Das siebte Buch: Objektorientierung mit C++

331 Pages·2000·17.812 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Ernst-Erich Doberkat (auth.)

Das siebte Buch:
Objektorientierung mit C++
Von Prof. Dr. rer. nat. Ernst-Erich Doberkat
Universitat Dortmund
EI3
B.G.Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden 2000
Prof. Dr. rer. nat. Ernst-Erich Doberkat
Geboren 1948 in Breckerfeld/Westfalen. Studium der Mathematik und Philo
sophie an der Ruhr-Universitat Bochum, 1973 Diplom in Mathematik. 1976
Promotion zum Dr. rer. nat. im Fach Mathematik an der Universitat Pader
born, 1979 venia /egendi fOr das Fach Informatik an der FernUniversitat
Hagen. Von 1981 bis 1985 Associate Professor of Mathematics and Com
puter Science am Clarkson College of Technology, Potsdam (New York);
LehrstOhle an den Universitaten Hildesheim und Essen, seit 1993 Inhaber
des Lehrstuhls fOr Software-Technologie an der Universitat Dortmund. Vie 1-
faltige Arbeitsgebiete in der Softwaretechnik, daneben BemOhungen um den
Technologie-Transfer und um Multimedia in der akademischen Ausbildung.
1. Auflage August 2000
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titelsatz fOr diese Publikation ist bei
Der Deutschen Bibliothek erMltlich.
Aile Rechte vorbehalten
© B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig' Wiesbaden 2000
Der Verlag Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer.
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des
Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages un
zulassig und strafbar. Das gilt besonders fOr Vervielfaltigungen,
Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und
Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Konzeption und Layout des Einbands: Peter Pfitz, Stuttgart
ISBNI-13: 978-3-519-02649-5 e-ISBN-13: 978-3-322-80104-3
001: 10.1007/978-3-322-80104-3
Dieses Such ist Dr. Rudolf Peter gewidmet.
Inhaltsverzeichnis
o {// Vorvort ix
1 Die Hofzwerge in der Wiener Hotburg 1
1.1 Die Hierarchie der Hofzwerge 2
1.2 Die Analyse 3
1.3 Aufgaben . 6
2 Erste Schritte 9
2.1 Die Vorgehensweise bei der Programmkonstruktion 10
2.2 Zur Ubersetzung von Programmen 11
2.3 Das erste Programm .. 12
2.4 Die include-Anweisung .. 16
2.5 Elementare Datentypen . . 16
2.6 Einfacbe Ein- und Ausgabe 20
2.7 Eine Anmerkung zum Thema Variablen 22
2.8 Anhang: Schliisselwiirter und reservierte Symbole in C++ 23
2.9 Aufgaben .......................... . 24
3 Einige Beispiele 27
3.1 Ein einfacher Text ...... . 27
3.2 Noch ein einfacher Text; Felder 42
3.3 Ausblick. 47
3.4 Aufgaben ........... . 48
4 Funktionen und lokale Variable 51
4.1 Funktionen ..... . 51
4.2 Zuriick zum Problem. 56
4.3 Zeichenketten. 59
4.4 Der ?-Operator 62
4.5 Aufgaben ... 63
5 Vereinbarung von Namen 67
5.1 Definitionen, Deklarationen und externe Variable 68
5.2 Giiltigkeit von Deklarationen und Definitionen 69
5.3 Namensanalyse ... 72
5.4 Statische Variablen . 74
5.5 Aufgaben ..... . 76
v
INHALTSVERZEICHNIS
6 Zeiger: Oh! Jetzt wird es lustig 79
6.1 Adressen ....... . 79
6.2 Die Funktion Tausch .. . 82
6.3 Felder und Zeiger .... . 83
6.4 Funktionen als Parameter 86
6.5 Mehrdimensionale Felder. 87
6.6 Aufgaben ........ . 92
7 Zusammengesetzte Strukturen 95
7.1 struct als Konstruktion . 95
7.2 Verkettete Listen 101
7.3 Aufgaben ....... . 109
8 Binare Biiume und Suche 113
8.1 Eine Suchstruktur ... 113
8.2 Binii.re Baume. . . . . . 114
8.3 Definition von binaren Suchbaumen 116
8.4 Aufgaben .............. . 122
9 Einfache Dateibehandlung 125
9.1 Dateien ......... . 125
9.2 Dateien: Lesen und Schreiben 126
9.3 Handhabung: Einzelheiten . 126
9.4 Aufgaben .......... . 128
10 Funktionale Komponenten und Abstrakte Datentypen 131
10.1 Die Neujahrsansprache ..... 132
10.2 Tiefensuche in binii.ren Baumen 136
10.3 Breitensuche ........ .. 141
10.4 Zugriffsspezifikationen . . . . . 148
10.5 Warteschlangen als Abstrakte Datentypen 151
10.6 Zuriick zur Breitensuche 151
10.7 Statische Komponenten 153
10.8 Was haben wir gelernt? 154
10.9 Aufgaben ....... . 155
11 Prioritiitswarteschlangen 159
11.1 Der Abstrakte Datentyp Prioritatswarteschlange 160
11.2 Heaps ................. . 162
11.3 Noch einmal: Einfiigen in einen Heap. 168
11.4 Der Sortieralgorithmus Heapsort 173
11.5 Ein kurzer Riickblick 175
11.6 Aufgaben ............ . 175
vi
INHALTSVERZEICHNIS
12 Graphen 179
12.1 Zur Definition von Graphen ............ . 180
12.2 Zur abstrakten Realisierung ungerichteter Graphen 183
12.3 Der Abstrakte Datentyp UndirGraph . 183
12.4 Pausenmusik ...... . 186
12.5 Der Datentyp Knoten .. 186
12.6 Rcalisierung des Graphen 192
12.7 Beispielprogramm 193
12.8 Aufgaben ........ . 195
13 Klassen - Konstruktionen und Beispiele 199
13.1 Die Klasse Punkt ..... 199
13.2 Uberladen von Methoden 202
13.3 Konstruktoren ..... . 204
13.4 Destruktoren ...... . 206
13.5 Regeln fUr die Anwendung von Konstruktoren und Destruktoren 208
13.6 Aufgaben .............................. . 210
14 Einfache Vererbung 213
14.1 Ein einfUhrendes Beispiel zur Vererbung 214
14.2 Vererbung: das neue Zauberwort .. 217
14.3 Neues Problem: Manner und Frauen 221
14.4 Abstrakte Klassen 227
14.5 Aufgaben .............. . 229
15 Virtuelle Methoden und andere Prazisierungen 231
15.1 Obst, Friichte und andere Agrarprodukte 232
15.2 Rein virtuelle Methoden 239
15.3 Aufgaben ................. . 242
16 Zuriick zu den Hofzwergen: die Implementierung 245
16.1 Zum Programmentwurf ...... . 246
16.2 Die Klasse Hofarbeiter als Wurzel ... . 247
16.3 Die nachste Ebene ............ . 249
16.4 Was haben wir denn jetzt daraus gelernt? 252
16.5 Der Zahlmeister der Hofburg ... 252
16.6 Nachtrag: inline-Vereinbarungen ... 258
17 Hashing: die etwas andere Suchtechnik 261
17.1 Suchoperationen oder: Die Idee beim Hashing 262
17.2 Was ist zu tun? ..... 263
17.3 Der Datentyp IntListe ..... . 264
17.4 Hashing .............. . 267
17.5 Realisierung der Klasse HashTafel 268
17.6 Eine erste Verallgemeinerung 271
17.7 Was lernen wir daraus? 273
17.8 Aufgaben .......... . 273
vii
INHALTSVERZEICHNIS
18 Schablonen 271
18.1 Einfiihrendes Beispiel: komplexe Zahlen 278
18.2 Zwischeniiberlegung . . . . . . . . 280
18.3 Einfache Listenkonstruktionen. . . 281
18.4 Hashing fiir beliebige Datentypen . 289
18.5 Hashtafeln als Schablonen . . . 290
18.6 Hashing fiir komplexe Zahlen . 292
18.7 Hashing fiir binii.re Suchbii.ume 293
18.8 Und jetzt geht' s los .... 299
18.9 Riickblick: Vorgehensweise . 299
18.lOAufgaben ..... . 301
19 Ausnahmebehandlung 303
19.1 Ein einfiihrendes Beispiel 304
19.2 Eine differenzierende Betrachtung . 308
19.3 Das Kleingedruckte . 312
19.4 Aufgaben ............. . 313
20 } / /Nachwort 317
Literat urverzeichnis 322
Index 324
viii
KapitelO
{ / / Vorwort
Der Werkzeugkasten der Methoden zur objektorientierten Softwarekonstruktion hat sich in
der taglichen Praxis des Softwareingenieurs als Kollektion recht wirkungsvoller Hilfsmittel
erwiesen. Diese Methoden helfen bei der Konstruktion korrekter, zuverlassiger und wieder
verwendbarer Software. Sie begleiten die Konstruktion von der Analyse, also den ersten Ideen
eines Programms, tiber den Entwurf bis hin zur Implementierung. Die Objektorientierung
dient hierbei anfangs als Richtschnur zur angemessenen Beschreibung der Phanomene, die
man modellieren und dann in einem Programm angemessen implementieren mochte. Sie wird
in vielen Programmiersprachen durch sprachliche Hilfsmittel untersttitzt - als Schlagworte
mogen die Begriffe Klasse, Geheimnisprinzip und Vererbung dienen, so dafi ein objektorien
tierter Entwurf auch objektorientiert implementiert werden kann.
Objektorientierung als Anfang
Da sich objektorientierte Methoden bewii.hrt haben, besteht breiter Konsens daruber, dafi
die Einfiihrung in die Informatik mit einer objektorientierten Programmiersprache beginnen
soli. Das Argument, mit dem Proponenten der Objektorientierung arbeiten, lautet etwa so:
Es gelingt, viele Phanomene der natiirlichen Welt mit objektorientierten Hilfsmitteln auf
natiirliche Weise zu modellieren, daher sollte eine Einfiihrung in die Informatik fruh mit
diesen Methoden vertraut machen. 1m Tandem mit diesem Argument kommt dann auch eine
objektorientierte Programmiersprache.
Nun mag man diskutieren, ob die Objektorientierung wirklich eine natiirliche Modellierung
ist. Sie ist vielen anderen Modellierungsmethoden uberlegen. Warum das so ist, werden Sie in
diesem Buch sehen. Der Beifahrer dieser Argumentation, nii.mlich die Programmiersprache,
sollte auch objektorientiert sein. Das ist einsichtig, denn man mochte keinen methodischen
Bruch zwischen der Modellierung und der Implementierung, also der Realisierung in einem
Programm, entstehen lassen. Solche methodischen Bruche fiihren erfahrungsgemiill leicht zu
kognitiven Bruchen, so dafi die Vorteile, die man sich muhsam bei der Modellierung erobert
hat, bei der Implementierung verloren zu gehen drohen.
Gegenwii.rtig werden zwei objektorientierte Programmiersprachen als Sprachen fiir den aka
demischen Anfangsunterricht bevorzugt, nii.mlich die Sprachen JAVA und C++. Die Program
miersprache JAVA begann im zweiten Drittel der neunziger Jahre des vorigen Jahrhunderts
mit ihrem Siegeszug und scheint unbezwingbar zu sein. Ihre vielen Vorteile machen es ihr
leicht, ein Anwendungsfeld nach dem anderen zu erobern. Sie kann ihre Abstammung von
ix
KAPITEL O. {/I VORWORT
c++ und, wenn man genauer hinschaut, von BETA nicht leugnen. Die Programmiersprache
C++ hingegen basiert auf der kampferprobten Sprache C, der Basis fur das populiire Be
triebssystem UNIX (mit seinen modischen LINux-Varianten). C++ ist die objektorientierte
Tochter von C, also eine Spracherweiterung durch objektorientierte Konstruktionen.
So entstand dieses Buch
Der Verfasser durfte ab WS 97/98 die Dortmunder Erstsemester der Elektrotechnik in die
Informatik einfiihren. Auf Bitten der FakuItat fiir Elektrotechnik wurde eine zweisemestri
ge Veranstaltung Einfuhrung in die InJormatik for Ingenieure IIIJ konzipiert und in einem
zweiten Durchlauf vaIidiert. Sie sollte und soIl nach den Vorstellungen der Fakultat Algo
rithmen und Datenstrukturen sowie objektorientierte Konzepte zusammen mit der Program
miersprache C++ lehren. Die Entscheidung, C++ aIs Sprache vorzuschlagen, beruhte auf
der Beobachtung daB viele Programmkomponenten und Bibliotheken in Coder C++ formu
liert sind. Die Studenten werden durch die Veranstaltung unmittelbar in die Lage versetzt,
diese Komponenten fur ihre eigene Arbeit zu benutzen (und naturlich eigene Programme zu
schreiben).
Aus diesen Vorlesungen ist das vorliegende Buch entstanden. Es richtet sich an Nebenfachler
der Informatik und an solche Leserinnen und Leser, die sich mit der objektorientierten Pro
grammierung und mit C++ vertraut machen wollen. Das Buch wurde so konzipiert, daB auch
geistes- und sozialwissenschaftlich orientierte Leser den Ausfiihrungen mit Gewinn folgen
konnen. Der Verfasser hat dazu bewuBt Beispiele gewahlt, die nicht dem typischen Umkreis
des Ingenieurs oder des Informatikers entstammen, sich vielmehr bemuht, die weitgespannten
Anwendungsmoglichkeiten der objektorientierten Modellierung und Programmierung exem
plarisch zu zeigen. Das schlii.gt sich auch in den Aufgaben nieder. Der Ton dieses Buchs
wurde bewuBt nicht-technisch gehalten. Der gelegentlich unausstehliche Jargon, der sich in
der Programmierung breitgemacht hat, soIl soweit als moglich vermieden werden.
Die Objektorientierung und die Programmiersprache C++ stehen zwar im Vordergrund die
ses Buches, wir beginnen jedoch mit einer Einfiihrung in diejenigen Teile von C++, die
aus der Sprache C stammen. Wir fangen auch beim Programmieren nicht gleich mit der
Objektorientierung an. Der didaktische Ansatz dieses Buches geht vielmehr von der ob
jektbasierte Programmierung in C aus. Objektbasiert bedeutet hier, daB mit Instanzen Ab
strakter Datentypen gearbeitet wird, also mit Instanzen von K apseln, die Daten und die
Prozeduren auf diesen Daten in einer gemeinsamen Hulle einschlieBen. Der Begriff des Ab
strakten Datentypen wird sehr friih eingefiihrt, urn dem Leser moglichst friih Gelegenheit
zu geben, Datenabstraktionen gemeinsam mit Funktionsabstraktionen zu benutzen. Tech
nisch sieht das so aus, daB die Vorstufe von Klassen, niirnlich zusammengesetzte Strukturen,
urn funktionale Komponenten erweitert werden. Damit ist eine objektbasierte Grundlage fiir
die weiteren Diskussionen gelegt. Sie wird weidlich genutzt. Wir zeigen an Beispielen, daB
dieses Konzept sehr tragfii.hig ist, und sich schon zur ReaIisierung recht mii.chtiger Anwen
dungen eignet. Erst dann, wenn diese sprachlichen Hilfsmittel eingefiihrt und ausreichend
an Beispielen erprobt worden sind, werden objektorientierte Konzepte eingefiihrt. Klassen
erscheinen als Auspragung zusammengesetzter Strukturen, Vererbung und die damit verbun
denen Moglichkeiten der Polymorphie werden dann ebenfalls eingefiihrt und an Beispielen
erprobt. Die Tragfii.higkeit des Konzepts erweist sich dann an einem groBeren Beispiel, das
x
recht ausfiihrlich diskutiert wird. Das Buch schliefit mit einer Diskussion von Schablonen (die
im eigentlichen Sinne ja nieht mehr objektorientiert sind) und einer kurzen Diskussion der
Au snahmebehandlung.
Und das steht in diesem Buch
Eine kurze Darstellung des Inhalts solI folgen. Fast aile Kapitel beginnen mit der Diskussion
einer konkreten Problemstellung, die eine Erweiterung der sprachlichen Miiglichkeiten vor
schlagt. Die neuen Ausdrucksmiiglichkeiten werden auf ihre Belastbarkeit gepriift, meist aueh
erweitert und auf andere Probleme angewendet. Fast jedes Kapitel enthalt Ubungsaufgaben,
die in Anspruch und Umfang von leiehten Etuden zur Einiibung der neuen Techniken bis hin
zu kleinen Projekten reichen. Insgesamt sind es 120 Aufgaben geworden.
Kapitel 1: Hofzwerge Das Buch beginnt mit der Geschiehte der Hofzwerge in der Wiener
Hofburg. Diese Hofzwerge .~ genauer: ihre Besoldungsstruktur - werden nach einigen Seiten
hin untersucht. Die Eigenschaften der Hofzwergbesoldung werden als Klassifikationshierarchie
gefaJ3t. Damit hat der Leser bereits am Anfang ohne jegliche Programmierkenntnisse einen
wichtigen Entwurfsschritt getan. Der so aufgespannte Bogen dehnt sich weit. Er findet erst im
letzten Viertel des Buchs sein (anderes) Ende, wenn namlich die Klassifikationshierarchie mit
allen ihren dynamischen Aspekten implementiert wird. Der Verfasser mochte auf diese Weise
zeigen, daB es durchaus moglich ist, objektorientierte Konzepte einzufiihren, ohne tieferge
hende Eigenschaften einer Programmiersprache benutzen zu miissen. DaB dies moglieh ist,
belegt die Tragfahigkeit des Konzepts der Objektorientierung. Dieser Bogen dient naturlich
auch dazu, das Buch zusammenzuhalten: Die Hofzwerge schauen immer mal wieder um die
Ecke und tauchen in der einen oder anderen Ubungsaufgabe auf, bringen sich also in Erinne
rung, um die interessanten Eigenschaften, die dieses ulkige Volckehen hat, auch wirklich zurn
Funkeln zu bringen.
Kapitel 2, 3: C, elementar Die Programmiersprache C wird in ihren elementaren Kom
ponenten eingefiihrt. Die sprachlichen Konzepte werden an stetig komplexer werdenden Pro
blemstellungen eingefiihrt. In diesen beiden einfiihrenden Kapiteln wird die Philosophie der
Vorgehensweise deutlich: Konstruktionen werden nicht urn ihrer selbst willen eingefiihrt, viel
mehr sollen konkret vorliegende Probleme damit geliist werden. Solehe einfiihrenden Kapitel
sind fast immer ziemlich langweilig, aber diese Durststrecke will uberwunden sein. Der Leser
so lite dieses Kapitel vielleicht iiberfliegen, urn bei Bedarf spater nachschlagen zu konnen.
Kapitel 4: Funktionen Hier werden Funktionen eingefiihrt. Sie werden als wichtige Struk
turierungsmiigliehkeit fiir Programme diskutiert, die dariiber hinaus auch die Moglichkeit
geben, die Lokalitat von Namen einzufiihren und zu erkunden.
Kapitel 5: Separate Ubersetzung Das Thema der Strukturierung von Programmen wird
in diesem Kapitel noch einmal aufgenommen. Hier geht es namlich darum, ein umfangreiches
Prograrnm so zu zerlegen, daB die einzelnen Teile in getrennten Dateien aufbewahrt werden
konnen. Dazu muB man etwas uber Namensraume wissen, und sie stehen darum in diesem
Kapitel im Vordergrund.
xi