c.draw(); c.moveAt(Point2d(20, 30)); return 0; } Main.cc 19-23 febbraio 2001

Quadrato Square.cc Square.h 19-23 febbraio 2001 #include “Square.h” void Square::draw() const { float x[4], y[4]; Vector2d delta( centerToUpperCorner_ ); for ( int i = 0; i < 4; i++ ) Point2d corner = center_ + delta; x[i] = corner.x(); y[i] = corner.y(); delta.rotate( M_PI_2 ); } polyline_draw(x, y, 4, color_, FILL); void Square::rotate( double phi ) cancel(); centerToUpperCorner_.rotate( phi ); draw(); Square::Square(const Point2d& lowerCorner, const Point2d& upperCorner, Color color) : center_( median(lowerCorner, upperCorner) ), centerToUpperCorner_( upperCorner - center_ ), color_( color ) { draw(); } void Square::scale( double s ) { cancel(); centerToUpperCorner_ *= s; draw(); } Square.cc class Square { public: Square(const Point2d&, const Point2d&, Color color = TRASPARENT); ~Square(); void moveAt( const Point2d& p ); void moveBy( const Point2d& p ); void changeColor( Color color ); void scale( double s ); void rotate( double phi ); void draw() const; void cancel() const; private: Point2d center_; Vector2d centerToUpperCorner_; Color color_; }; Square.h Repetita juvant!?! centerToUpperCorner_ upperCorner loweCorner 19-23 febbraio 2001

Codice Applicativo (Client) #include “Circle.h” #include “Square.h” int main() { Circle c1( Point2d(2.,3.), 4.23 ); Square r1( Point2d(2.,1.), Point2d(4.,3.) ); Circle * circles[ 10 ]; for ( int i = 0; i < 10; ++i ) circles[ i ] = new Circle( Point2d(i,i), 2. ); } circles[ i ]->draw(); return 0; Main.cc Costruisce un vettore di puntatori a cerchi, crea oggetti in memoria e salva i loro puntatori nel vettore. Una semplice applicazione delle classi precedenti. Più dettagli sulla sintassi già vitsa in precedenza. Si vede l’allocazione sull’heap (ma non esplicitamente che new ritorna un puntatore) Viene anche introdotto un vettore STL e la sua sintassi di base (ripresa poi in dettaglio in seguito). Itera sul vettore e invoca draw() per ogni elemento Come gestire cerchi e quadrati insieme? 19-23 febbraio 2001

Polimorfismo Tutte le Shapes hanno la stessa interfaccia: draw, pick, move, fillColor..., ma ogni sottotipo diverso può avere la usa personale implementazione Rullo di tamburi….. 19-23 febbraio 2001

Interfaccia astratta Shape.h Main.cc Interfaccia di metodi class Shape { public: Shape() { } virtual ~Shape() { } virtual void moveAt(const Point2d& where) = 0; virtual void changeColor(Color newColor) = 0; virtual void scale(double s) = 0; virtual void rotate(double phi) = 0; virtual void draw() const = 0; virtual void cancel() const = 0; }; Shape.h #include “Circle.h” #include “Square.h” int main() { Shape * shapes[ 20 ]; int index = 0; for ( int i = 0; i < 10; i++ ) Shape * s; s = new Circle( Point2d(i, i), 2.) ); shapes[ index ++ ] = s; s = new Square( Point2d(i, i), Point2d(i+1, i+2)) ); } for ( int i = 0; i < 20; i++ ) shapes[ i ]->draw(); return 0; Main.cc Interfaccia di metodi puramente virtuali La chiave di volta della programmazione orientata ad oggetti: l'ereditarietà di un’interfaccia astratta per ottenere una gestione polimorfica degli oggetti. In “puro” OO la classe di base deve contenere solo metodi puramente virtuali e nessun attributo. Questo e’ ovviamente sempre possibile farlo. Solo pigrizia e una tendenza a cercare un’ottimizzazione precoce ci fanno implementare classi di base che contengono anche parte dell’implementazione comune. #include “Shape.h” class Square : public Shape { // …. Il resto tutto uguale a prima }; Square.h 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà e riuso del codice Class CenteredShape: public Shape { public: CenteredShape(Point2d c, Color color = TRASPARENT) : center_(c), color_(color) { /*draw();*/ } ~Circle() { /*cancel();*/ } void moveAt( const Point2d& ); void moveBy( const Vector2d& ); void changeColor( Color ); virtual void scale( double ) = 0; virtual void rotate( double ) = 0; virtual void draw() const = 0; virtual void cancel() const = 0; protected: Point2d center_; Color color_; }; CenteredShape.h Non si possono chiamare metodi virtuali in costruttori e distruttori (troppo presto, troppo tardi) #include “CenteredShape.hh” class Square : public CenteredShape { public: Square( Point2d lowerCorner, Point2d upperCorner, Color col = TRASPARENT) : CenteredShape( median(lowerCorner, upperCorner), col), touc_(upperCorner - center_) { draw(); } ~Square() { cancel(); } virtual void scale( double s ) { cancel(); centerToUpperCorner_ *= s; draw(); } virtual void rotate( double phi ); virtual void draw() const; virtual void cancel() const; private: Vector2d touc_; }; Square.h Il punto più controverso dell’OO: l'ereditarietà pubblica dell’implementazione. In questo caso i puristi richiederebbero: Class CCShape : public virtual Shape {..}; Class Rectangle : private CCShape, public Shape {…}; ma per un corso introduttivo mi sembra veramente troppo!!! Posiamo l’attenzione su una delle tante trappole del C++: l’invocazione di metodi virtuali nel costruttore e distruttore della classe base. 19-23 febbraio 2001

Attenzione alle generalizzazioni... class Rectangle { public: Rectangle(double x0, double y0, double lx, double ly) : lx_(lx), ly_(ly), x0_(x0), y0_(y0) { } void scaleX(double s); void scaleY(double s); protected: double x0_, y0_; double lx_, ly_; }; Rectangle.h Attenzione: scegliere le relazioni di ereditarietà può essere non banale. Un quadrato è un rettangolo? class Square : public Rectangle { public: Square(double x0, double y0, double l) : Rectangle(x0, y0, l, l) { } }; Square.h Avere lx_ e ly_ è ridondante per Square Cosa succede se si invoca scaleX o scaleY ? 19-23 febbraio 2001

Ereditarietà multipla Una classe può ereditare da più classi class DrawableObj { public: virtual void draw() = 0; }; DrawableObj.h class Shape { public: virtual void scale(double s) = 0; virtual void moveAt( Vector2d& ) = 0; }; Shape.h class DrawableShape : public DrawableObj, public Shape { public: virtual void draw(); virtual void scale(double s); virtual void moveAt( Vector2d& ); }; DrawableShape.h 19-23 febbraio 2001

Strategie di sviluppo di un progetto Requisiti: cosa l’utente vuole Analisi: la visione dell’informatico dei requisiti Disegno: l’aspetto del sistema software Produzione: codifica Testing: debugging e verifica dei requisiti Mantenimento: installazione del prodotto e controllo del funzionamento per il resto della sua vita 19-23 febbraio 2001

Modello a cascata Requisiti Analisi Disegno Produzione Testing 19-23 febbraio 2001

Modello evoluzionario Requisiti Analisi Testing Disegno Produzione 19-23 febbraio 2001

Confronto fra i modelli di sviluppo A cascata Processo lineare (si torna al passo precedente solo in caso di problemi) Confinamento delle attività in ogni fase Facile da gestire (gestione delle scadenze) Difficile da modificare Prodotto utilizzabile solo alla fine del processo Evoluzionario Processo ciclico (brevi processi completi) Attività distribuite su più fasi Difficile da gestire Facile da modificare e integrare Prototipo utilizzabile fin dal primo ciclo 19-23 febbraio 2001

Requisiti Definizione delle richieste da parte dell’utente del programma (o di una sua parte) sul sistema Si parla di programmazione per contratto perchè l’utente richiede solamente la definizione del servizio richiesto NON la metodologia seguita per fornirglielo è possibile delegare parte del lavoro richiesto ad altri il sistema è indipendente da chi è il suo utente INCAPSULAMENTO! 19-23 febbraio 2001

Analisi Comprensione e razionalizzazione delle richieste dell’utente Costruzione di un modello astrazione (semplificazione delle relazioni) rilevanza (identificazione degli oggetti chiave) Da non trascurare: analisi delle soluzioni esistenti. Può far risparmiare molto tempo!!! 19-23 febbraio 2001

Disegno Definizione di oggetti e classi Definizione delle interfacce Definizione degli stati e dell’implementazione Definizione delle relazioni 19-23 febbraio 2001

Disegno (2) Dopo ogni ciclo bisogna analizzare i rischi, la stabilità del disegno e la complessità delle classi Se una classe è troppo complessa conviene dividerla Ad ogni ciclo il numero di modifiche deve diminuire Architetture troppo complesse devono essere modularizzate 19-23 febbraio 2001

Codifica C’è poco da dire… Non sopravvalutate questa fase: 19-23 febbraio 2001

Testing Debugging: è ovvio… il codice non deve dare errori. Use cases: specificano il comportamento del sistema in una regione. Scenarios: sono esempi concreti di use cases. Per definizione se tutti gli scenari sono soddisfatti correttamente il test è positivo. 19-23 febbraio 2001

Metodi di sviluppo del software Un metodo comprende: Una notazione mezzo comune per esprimere strategie e decisioni Un processo specifica come deve avvenire lo sviluppo The notation is the most apparent part of a method and in object orientation has been for a while the subject of almost religious wars. The process specifies the practices to be followed to develop a software product ensuring that it conforms to the specifications (user requirements) and it is free of defects. Processes can be very rigorous and formal (like for military applications) or almost not existing like in HEP. Here we will concentrate only on the technical aspects of a software process leaving the managerial aspects to some future discussion. A process for us will be a collection of suggested practices to succeed in the Analysis and Design of an Object Oriented Software System. 19-23 febbraio 2001

Metodi Object Oriented Grady Booch Jim Rumbaugh Ivar Jacobson Booch Method by Grady Booch OMT by Jim Rumbaugh Objectory (Use Cases) by Ivar Jacobson CRC by R.Wirfs-Brock Di recente introduzione: UML uno standard OMG (Object Management Group), dal novembre 1997 19-23 febbraio 2001

UML per l’analisi e il disegno Class Diagrams: aspetto statico del sistema. Classi con attributi e metodi e relazioni tra di esse. Sequence e collaboration digrams: comportamento dinamico del sistema. Sequenza dei messaggi scambiati fra gli oggetti. Use case diagrams: illustra gli use cases, le relazioni fra di essi e gli attori che vi partecipano. State diagrams: descrive gli stati in cui ogni oggetto si può trovare e le modalità con cui passa da uno stato all’altro 19-23 febbraio 2001

Concetti delle classi rivisitati Relazioni tra oggetti Decomposizione funzionale all’interno di una classe responsabilità dei metodi Decomposizione funzionale tra più classi responsabilità delle classi Object Oriented Design makes use also of many well known techniques which have been used successfully for many years such as entity-relationship models, functional decomposition and, why not, structural programming 19-23 febbraio 2001

Rappresentazione delle classi Nome + metodo(arg) # metodo(arg) - metodo(arg) - dato attibuti pubblico protetto privato operatori 19-23 febbraio 2001

Rappresentazione di una classe C++ in UML class Nome { private: Tipo1 variabile1; Tipo2 variabile2; Tipo3 variabile3; public: Nome(); ~Nome(); Tipo4 funzione1 ( arg ); protected: Tipo5 funzione2 ( arg ); Tipo6 funzione3 ( arg ); }; Nome.h Nome - variabile1:Tipo1 - variabile2:Tipo2 - variabile3:Tipo3 + funzione1(arg):Tipo4 # funzione2(arg):Tipo5 - funzione3(arg):Tipo6 19-23 febbraio 2001

Attributi e metodi Notazione di Rational Rose Protetto (#) Publico (+) Privato (-) Protetto (#) Notazione di Rational Rose 19-23 febbraio 2001

Principali relazioni fra classi associazione aggregazione by reference (il composito non vive senza il componente) aggregazione by value (aggregazione fisica: esistenza contemporanea) dipendenza generalizzazione (inheritance) 19-23 febbraio 2001

Aggregazione (contenimento) By reference (condivisa) un autista guida più automobili By value (possesso) una automobile possiede il suo motore 19-23 febbraio 2001

Cardinalità e direzionalità Non navigabile Il punto non conosce i poligoni Il poligono è costituito da punti 19-23 febbraio 2001

Dipendenza Non c’è nessuna associazione C’è comunque relazione di uso Il CD non conosce il CDPlayer Il CDPlayer usa il CD: se cambia il formato del CD il CDPlayer deve essere modificato 19-23 febbraio 2001

Generalizzazione (ereditarietà) virtuale! 19-23 febbraio 2001

Class Diagram di “Shape” The “Shape” example (used in the C++ course) in UML notation. We can see: Abstract classes (recognizable from the name in italics), Arrows indicating inheritance, The notation used for aggregation with roles and cardinality, In some classes are shown the methods (lower part) and the attributes (higher part) with the symbols for private, protected and public. UML, compared with Booch, is less C++ oriented and thus many other properties, relevant to C++, can not be shown. 19-23 febbraio 2001

Class Diagram 19-23 febbraio 2001 Another UML diagram: this time for the Trajectory surface package. We can directly compare the diagram with the C++ to better understand the semantics of the various symbols. 19-23 febbraio 2001

Class Diagram 19-23 febbraio 2001 Class diagrams should not necessarily show all class and relationship in the software with all their details. They are intended to document particular aspects of the model architecture and design and therefore should contain only the details relevant to the part the designer wants to stress. This diagram is intended to describe the Plane class and onlly the details of the relationships among Plane and the classes which collaborate with it are shown 19-23 febbraio 2001

Object Sequence Diagram Sequence Diagrams are a powerful tool to describe the dynamic behavior of the model. Usually a Sequence Diagram is associated to a “scenario” Each participating object is represented by a vertical line Horizontal arrows shows messages send from one object to another. The sequence of the messages, an therefore the development of the scenario, is easily seen reading the diagram from top to bottom. 19-23 febbraio 2001

Object Collaboration Diagram Object Collaboration Diagrams convey exactly the same information as Sequence Diagrams and there is indeed a one to one correspondence among the components of the two diagrams. The only difference is the focus: The Sequence diagram focuses on the temporal sequence of the messages while the OCD more on the collaboration among the various objects. My opinion is that using either one or the other is just a manner of personal taste although I find the sequence diagrams more clear and better matching the textual presentation of a scenario. 19-23 febbraio 2001

CRC Classi, Responsabilità, Collaborazioni x y C p F D E q f w 19-23 febbraio 2001

Assegnare Responsabilità Identificare i protagonisti Analizzare il ruolo dei vari oggetti Concentrarsi sul comportamento non la rappresentazione Cercare Oggetti con proprietà comuni: appartiene a classi diverse, o sono solo oggetti diversi? Definire le interfacce (le operazioni che soddisfano le responsabilità) Una corretta assegnazione delle responsabilità è la chiave di una buona modularità e riuso 19-23 febbraio 2001

Collaborazione tra classi Le responsabilità vanno suddivise tra i vari oggetti del sistema non deve esistere un controllo centralizzato Un oggetto deve compiere le proprie responsabilità e delegare ad altri operazioni specifiche Legge di Demeter: non usate oggetti lontani: Invece di: traiettoria.listapunti().aggiungi(Punto); usare: traiettoria.aggiungiPunto(Punto); 19-23 febbraio 2001

Identificare Relazioni Cercare collaborazioni Cercare aggregazioni Cercare generalizazioni Come un client conosce il suo service provider? 19-23 febbraio 2001

{ Relazioni Logiche Implementazione Generalizazione: Is-a Inheritance Aggregazione: Has Dipendenza: Knows Implementazione Inheritance Template instantiation Composizione by value Composizione by reference { 19-23 febbraio 2001

Avere o essere? Uno dei punti critici è distinguere se il rapporto fra due oggetti è del tipo avere o essere: Un LorentzVector è un Vector o ha un Vector? Una Traccia è un vector<Hit> o ha un vector<Hit>? Un Rivelatore è una Superficie o ha una superficie? Per risolvere il problema bisogna guardare a cosa fanno! 19-23 febbraio 2001

Principio di Liskov Gli oggetti figli possono essere usati ovunque l’oggetto genitore è richiesto usare l’inheritance quando è richiesto il polimorfismo Non cambiare il comportamento della base class 19-23 febbraio 2001

Composizione by value o by refrence In C++ la scelta fra aggregazione by value o by refrence può seguire questo schema: Tipi semplici (int, float, …): by value Parte dello stato dell’oggetto: by value Oggetti condivisi: by reference Assegnati a run time: by reference Oggetti condivisi by reference: attenzione a chi ha la responsabilità di crearli e cancellarli! (1 new  1 delete!) 19-23 febbraio 2001

Approccio Outside-in Il corretto approccio è quello di guardare il sistema dall’esterno. Identificare prima di tutto gli oggetti che interagiscono con l’utente esterno e i messaggi a cui devono saper rispondere (think client!) In seguito identificare gli oggetti che forniscono servizi a questi ultimi e così via Gli algoritmi vengono per ultimi!!! 19-23 febbraio 2001

CRC Workshop Metodo per la definizione si una architettura bilanciata Ogni partecipante svolge il ruolo di una classe. Individuazione delle classi Contrattazione delle responsabilità Definizione delle collaborazioni Difesa dal tentativo di assegnazione di responsabilità contrarie alla natura della classe 19-23 febbraio 2001

Regole per il CRC workshop Tentate di rifuutare le responsabilità Dovrei? (Non sono io che lo devo fare!) Potrei? (Non ho i mezzi, o lo stato per farlo!) Cercate di fare poco lavoro Se avete dovuto accettare una responsabilità cercate di far fare il lavoro a qualcun’altro Potenziate i collaboratori, non interferite 19-23 febbraio 2001

E. Gamma et al., Design Patterns Sono elementi di software OO riutilizzabile Piccoli insiemi di classi che collaborano implementando dei comportamenti tipici Creational patterns Structural patterns Behavioral patterns I principali sono raccolti in un libro: E. Gamma et al., Design Patterns 19-23 febbraio 2001

Factory I client possono richiedere la creazione di un prodotto senza dipendervi La Factory dipende dai prodotti concreti, mentre i client dipendono solo da quelli astratti 19-23 febbraio 2001

Proxy Una richiesta da un client a un server, può essere mediata dal Proxy, che può compiere anche altre operazioni (I/O, caching, etc.) 19-23 febbraio 2001

Composite Il client può trattare componenti e compositi usando la stessa interfaccia. La composizione può essere ricursiva. Esempio: programmi di grafica 19-23 febbraio 2001

Gruppo di Shapes Il gruppo di shapes è il Composite La shape è il Component Le shapes concrete (Circle, Square, ecc...) sono le Leaf Circle, Square, ... draw( ) Shape GroupofShapes 1..* Client _components 19-23 febbraio 2001

Codice del modello composite class Shape { public: Shape() {} virtual void draw() const = 0; // altri metodi virtuali ( = 0 ) }; Shape.h #include “Shape.h” class Circle: public Shape { public: Circle(Point2D c, double r): Shape(), center_(c), radius_(r) {} void draw() const { ; // draw circle } // altri metodi definiti per Circle private: double radius_; Point2D center_; }; Circle.h Codice della componente e della foglia. Si noti la “forward declaration” necessaria per implementare il puntatore di ritorno al genitore. In DaqLeaf introduciamo anche “explicit” per evitare la conversione implicita da float a DaqLeaf. E chiaro che il modello non e’ completo e l’implementazione si presta a molte critiche, ma questo e’ solo un esempio... 19-23 febbraio 2001

Codice del modello composite #include “Shape.h” class GroupofShapes : public Shape { public: typedef vector<Shape *> Container; typedef Container::const_iterator Iterator; GroupofShapes(){} void draw() const { Iterator p=components.begin(); Iterator pe=components.end(); while (p!=pe) { (*p)->draw(); p++; } return; } // gli altri metodi sono definiti operando // sui componenti protected: Container components; }; GroupofShapes.h Qui vediamo dichiarazione e definizione del composito. Power() e’ inline per pura pigrizia. Tanto per cambiare faccio vedere il loop usando un while… si notino i typedef per “semplificare” la notazione seguente (in realtà sono utile per “esportare” pubblicamente begin() ed end(). Ma noi il visitor qui non lo facciamo e quindi non ne parliamo…) 19-23 febbraio 2001

Strategy Il pattern Strategy permette di scegliere l’algoritmo da eseguire a run-time. Nuovi algoritmi possono essere introdotti senza modificare il codice utente. 19-23 febbraio 2001

Observer Lo stato dell’Observer dipende dallo stato del Subject. Il Subject notifica a tutti gli Observer registrati che il suo stato è cambiato. 19-23 febbraio 2001

Appendice: strighe C-style Le variabili carattere sono gestite come array di char (un char contiene un solo carattere) accesso agli elementi tramite la sintassi degli array carattere nullo usato come terminatore (‘\0’) Funzoni di libreria per la gestione dei char* : #include<cstring> per utilizzarle int strlen(const char*); lunghezza della stringa int strcmp(const char*, const char*); confronto di due stringhe char* strcpy(char*, const char*); copia la seconda stringa nella prima 19-23 febbraio 2001

Appendice: la classe string Per semplificare la gestione delle stringhe è stata creata la classe string #include<string> per usarla Definiti gli operatori standard: = per l’assegnazione + e += per la concatenazione == e tutti gli altri operatori relazionali per il confronto [] per l’accesso agli elementi Disponibile sintassi simile a quella dei contenitori STL: iteratori: string::iterator e string::const_iterator funzioni begin() , end() , size() , ecc... Interoperabilità con char*: char* c=“Pippo”; string s=c; char* c1 = s.c_str(); s += c; 19-23 febbraio 2001

Confronto stringhe C-style e string #include<iostream> #include<cstring> int main(){ int err=0;int big=1000000; char* c1=“LLLong string”; for(int i=0;i<big;i++){ int len=strlen(c1); char* c2=new char[len+1]; strcp(c2,c1); if(strcmp(c2,c1))err++; delete[] c2; } cout<<err<<“errori”<<endl; return 0; #include<iostream> #include<string> int main(){ int err=0;int big=1000000; string s1=“LLLong string”; for(int i=0;i<big;i++){ // int len=s1.size(); string s2=s1; if(s2!=s1)err++; } cout<<err<<“errori”<<endl; return 0; } // 2 volte piu’ veloce!!! 19-23 febbraio 2001

Appendice:operazioni di I/O Si utilizza la libreria iostream Gli operatori di stream >> e << dirigono il flusso da/per le unità desiderate: cout : standard output. Si sono già visti molti esempi cerr : standard error. Si usa come cout cin : standard input (normalmente la tastiera) include<iostream> include<string> int main(){ string nome; cout << “Come ti chiami?” << endl; cin >> nome; // Notare la direzione!!! if(nome.empty()) cerr << “Stringa nulla!” << endl; else cout << “Ciao “ << nome << “!” << endl; return 0; } 19-23 febbraio 2001

Overloading degli operatori di I/O Gli operatori << e >> possono essere ridefiniti per consentire operazioni del tipo: Vector2D v(1,2); cout << “Il vettore v vale “ << v << endl; Si utilizza una funzione friend: class Vector2D { friend ostream& operator <<(ostream& os, const Vector2D v); [...] } ostream& operator <<(ostream& os, const Vector2D v){ os << “(“ << v.x() << “,” << v.y() << “)”;} Si ottiene: Il vettore v vale (1,2) 19-23 febbraio 2001

Appendice: I/O con files E’ possibile definire altre unità di I/O Si utilizza la libreria fstream (include iostream) I files di input sono dichiarati ifstream I files di output sono dichiarati ofstream I files di input/output sono dichiarati fstream Costruttore con argomento const char* (nome file) #include <fstream> #include <string> int main(){ ifstream fin(“file1.dat”); // deve esistere! if(!fin){ cerr << “file1.dat non esiste” << endl; return -1; } ofstream fout(“file2.dat”); // se esiste viene sovrascritto int i=0; string parola; while (inf >> parola) fout << “La “ << ++i << “-esima parola e\’ “ << parola << endl; fin.close(); fout.close(); return 0; } 19-23 febbraio 2001

Appendice: I/O in memoria E’ possibile definire unità di I/O in memoria (non legate a files) Si utilizza la libreria sstream (include iostream) Le unità di input sono dichiarati istringstream Le unità di output sono dichiarati ostringstream Le unità di input/output sono dichiarati stringstream I costruttori non hanno argomento Il metodo str() applicato ad un oggetto di questo tipo ritorna la stringa (string) contenuta nell’unità: ostringstream messaggio; messaggio << “Ciao!” << endl; string s=messaggio.str(); 19-23 febbraio 2001

Appendice: Manipolatori di I/O Modificano il comportamento di una stream. boolalpha: true e false rappresentati come stringhe noboolalpha: true e false rappresentati come 1 e 0 (default) showbase: interi stampati col prefisso che indica la base noshowbase: interi stampati senza il prefisso (default) showpoint: floating point stampati sempre col punto decimale noshowpoint: stampa i floating point come interi se non frazionari (default) showpos: stampa + per numeri positivi noshowpos: non stampa + per i numeri positivi (default) skipws: salta gli spazi bianchi in input (default) noskipws: non salta gli spazi bianchi in input uppercase: stampa 0X in esadecimale, E in scientifica lowercase: stampa 0x oppure e (default) dec: interi in base 10 (default) hex: interi in base 16 oct: interi in base 8 19-23 febbraio 2001

Appendice: Manipolatori di I/O (2) left: aggiunge caratteri di riempimento alla destra del val. right: aggiunge caratteri di riempimento alla sinistra internal: aggiunge caratteri fra segno e valore fixed: floating point in notazione decimale (default) scientific: floating point in notazione scientifica flush: svuota il buffer ends: aggiunge il carattere nullo (\0) e svuota il buffer endl: aggiunge un “newline” e svuota il buffer ws: “mangia” gli spazi bianchi I seguenti manipolatori richiedono: #include <iomanip> setfill(ch): definisce il carattere di riempimento setprecision(n): definisce la precisione per i floating point setw(n): scrive o legge in n caratteri setbase(b): interi in base b 19-23 febbraio 2001

Esempio di I/O con manipolatori #include <iomanip> int main() { cout << "inserisci un numero: "; double num=0; while(cin >> num) { int pi = (int)(num); cout << setfill('0') << setprecision(5); cout << "Il numero inserito e\' " << num << endl; cout << "La parte intera e\' " << pi << "(" << hex << setw(6) << pi << " esadecimale)" << dec << endl; cout << "La parte frazionaria e\' " << num-pi << endl; } return 0; inserisci un numero: 12345.678 Il numero inserito e' 12346 La parte intera e' 12345(003039 esadecimale) La parte frazionaria e' 0.678 inserisci un numero: Non tutti i compilatori supportano tutti i manipolatori!!! 19-23 febbraio 2001

Per saperne di più sugli elementi di base del linguaggio C++ **** Lippman, Lajoye, The C++ Primer, 3rd Edition - Addison Wesley *** Pohl, Object-Oriented Programming Using C++, 2nd Edition - Addison Wesley *** Stroustrup, The C++ Programming Language, 3rd Edition - Addison Wesley su trucchi e tranelli in C++ **** Myers, Effective C++, Addison Wesley **** Myers, More Effective C++, Addison Wesley *** Coplien, Advanced C++, Addison Wesley su STL **** Glass, Schuchert, The STL <PRIMER>, Prentice Hall *** Ammeraal, Wiley, STL for C++ Programmers - ** Musser, Saini, STL Tutorial and Reference Guide, Addison Wesley 19-23 febbraio 2001

Per saperne di più (2) su OO A&D su UML sui Design Patterns *** Booch, Object-Oriented Analysis and Design with Applications, Benjamin/Cummings *** Booch, Object Solutions, Addison Wesley su UML **** Fowler, Scott, UML Distilled, Addison Wesley *** Booch, Rumbaugh, Jacobson, The Unified Modeling Language User Guide, Addison Wesley sui Design Patterns *** Gamma, Helm, Johnson, Vlissides, Design Patterns, Addison Wesley 19-23 febbraio 2001