Baixe Introduçao a orientação do objeto e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity!
TUTORIAL:
"C++ COMO UMA LINGUAGEM DE
PROGRAMAÇÃO ORIENTADA A OBJETOS."
Copyright © 1996
André Augusto Cesta. [email protected]
Orientadora: Profa Dra Cecília Mary Fischer Rubira
PROGRAMAÇÃO ORIENTADA A OBJETOS
Este tutorial se propõe a ensinar programação orientada a objetos em C++. A maioria dos livros não apresenta a linguagem nesse contexto, dando uma atenção maior para os recursos de C++ do que para a metodologia de programação. É recomendável que o leitor tenha acesso a um desses livros visto que não ensinaremos aqui aspectos considerados básicos que são em geral quase todos que permitem usar C++ como um C melhorado. Você pode usar C++, como uma linguagem procedural com recursos avançados, mais uma vez não é isso que pretendemos ensinar neste texto.
Na prática de programação orientada a objetos estaremos atentos em nossos programas para pontos como:
-Compatibilidade, portabilidade.
-Segurança.
-Reusabilidade.
-Facilidade de integração.
-Facilidade de extensão.
-Eficiência.
Os tópicos seguintes nos guiarão nesses objetivos, mostrando numa curva de aprendizado suave, como programar usando orientação a objetos em C++.
1. CLASSES E OBJETOS
Uma classe é um tipo definido pelo usuário que contém o molde, a especificação para os objetos, assim como o tipo inteiro contém o molde para as variáveis declaradas como inteiros. A classe envolve, associa, funções e dados, controlando o acesso a estes, definí-la implica em especificar os seus atributos (dados) e suas funções membro (código).
Um programa que utiliza uma interface controladora de um motor elétrico provavelmente definiria a classe motor. Os atributos desta classe seriam: temperatura, velocidade, tensão aplicada. Estes provavelmente seriam representados na classe por tipos como float ou long. As funções membro desta classe seriam funções para alterar a velocidade, ler a temperatura, etc.
Um programa editor de textos definiria a classe parágrafo que teria como um de seus atributos uma string ou um vetor de strings, e como funções membro, funções que operam sobre estas strings. Quando um novo parágrafo é digitado no texto, o editor cria a partir da classe parágrafo um objeto contendo as informações particulares do novo texto. Isto se chama instanciação ou criação do objeto.
Classes podem ser declaradas usando a palavra reservada struct ou a palavra reservada class, nos exemplos posteriores entraremos em mais detalhes. As classes do próximo tópico 1.2 são declaradas com struct por razões didáticas. Quando chegarmos em encapsulamento 1.3 mostraremos como declarar classes com class e não usaremos mais struct no tutorial.
1.1. ESPECIFICANDO UMA CLASSE
Suponha um programa que controla um motor elétrico através de uma saída serial. A velocidade do motor é proporcional a tensão aplicada, e esta proporcional aos bits que vão para saída serial e passando por um conversor digital analógico.
Vamos abstrair todos estes detalhes por enquanto e modelar somente a interface do motor como uma classe, a pergunta é que funções e que dados membro deve ter nossa classe, e que argumentos e valores de retorno devem ter essas funções membro:
Representação da velocidade:
A velocidade do motor será representada por um atributo, ou dado membro, inteiro (int). Usaremos a faixa de bits que precisarmos, caso o valor de bits necessário não possa ser fornecido pelo tipo , usaremos então o tipo long , isto depende do conversor digital analógico utilizado e do compilador.
Representação da saída serial:
O motor precisa conhecer a sua saída serial, a sua ligação com o "motor do mundo real". Suponha uma representação em hexadecimal do atributo endereço de porta serial, um possível nome para o atributo: enderecomotor. Não se preocupe em saber como usar a representação hexadecimal.
Alteração do valor da velocidade:
Internamente o usuário da classe motor pode desejar alterar a velocidade, cria-se então o método ( em C++ função membro): void altera_velocidade(int novav);. O código anterior corresponde ao cabeçalho da função membro, ela é definida junto com a classe motor, associada a ela. O valor de retorno da função é void (valor vazio),
1.2.1. ATRIBUTOS OU DADOS MEMBRO.
Este exemplo declara uma struct e em seguida cria um objeto deste tipo em main alterando o conteúdo desta variável. Uma struct é parecida com um record de Pascal, a nossa representa um círculo com os atributos raio, posição x , posição y, que são coordenadas cartesianas. Note que este objeto não possui funções membro ainda.
#include <iostream.h>
struct circulo
//struct que representa um circulo.
{
float raio;
float x;
//posicoes em coordenadas cartesianas
float y;
};
void main()
{
circulo ac;
//criacao de variavel , veja comentarios.
ac.raio=10.0;
//modificacao de conteudo (atributos) da struct
ac.x=1.0;
//colocando o circulo em uma posicao determinada
ac.y=1.0;
//colocando o circulo em uma posicao determinada
cout << "Raio:"<<ac.raio <<endl;
//verificacao dos atributos alterados.
cout << "X:"<<ac.x << "\n"; // "\n"==endl
cout << "Y:" <<ac.y<< endl;
}
Resultado do programa:
Raio:
X:
Y:
Comentários:
struct circulo
//struct que representa um circulo.
{
float raio;
float x;
//posicoes em coordenadas cartesianas
float y;
};
Este código é a declaração da classe círculo, entre chaves vem os dados membro e as funções membro que não foram apresentadas ainda.
A sintaxe para criação de objetos da classe círculo (circulo ac;) , por enquanto não difere da sintaxe para a criação de variáveis do tipo int.
//incrementa contador
void comeca(void){num=0;};
//comeca a contar
};
void main()
//teste do contador
{
contador umcontador;
umcontador.comeca();
//nao esqueca dos parenteses, e uma funcao membro e nao atributo!
cout << umcontador.num << endl;
umcontador.incrementa();
cout << umcontador.num << endl;
}
Resultado do programa:
0
1
Comentários:
O programa define um objeto que serve como contador, a implementação representa a contagem no atributo num que é um número inteiro. As funções membro são simples: incrementa adiciona um ao contador em qualquer estado e comeca inicializa a contagem em zero.
Sintaxe:
A sintaxe para declaração de funções membro dentro de uma classe é a mesma sintaxe de declaração de funções comuns : tipoderetorno nomedafuncao(lista_de_argumentos) { /*codigo */ }. A diferença é que como a função membro está definida na classe, ela ganho acesso direto aos dados membros, sem precisar usar o "ponto", exemplo um_objeto.dadomembro;. Lembre-se que as
chamadas de funções membro já se referem a um objeto específico, embora elas sejam definidas de uma forma geral para toda a classe.
A sintaxe de chamada ou acesso à funções membro é semelhante a sintaxe de acesso aos dados membro com exceção dos parênteses que contém a lista de argumentos da função, mesmo que a lista seja vazia eles devem estar presentes: umcontador.incrementa();. Primeiro insere-se o nome do objeto e depois a chamada da função, estes são separados por um ponto. Cuidado para não esquecer os parênteses nas chamadas de funções membro em programas futuros, este é um erro bastante comum.
Agora o programa mais complicado, porém baseado no exemplo 1.2.1:
#include <iostream.h> //para cout
struct circulo
{
float raio;
float x;
//atributo coordenada cartesiana x
float y;
//atributo coordenada cartesiana y
void move(float dx,float dy)
//função membro ou função membro move
{
x+=dx;
//equivale a x=x+dx;
y+=dy;
}
void mostra(void) //função membro ou função membro mostra
{
cout << "Raio:"<<raio <<endl;
Raio:
X:
Y:
Comentários:
A função membro move altera as coordenadas do objeto. O objeto tem suas coordenadas x e y somadas com os argumentos dessa função membro. Note que esta função membro representa uma maneira mais segura, clara, elegante de alterar as coordenadas do objeto do que acessá-las diretamente da seguinte forma: ac.x+=dx;. ac.y+=dy;. Lembre-se que ac.x+=dx é uma abreviação para ac.x=ac.x+dx;.
Como funcionam no compilador as chamadas de funções membro:
É possível imaginar que as definições de funções membro ocupam um grande espaço na representação interna dos objetos, mas lembre-se que elas são todas iguais para uma classe então basta manter para cada classe uma tabela de funções membro que é consultada no momento da chamada. Os objetos só precisam ter uma referência para esta tabela.
Exercícios:
1)Neste mesmo programa, crie uma função para a struct chamada "inicializa" que deve ter como argumentos um valor para x, um para y e outro para o raio, e deve alterar os atributos inicializando-os com os valores passados.
Você pode abstrair o uso dessa função como uma maneira de inicializar o objeto de uma só vez embora a função o faça seqüencialmente. Comente as vantagens de fazê-lo, comparando com as outras opções, tenha sempre em mente a questão de segurança quando avaliar técnicas diferentes de programação.
2)No programa anterior, verifique que nada impede que você acesse diretamente os valores de x , y e raio e os modifique. Como você pode criar um número enorme de funções : altera_x(float a); move_raio(float dr); seria desejável que somente essas funções pudessem modificar x, y e raio. Você verá que isso é possível em encapsulamento 1.3. Por hora, crie essas funções.
3)Teste a função membro move com argumentos negativos, exemplo ac.move(-1.0,- 1.5);. O resultado é coerente?
4)Crie uma nova struct que representa um ponto, que informações você precisa armazenar? Que funções seriam úteis? Faça um programa para testar sua classe.
5)Melhore a classe contador, defina uma função que imprime o contador na tela. Se você estivesse fazendo um programa para rodar numa interface gráfica com o usuário esta função de imprimir na tela seria a mesma? Definir uma função que retorna uma copia do valor atual do contador garante maior portabilidade? Por quê? Para aprender a retornar valores consulte: 1.2.3.
6)"Há uma tendência em definir o maior número de funções membro em uma classe, porque nunca se pode prever exatamente o seu uso em programas futuros". Comente esta frase, tendo em vista o conceito de portabilidade. Você já é capaz de citar outras medidas que tornem suas classes mais portáveis? Leia o exercício anterior.
1.2.3. FUNÇÕES MEMBRO QUE RETORNAM VALORES.
Até agora só tínhamos visto funções membro com valor de retorno igual a void. Uma função membro, assim como uma função comum, pode retornar qualquer tipo, inclusive os definidos pelo usuário. Sendo assim, sua chamada no programa se aplica a qualquer lugar onde se espera um tipo igual ou equivalente ao tipo do seu valor de retorno, seja numa lista de argumentos de outra função , numa atribuição ou num operador como o cout << variavel;
#include <iostream.h>
struct contador
//conta ocorrencias de algo
{
int num;
//numero, posicao do contador
void incrementa(void){num=num+1;};
//incrementa contador
void comeca(void){num=0;};
//comeca a contar, "reset"
int retorna_num(void) {return num;};
};
void main()
//teste do contador
{
contador umcontador;
umcontador.comeca();
void teste::altera_x(int v) { x=v;}
//esta ja e a implementacao codigo
void main()
{
teste a;
//instaciacao de um objeto
a.altera_x(10);
//chamada da funcao membro com valor 10 que sera impresso a seguir
cout << a.x;
//imprimindo o dado membro
}
Resultado do programa anterior:
10
Programa exemplo círculo, mais complexo baseado no exemplo de 1.2.2:
#include <iostream.h>
//para cout
struct circulo
{
float raio;
float x;
float y;
void inicializa(float ax,float by,float cr);
void altera_raio(float a);
float retorna_raio(void);
void move(float dx,float dy);
void mostra(void);
};
void circulo::inicializa(float ax,float by,float cr)
{
x=ax;
y=by;
raio=cr;
}
void circulo::altera_raio(float a)
{
raio=a;
}
float circulo::retorna_raio(void)
{
return raio;
}
void circulo::move(float dx,float dy)
{
x+=dx;
y+=dy;
}
void circulo::mostra(void)
Raio:
X:
Y:
Raio:
X:
Y:
Raio:12.
X:100.
Y:
Exercícios:
1)Implemente outras funções do estilo void altera_raio(float a) e float retorna_raio(void) para os atributos X e Y.
2)Faça um programa simples para testar uma struct que representa um mouse e que contém a posição na tela, os indicadores de estado dos botões e os função membros: clica_botaoA(void); move(float dx, float dy);. Não é preciso fazer a ligação da struct com a entrada serial, embora o leitor interessado possa encontrar na literatura de C exemplos de como fazê-lo, esta é uma tarefa complicada.
Seu mouse deve ser capaz de caminhar para qualquer lugar da tela através de chamadas de funções membro, não deve ultrapassar os limites estabelecidos, e deve indicar se os botões estão pressionados ou não através de uma função semelhante a função mostra( ) deste exemplo. O mouse pode ter de 1 a 3 botões. E você pode substituir a função membro move(float dx,float dy) por move_x(float dx); e move_y(float dy);
1.2.5. ALGO PARECIDO EM UMA LINGUAGEM PROCEDURAL
Este tópico apresenta uma comparação entre C++ e Pascal, para tal implementou-se dois programas semelhantes. O programa C++ é o programa círculo do tópico anterior: 1.2.4. O programa em Pascal vem a seguir:
PROGRAM Comparacao;
{COMPARACAO COM UM PROGRAMA C++}
TYPE Circulo=RECORD
x:real;
{COORDENADAS X E Y}
y:real;
r:real;
{somente dados}
END;
var ac:circulo;
leitura:integer;
PROCEDURE Inicializa(var altereme:Circulo;ax,by,cr:real);
{COLOCA O CIRCULO EM DETERMINADA POSICAO}
BEGIN
altereme.x:=ax;
altereme.y:=by;
altereme.r:=cr;
END;
PROCEDURE Altera_Raio(var altereme:Circulo;ar:real);
{ALTERA O RAIO DO CIRCULO}
BEGIN
altereme.r:=ar;
END;
FUNCTION Retorna_Raio(copieme:Circulo):real;
BEGIN
Retorna_Raio:=copieme.r;
END;
PROCEDURE Move(var altereme:Circulo;dx,dy:real);
X: 1.0000000000E+02 Y: 1.0000000000E+00 R: 1.2000000000E+
Comentários:
C++:
As classes em C++ englobam os dados membros e as funções membros. Para executar uma ação sobre o objeto ou relativa a este basta chamar uma função membro para este: ac.mostra();
A função membro não precisa de muitos argumentos, porque é própria da classe e portanto ganha acesso aos dados membro do objeto para ao qual ela foi associada:
float circulo::retorna_raio(void)
{ return raio ; //tenho acesso direto a raio. }
Pascal:
Em Pascal os procedimentos e os dados são criados de forma separada, mesmo que só tenham sentido juntos.
A junção entre os dados e procedimentos se dá através de passagem de parâmetros. No caso de uma linguagem procedural como Pascal, o que normalmente é feito se assemelha ao código seguinte: Move(ac,1.0,1.0);. Ac nesse caso é um "record", mas sem funções membro, algo semelhante ao struct de C (não C++). Move, acessa os dados do "record" alterando os campos. O parâmetro é passado por referência e o procedimento é definido a parte do registro, embora só sirva para aceitar argumentos do tipo Circulo e mover suas coordenadas.
Segurança:
Em ambos programas (Pascal, C++) o programador pode acessar diretamente os dados do tipo definido pelo usuário: ac.x : =100.0; (Pascal) ou ac.x=100.0; (C++).
Veremos em 1.3 ENCAPSULAMENTO maneiras de proibir em C++ este tipo de acesso direto ao dado membro, deixando este ser modificado somente pelas funções membro. Isto nos garante maior segurança e liberdade pois podemos permitir ou não o acesso para cada dado membro de acordo com nossa vontade.
Eficiência:
Alguém pode argumentar que programas que usam bastante chamadas de funções podem se tornar pouco eficientes e que poderia ser melhor acessar diretamente os dados de um tipo definido pelo usuário ao envés de passar por todo o trabalho de cópia de argumentos, inserção da função no pilha, etc.
Em verdade não se perde muito em eficiência, e além disso muitas vezes não se deseja permitir sempre o acesso direto aos dados de um tipo definido pelo usuário por razões
de segurança. Nesse sentido C++ oferece um recurso que permite ganhos em segurança sem perder muito em eficiência, veja: 1.5.2.
Exercícios:
1)Verifique que em main() você pode modificar o atributo x do objeto da classe ponto ou círculo da seguinte forma: a.x=12.2;. Isto pode não ser muito útil, imagine-se criando uma library que implementa a classe ponto e uma série de funções relacionadas, por razões de segurança você gostaria que o usuário se limitasse ao uso da interface (funções membro) do objeto, como fazê-lo será explicado em 1.3 encapsulamento. Por hora, apenas crie funções que ajudem a evitar este tipo de acesso direto.
1.2.6. CONSTRUTORES
Construtores são funções membro especiais chamadas pelo sistema no momento da criação de um objeto. Elas não possuem valor de retorno, porque você não pode chamar um construtor para um objeto. Contrutores representam uma oportunidade de inicializar de forma organizada os objetos, imagine se você esquece de inicializar corretamente ou o faz duas vezes, etc.
Um construtor tem sempre o mesmo nome da classe e não pode ser chamado pelo usuário desta. Para uma classe string o construtor teria a forma string(char* a); com o argumento char* especificado pelo programador. Ele seria chamado automaticamente no momento da criação, declaração de uma string:
string a("Texto");
//alocacao estatica implica na chamada do construtor
a.mostra();
//chamada de metodos estatica.
Existem variações sobre o tema que veremos mais tarde: Sobrecarga de construtor, "copy constructor", como conseguir construtores virtuais (avançado, não apresentado neste texto) , construtor de corpo vazio.
O exemplo a seguir é simples, semelhante aos anteriores, preste atenção na função membro com o mesmo nome que a classe (struct) , este é o construtor:
#include <iostream.h>
struct ponto
{
float x;
