C++实例教学-类的应用

类<class)的概念是面向对象程序设计的核心概念。把对数据和数据的操作和处理封装在一个程序模块中的方法，可以说是人们经过几十年程序设计实践的经验总结。把程序以类的形式组织成若干模块，使其获得了最佳的结构特性。类概念的引入使程序设计发生了革命性的转变。从结构程序设计(SP)中以作为程序的基本模块转变为面向对象(OOP)程序设计中，以类作为程序的基本模块，这一变化使程序设计技术出现了质的飞跃。
类的概念抓住了程序的本质。程序的基本元素是数据。而函数是围绕数据进行处理和操作。抓住了数据这个“纲”，程序中关系复杂的各种函数就变得脉络清楚，可以随着相应的数据组合成类，类的使用使得：
* 程序设计本身更有条理了；
* 程序的可读性更好了；
* 程序设计的过程真正象是机器部件的组装；
* 由于程序的零部件化，使得程序的可重用性变成切实可行的事。
为了学会OOP方法，首先让我们看看C++程序中类及其对象是怎样工作的。

9.1 设计一个栈类
栈(stack)是程序设计过程中经常碰到朝气一种数据结构形式，它对于数据的存放和操作有下面这样的特点：
1) 它只有一个对数据进行存入和取出的端口；
2) 后进者先出，即最后被存入的数据将首先被取出。其形式很象一种存储硬币的小容器，每次只可以从顶端压入一个硬币，而取出也只可以从顶端进行，即后进先出。
这样的数据存储和治理形式在一些程序设计中很有用。例如，编译系统中(这是一类比较复杂的程序)，对于函数调用的处理、对于表达式计算的处理，都利用了栈这样的数据结构。

下面是一个关于栈的程序：
// program 6_1.h
#include<iostream.h>
const int maxsize=6;
// enum boola{false,true}; /*注：假如在TC中调试，应加上这一句*/
class stack{
float data[maxsize];
int top;
public:
stack(void);
~stack(void);
bool empty(void);
void push(float a);
float pop(void);
};
stack::stack(void)
{
top=0;
cout<<"stack initialized."<<endl;
}
stack::~stack(void)
{
cout<<"stack destoryed."<<endl;
}
bool stack::empty(void)
{
return top==0?true:false;
}
void stack::push(float a)
{
if(top==maxsize)
{
cout<<"Stack is full!"<<endl;
return;
}
data[top]=a;
top++;
}
float stack::pop(void)
{
if(top==0)
{
cout<<"Stack is underflow!"<<endl;
return 0;
}
top--;
return data[top];
}
void main()
{
stack s1,s2;
for(int i=1;i<=maxsize;i++)
s1.push(2*i);
cout<<endl;
for(i=1;i<=maxsize;i++)
cout<<s1.pop()<<" ";
for(i=1;i<maxsize;i++)
s1.push(2.5*i);
for(i=1;i<=maxsize;i++)
s2.push(s1.pop());
do
cout<<s2.pop()<<" ";
while(!(s2.empty()));
}
程序运行结果如下：
C++实例教学-类的应用

说明：
1、第一行定义了一种用户定义的枚举(enum)类型，该类型的全部值在定义式中的{...}内说明，每个值是一个标识符，每一个值与一个整数对应，假如不指定的话，就按顺序与0,1...相对应。
程序中定义的枚举类型名为bool，只有两个值，即false和ture。即falsh=0,true=1。
C++语言中提供的枚举类型，实际上是int类型的一个子集。每个值除了作为一个整数之外，可以由用户给出一个标识符形式的名字。这样比直接用0,1形式的整数更直观，例如还可以定义这样的枚举类型：
enum answer{no,yes,maybe};
enum listorde{no-order,in-order,in-reverse};
前者指明用0,1，2表示‘否'，‘是'‘可能'中不同的回答，后者则用0,1，2表示一个数据序列的三种状态：“无序”、“正序”(从小到大)、“逆序”。在程序运行中，nono-order完全和整数0起相同的作用，yes-和in-order则与整数1等价。
在11,22行指出函数empty()返回类型为bool型，即是说明该函数应返回值false或true，当然返回整数0或1都是对的。在23行其返回语句为return top==0?true:false;其中top==0是一个关系表达式，如当前int型变量top的值为0，即top==0为真(true)，返回true，如当前top的值不为0，则top==0为假(false)，即返回值为false。
2、5~14行为类stack的说明，其中：
class是一个要害字，指出所说明的是一个类，标识符stack是用户为这个类起的名字。用花括号{ }括起来的是类的成员。
类stack共有7个成员：
6~7行是stack的数据成员，这两个数据成员是stack的私有成员。
私有成员用要害字private:说明，通常这个要害字可以省略，缺省状态下默认为private:成员。私有成员在类外不可访问。
第8行的要害字public:指出在其后所列的成员为公有成员，类的公有成员可以在类外被引用。
9~13行是类stack的五个公有函数成员。
第9行是与类stack同名的函数成员的说明，其定义在类外的15~18行。
函数成员的定义可以在类外也可以在类里面。如把第9行改为：
stack(void) { top = 0;}
那么在类外就不用再说明该函数，这样的在类里面说明的函数默认为内联函数(inline)。在类外说明的函数，其函数名前必须加上"stack::"以表示该函数是类stack的一个成员。
名为stack的函数成员是类stack的一个非凡的函数成员，称为类stack的构造函数，它有如下特征：
1) 和类同名；
2) 可有不只一个构造函数(参数表不同)；
3) 无返回类型；
4) 主要完成对象的初始化工作；
5) 在说明该类的一个对象时，系统自动调用其构造函数；
6) 类说明中如未说明构造函数，系统设置一个最简单的构造函数。
第10行是另一个非凡的函数成员，称作析构函数，其特征为：
1) 名为“~”加上类名。
2) 无返回类型。
3) 可以定义一个或缺省。
4) 在该类的对象退出其说明区域时自动执行。
5) 主要完成该对象撤消前的善后工作。
第11行的函数成员，名为"empty"，返回类型为bool型，其功能是测试一下栈是否为空。为无参过程。可以改写为：
bool empty(void){return top==0;};
采用类内定义方式，可以取代22~24行。
第12行说明第4个函数成员push，无返回值，一个float 参数，其函数定义在类外的第25~32行，功能是把一个新的浮点数压入堆栈中，假如发现栈已满则输出一个信息。
第13行的float pop(void)是最后一个函数成员，其功能为测试栈当前是否为空，如不空，把栈顶的数据取出。其定义在33~40行。

3、42~57行是主函数，或说是整个程序的入口和出口。在其中做了下面的一系列工作：
第44行说明了类stack的两个对象s1和s2，即创建了两个具体的栈(空栈)。
类的说明(5~40行)只是定义，说明了其对象才是真的分配了内存，并通过自动调用构造函数完成了初始化。
45!46行，对于栈s1，做了maxsize=6次压栈操作，先后+存栈数据为：2，4，6，8，10，12。
48~49行，又对栈(对象)s1做了6次退栈操作，并依次显示输出结果，由输出顺序：
12 10 8 6 4 2
可以看出栈的“后进先出”的特征。
50~51行对栈s1再做压栈处理，应注重，在执行语句50~51之前，s1,top的值应为0(为什么？)变量i的值应为maxsize+1=7，因此该while循环语句共循环6次，顺序压进栈s1的数据应为： 15,12.5，10，7，12.5，15
54!56行是把栈s2的数据逐步退栈取出并显示输出，其输出的顺序为：
2.5 5 7.5 10 12.5 15
从这个例子，可以了解栈的特征，同时也知道了如何对一个类的对象进行操作。
1) 首先应说明该类的对象(44行)；
2) 只答应对该对象(类)的公有成员引用；
3) 引用时应以对象名限定成员名，如：
s1.push(2*i); 表示对栈s1进行压栈操作；
s2.empty(); 表示对栈s2进行是否为空的测试。

9.2 职员档案治理程序
是这一个简化了的雇员档案治理程序。其中把雇员的档案数据和对这些数据的设置、修改、删除等操作组成一个程序模块。程序通过这个模块----类的公有部分对档案数据进行处理，实现了面向对象程序设计的“封装”功能。
// program 6_2.cpp
#include<iostream.h>
#include<string.h>
class employee{
char *name; // 雇员姓名
short age; // 年龄
float salary; // 工资
public:
employee();
void set_name(char *);
void set_age(short a){age=a;}
void set_salary(float s){salary=s;}
void print();
~employee(){delete[]name;}
};
employee::employee()
{
name=0;
age=0;
salary=0.0;
}
void employee::set_name(char *n)
{
name=new char[strlen(n)+1];
strcpy(name,n);
}
void employee::print()
{
cout<<"Name: "<<name;
cout<<"Age: "<<age;
cout<<"Salary: "<<salary<<endl;
}
void main()
{
char *na=0;
short ag=0;
float sa=0;
na=new char[10];
employee emp[5];
for(int i=0;i<5;i++)
{
cin>>na;
cin>>ag;
cin>>sa;
emp[i].set_name(na);
emp[i].set_age(ag);
emp[i].set_salary(sa);
emp[i].print();
}
emp[3].set_salary(5100.0);
emp[3].print();
emp[1].~employee();
cin>>na;
emp[1].set_name(na);
emp[1].set_age(23);
emp[1].set_salary(2000.0);
emp[1].print();
}

说明：
这是一个简化的雇员档案治理程序，其中5~33行定义了一个employee类，它包含了一个雇员的档案数据，及对这些数据的若干处理函数。
构造函数employee，它在进行结象说明时被自动调用。这时创建的是一个雇员的空档案。
第39行说明的是一个对象数组，一次建立了五个雇员的空档案。
set_name(),set_age(),set_salary()三个函数可用来为雇员档案填入姓名、年龄、工资。其中填入姓名时要创建一个长度为该姓名字符串长度+1的字符数组，以便以字符串形式存放该雇员的姓名。
print()函数的功能是输出该雇员的档案内容。
析构函数~employee()的功能是当某雇员档案撤消或改成另一姓名时，把原占用的字符串空间释放掉。

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9.3 在平面上用直线和圆画图
编一个程序，以直线段、矩形和圆为基本图元组成一图形。
我们采用面向对象的编程方法，把直线line,矩形rectangle和圆circle设计为三个类，它们各有自己的数据和函数成员。用线、矩形和圆组合成图形，就是对这三个类的对象进行操作。
程序代码如下：
// program 6_3.cpp
#include<iostream.h>
#include<process.h>
#include<graph.h>
#include<conio.h>
class Line{
int startx,starty,endx,endy;
public:
Line(int sx,int sy,int ex,int ey)
{
startx=sx;
starty=sy;
endx=ex;
endy=ey;
}
void draw();
};
class Rectangle
{
int uplx,uply,lowrx,lowry;
public:
Rectangle(int ulx,int uly,int lrx,int lry)
{
uplx=ulx;
uply=uly;
lowrx=lrx;
lowry=lry;
}
void draw();
};
class Circle
{
int centx,int centy,radius;
public:
Circle(int cx,int cy,int r)
{
centx=cx;
centy=cy;
radius=r;
}
void draw();
};
void Line::draw()
{
_moveto(startx,starty);
_lineto(endx,endy);
} // 画一条直线
void Rectangle::draw()
{
_rectangle(_GBORDER,uolx,uply,lowrx,lowry);
} // 画一个空心矩形
void Circle::draw()
{
_ellipse(_GBORDER,centx-radius,centy-radius,centx+radius,centy+radius);
} // 画一个圆
void main()
{
short centx,centy;
cin>>centx>>centy;
Rectangle fram1(centx-60,centy-60,centx+60,centy+60),
fram2(centx-62,centy-62,centx+62,centy+62);
Circle disk(centx,centy,55);
Line poin1(centx,centy,centx+25,centy+25),
poin2(centx,centy,centx+12,centy+40),
bar1(centx,centy+50,centx,centy+42),
bar2(centx,centy-42,centx,centy-50),
bar3(centx-50,centy,centx-42,centy),
bar4(centx+42,centy,centx+50,centy);
if(!_setvideomode(_MAXRESMODE))
exit(1);
fam1.draw();
fram2.draw();
disk.draw();
bar1.draw();
bar2.draw();
bar3.draw();
bar4.draw();
poin1.draw();
poin2.draw();
getch();
_setvideomode(_DEFAULTMODE);
}
程序说明：
1) 这是一个利用基本图形对象直线段、矩形和圆来组成一个简单的表形的程序。从这个程序的设计过程(虽然它比实际程序简化了许多)可以了解面向对象程序设计的基本方式和特征。在55~79行的main函数中首先根据需要说明若干个图元对象：两个矩形，一个圆，六个直线段，它们正是组成显示的图形的各基本图元。最后分别调用各自的draw函数，完成了显示任务。
2) 程序中采用了在图形模式下进行屏幕显示的操作方式。系统的屏幕显示可有两种基本模式：文本模式：这是系统平时工作的模式。图形模式：当程序需要输出图形时，应把系统设为图形模式。
用setvideomode()函数把系统由文本模式转为图形模式。
在各个类的draw()函数中，利用图形库函数完成基本图元的生成显示。
在6~16和41~44行，定义了一个Line类，它由四个私有成员和两个公有成员的函数成员组成，这完全是为了简化程序。例如，还可以为该直线段设置颜色。查阅坐标。修改数据等等操作。
在18~28行和46~48行，定义了Rectangle类。
在30~39行和50~51行，定义了Circle类。
三种类的定义，只是说明了类。在58~66行的对象说明中才有了类的具体内容，同时按照给出的不同参数，决定了这些实际的图元的位置和尺寸。对于Line,Rectangle,Circle这三个类，用户可以对其进行的操作只有两种：
1) 通过构造函数创建具有指定参数的对象；
2) 调用公有成员函数，显示这一图元。
从这里可以感受到类和对象对于其数据封装的含义。
从这个例子中，我们指出了把程序以类的形式组织起来的方法才优越性，但也应从中发现一些问题和不足的地方。例如：
三个类是互不相关的，但仔细观察会发现类Line和类Rectangle之间本来是有内在联系的，一个矩形实际上是由两条横线和两条纵线组成的，类Rectangle的对象的创建是否可以借助于类Line的几个对象的创建来实现呢？
另外三个类中都包含了象draw()这样的公有函数，也许可以具有象着色color()等等这样的共同的函数成员。
如何在程序设计中表现不同的类之间的层次关篛，相互间的相关性，这要用到其它的一些知识，如派生类、虚函数等概念和手段，使程序的组织更加合理和严密。