實習目標 | 1. 練習如何運用 Visual Studio 2010 界面宣告類別 (2005/2008,
VC6)
2. 練習如何使用 private 與 public access specifier (了解 C++ 如何控制存取權限) 3. 練習如何定義成員函式 (member function), 在成員函式中如何存取類別資料 4. 了解浮點數的比對相關問題 5. 如何拷貝一個簡單類別的物件 |
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步驟一 | 我們曉得 C/C++ 的基本資料型態裡並沒有複數 (complex number) 這樣的東西, 所以我們在這個單元裡要透過
C++ 類別的語法定義一個新的資料型態來存放複數:
直覺的想法應該會覺得這件事情有點簡單, 複數包含實數部份 (real part) 和虛數部份 (imaginary part), 似乎只要用 C 裡頭的 struct 語法就可以定義一個新的資料型態了。 不過我們的要求還稍微多一點, 每一個抽象的資料型態 (abstract data type) 除了包含所存放的資料以外, 還必須要定義它們的運算, 這樣才能精確地描述這個資料型態, 在這個實習中我們考慮下列的運算:
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步驟二 | 請利用 Visual Studio 2010 界面 檔案/新增/專案, 選擇一般 , 空專案, 不要勾選 "為方案建立目錄",
選取位置資料夾, 輸入專案名稱 Lab31, 按下確定
在 方案總管 中, 使用滑鼠右鍵選剛才建立的專案名稱 Lab31, 加入, 新增項目, 選 程式碼, 選 C++ 檔案, 填寫檔案名稱 testComplex.cpp, 請在檔案內寫一個空的 main() 函式: #include <cstdlib> void main() { system("pause"); }建置/建置方案 |
步驟三 |
此時你可以檢查 類別檢視, 看到新增了一個 Complex 類別, 在 方案總管 中你會看到 Complex.cpp 和 Complex.h, 請在 類別檢視 中以滑鼠左鍵雙擊 Complex 來查看 Complex.h 檔案內類別的宣告 (declaration), #pragma once class Complex { public: Complex(void); virtual ~Complex(void); };這是 Visual Studio 2010 界面自動幫你作出來的類別定義, 這兩個函式一個叫做 "建構元 (constructor)", 一個叫做 "解構元 (destructor)", 在定義一個類別時有特殊的用途, 將來我們會仔細談它們的用法, 目前對你沒有影響, 你也不需要去修改它們。 至於檔案中 #pragma once 敘述, 和我們先前介紹的 #if !defined(...), #define, #endif 一樣, 是 為了避免重複引入 .h 定義檔 而設計的, 這是所有多檔案 C/C++ 程式都需要有的定義, 如果 Visual Studio 界面不幫你做好, 你也一樣要自己做, #ifndef #if #define #endif 是所有編譯器都確定可以用的, #pragma once 不是標準的前處理器指令, 但是目前常用的編譯器都有支援, Visual Studio 是可以使用的, 其他的編譯器請參考 wiki。 請在 類別檢視 中點 Complex 類別, 在下面窗格中你可以看到 Visual Studio 界面幫你定義的兩個成員函式, 所有的函式定義 (definition) 都應該在 .cpp 檔案中, 請點選任何一個函式打開 Complex.cpp 來檢視這兩個函式的定義。 注意: 先前你運用 Visual Studio 寫 C 程式的時候, 不太需要用到 類別檢視 窗格, 但是你在寫 C++ 程式時, 如果不使用類別檢視的話, 你會花費很多很多的時間在許多檔案裡尋找你自己寫的程式碼 |
步驟四 | 現在我們應該來定義 Complex 類別內儲存資料的欄位 (資料成員)了, 我們知道複數平面上每個點需要有兩個實數座標,
請務必替它們取適當的名字, 我們把它們取為 m_real 和 m_imaginary, 再來必須要決定它們是 private 還是 public,
目前這個決定很簡單, 就是 private, 除了很小很小部份的資料需要是 public 之外, 幾乎所有的資料成員都需要是 private,
如果你要讓它是 public 的話, 你最好要有很充分的理由。
現在你有兩種選擇來增加這兩個資料成員 (data member),
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步驟五 | 因為類別外面的程式沒有辦法直接存取剛才製作的兩個資料成員, 為了要能夠有設定 Complex 物件內容(狀態)的界面函式, 我們替這個類別增加一個 setValue(double, double); 的 public 成員函式, 如此就可以初始化物件的內容了 增加一個成員函式也和增加資料成員一樣有兩種作法, 可以自己在 complex.h 以及 complex.cpp 檔案中加入成員函式的宣告和定義, 也可以在 類別檢視 中用右鍵選擇 加入/加入函式, 在 傳回型別 欄位填入函式的回傳值型態, 例如 void, 在 函式名稱 欄位中填入函式的名稱 (例如: setValue), 在 參數型別 欄位中填入參數的型態定義 (例如: double), 在 參數名稱 欄位中填入參數的名稱 (例如: real), 點選加入按鈕, 重複以上兩個步驟再增加第二個參數, 在 存取 欄位中選擇 public, 代表是公開的界面函式, Static, Virtual, Pure 和 Inline 目前都不要選, 最後按下 完成 按鈕。 函式的內容基本上就是 m_real = real; m_imaginary = imaginary;呼叫的方法類似於 Complex x; x.setValue(13,25); // 13 + 25 i |
步驟六 | 現在我們應該來定義 Complex 類別的 +, -, *, / 運算了:
首先應該先決定這些運算的名稱, 決定這些運算所需要傳入的參數, 所需要傳回的數值型態, 然後決定這些運算是 public 還是 private。
做好上面的選擇後, 你還是有兩種方法來增加這些成員函式 (member function),
Complex x1, x2, x3; x1.setValue(7, 3); x2.setValue(1, 1); x3.setValue(5, -2); // (7+3i)/(1+i) = (5-2i) assert(x1.divide(x2)); assert(x1.equal(x3, 1e-10)); // C/C++ 常數 1e-10 代表 1x10-10 x2.setValue(0, 0); assert(!x1.divide(x2));當然, 現在你應該在你的函式裡將前面 add, subtract, multiply, divide 的函式內容寫完, 並且對每一個函式所設計的功能都設計好單元測試的資料, 如此萬一以後修改程式時 (更換演算法或是更換資料表達的方法), 所有原先設計的功能 (很多也許你在修改時都已經忘掉了的功能) 都自動化地測試一遍 (所謂 TestDriven 的程式發展方法, 很多工程領域或是製造業裡都有這種品管的機制, 軟體製作時也有這種需求, 尤其是物件導向的程式常常需要進行 "新增功能" 或是 "架構調整 (refactoring)"。) 在撰寫上面的函式內容時請注意 C++ 的存取權限控制是針對類別來做的, 不是針對物件來做的, 也就是說別的類別的物件不能存取 Complex 類別物件的 private 資料成員, 但是一個 Complex 物件可以存取另外一個 Complex 物件內的 private 資料成員 |
步驟七 | 現在你應該要自己做 equal (相等) 的成員函式了, 函式應該要傳回 bool 型態的結果, 你在這裡會遭遇問題,
主要是浮點數不適合用預設的運算子 == 精確地比對, 兩個浮點數之間比對每一個 bit 都相等是沒有太大意義的, 例如下面程式:
double x = 3.13; ... if (x == 3.13) cout << "x == 3.13\n"; ...你有可能在某些機器上發現不會列印出 "x==3.13" 或是 double x = 3.09; x = x/2.0 + 1.51; if (x == 3.055) cout << "x == 3.055\n"; 你覺得螢幕上會列印任何東西嗎? 如果不會的話, 原因是什麼? 你可以列印一下 x 的內容, 又會發現看起來 x 好像是對的, 真的不是機器不好, 這和浮點數的表示方法有密切關係 :) 接下來寫一個簡單的測試程式讓你看一下兩個 double 變數 (各 8 個位元) 的實際內容: 範例程式專案, 你可以注意到 a 和 b 兩個變數的內容其實只有差最後一個位元 (70 vs. 71), 另外也請你注意一個位元組一個位元組比較的結果和直接 a == b 的結果是一樣的 在我們的程式中, 你應該用 subtract() 和 magnitude() 來檢查 "你的答案" 和 "你預期的答案" 的差異是不是小於一個很小的數字, 例如 0.0000001 所以你的 equal() 函式應該要接受兩個參數, 第一個參數是要比較的數字, 第二個參數則是精確度 |
步驟八 |
現在你應該要完成計算複數大小的成員函式了, 叫它 magnitude 吧, 函式應該要傳回一 double 的結果 在製作這個函式時你可能需要 C 標準函式庫中的 sqrt() 函式, 記得 #include <math.h> |
步驟九 | 接下來我們為了能夠在螢幕上顯示一個 Complex 物件的內容, 需要替這個類別加上一個 print() 的 public 成員函式, 任何時候只要呼叫 print() 就可以在螢幕 (cout) 上印出 a + b i 格式的資料 請注意我們想要列印一個複數, 可是選擇不要替 Complex 類別加上 getReal() 和 getImaginary() 的 accessor, 而是加上 print() 介面, 理由是在設計物件化的程式時我們需要 "盡力去維護類別的封裝", 通常 accessor 是偷懶的設計, 給了accessor 之後, 顯然不只可以完成列印的功能, 還可以完成很多很多其他的功能, 雖然比起直接把資料成員設為 public 好, 但是這樣的封裝還是有名無實的, 比較起來算是失敗的 如果你考量到也許有些程式裡需要把 Complex 物件輸出到檔案串流裡, 你也可以把介面設計成 print(ostream& out), 測試時就把螢幕串流 cout 傳遞進去 |
步驟十 | 此時我們可以把前面放在 main() 中的所有的類別功能測試的程式碼, 集合起來到一個 unitTest() 的成員函式內, 這樣子的函式是物件導向程式作 "架構調整 (refactoring)" 時很重要的憑據, 有了 unitTest() 之後你才可以放心的修改你自己的程式, 不用擔心把原先已經測試過的程式改成錯的了, 這也是你寫的程式模組的品質管理的最基本方法。 然後你可以在 main() 中呼叫這個 unitTest() 的函式來執行單元測試 可是這個時後如果我們把 unitTest() 定義為一個成員函式, 你會發現在 main() 函式中你需要寫 Complex dummy; dummy.unitTest(); 才能夠呼叫 unitTest() 這個成員函式, 可是呼叫 unitTest 時並不是想要傳遞什麼訊息給 dummy 物件, 上面這樣子用起來不太合理; 如果你使用 static 保留字來宣告 unitTest(), 也就是用下列的語法來宣告: class Complex { ... public: static void unitTest(); ... };如此宣告出來的成員函式稱為類別成員函式 class method, 不屬於任何一個物件, 所以在呼叫的時候不需要透過物件來呼叫它: 直接寫 Complex::unitTest(); 就可以呼叫它了, 這也是你剛才在運用加入/加入函式 功能時勾選那個 Static 的選項的意義 請注意一個 static 的成員函式裡面並沒有一般成員函式裡面那個隱藏的 this 指標, 也沒有辦法像一般的成員函式一樣, 寫 m_real/m_imaginary 就代表那個接受訊息的物件的兩個資料成員 |
步驟十一 | 現在我們應該要在 main() 函式裡寫一個比較實際的應用程式, 請由鍵盤輸入一個二元一次方程式 a x2
+ b x + c = 0 的實數係數 a, b, c, 請利用公式:
請注意: 對於我們今天寫的 Complex 類別來說, 你可以用下面兩種不同的敘述來拷貝一個 Complex 物件 x 到另外一個 Complex 物件 y 或是 z 去 Complex x; x.setValue(10, 20); Complex y = x; // copy constructor 拷貝建構元 Complex z; z = x; // assignment operator 設定運算子我們在以後的課程裡會介紹這兩種寫法的不同, 也會解釋為什麼像 Complex 這樣子單純的類別可以使用 C++ compiler 預設的運算, 很多我們自己設計的類別是不能用compiler 提供的預設方法來拷貝資料的 |
步驟十二 | 請助教檢查後, 將所完成的 專案 (只需保留 .cpp, .h, .sln 以及 .vcxproj 檔案即可; 刪除掉 .suo, .sdf, .filters, .users, debug\ 資料匣, 以及 ipch\ 資料匣下的所有內容) 壓縮起來, 選擇 Lab3-1 上傳, 後面的實習課程需要使用這裡所完成的程式 |
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C++ 物件導向程式設計課程
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製作日期: 03/13/2013 by 丁培毅 (Pei-yih Ting) E-mail: pyting@mail.ntou.edu.tw TEL: 02 24622192x6615 海洋大學 電機資訊學院 資訊工程學系 Lagoon |