Ngôn ngữ lập trình - Bài 8: Đa hình và hàm ảo

Nội dung text: Ngôn ngữ lập trình - Bài 8: Đa hình và hàm ảo

1. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH Bài 8: Đa Hình và Hàm Ảo Giảng viên: Lê Nguyễn Tuấn Thành Email: thanhlnt@tlu.edu.vn Bộ Môn Công Nghệ Phần Mềm – Khoa CNTT Trường Đại Học Thủy Lợi
2. NỘI DUNG 1. Đa hình (Polymorphism) 2. Cơ bản về Hàm ảo (Virtual Function)  Gắn kết trễ (Late binding)  Cài đặt hàm ảo  Khi nào sử dụng hàm ảo?  Hàm ảo thuần (Pure Virtual Function) và Lớp trừu tượng (Abstract Class) 3. Con trỏ và Hàm ảo  Mở rộng tương thích kiểu  Ép kiểu lên (Upcasting)  Ép kiểu xuống (Downcasting) 2 Bài gi ảng có sử dụng hình vẽ trong cuốn sách “Practical Debugging in C++, A. Ford and T. Teorey, Prentice Hall, 2002”
3. ĐA HÌNH (POLYMORPHISM) Một trong ba trụ cột quan trọng trong OOP Đa hình (Polymorphism) là hiện tượng các đối tượng thuộc các lớp khác nhau hiểu cùng một thông điệp theo các cách khác nhau Ví dụ: cùng là thông điệp “nhảy”, một con kangaroo và một con cóc sẽ nhảy hai kiểu khác nhau.  Chúng có cùng hành vi “nhảy” nhưng nội dung của hành vi này là khác nhau 3
4. CƠ BẢN VỀ HÀM ẢO Hàm ảo  Hàm ảo cung cấp khả năng đa hình này  Hàm có thể được “sử dụng” trước khi thực sự được định nghĩa 4
5. VÍ DỤ VỚI CÁC LỚP MÔ TẢ HÌNH VẼ (1/5) HÀM THÀNH VIÊN DRAW() Xây dựng các lớp cho nhiều kiểu hình vẽ khác nhau  Hình chữ nhật, hình tròn, hình oval  Mỗi hình cụ thể là đối tượng của những lớp này Dữ liệu hình chữ nhật: chiều cao, chiều rộng Dữ liệu hình tròn: tâm, bán kính Tất cả các lớp này đều kế thừa từ một lớp cha: Figure Các lớp này đều có hàm draw()  Mục đích là vẽ hình này trên màn hình  Mỗi lớp có cài đặt khác nhau tương ứng với mỗi loại hình vẽ 5
6. VÍ DỤ VỚI CÁC LỚP MÔ TẢ HÌNH VẼ (2/5) SỬ DỤNG HÀM THÀNH VIÊN DRAW() Mỗi lớp con cần định nghĩa hàm draw() riêng Có thể gọi hàm draw() của mỗi lớp, ví dụ: Rectangle r; Circle c; r.draw(); // Gọi hàm draw của lớp Rectangle c.draw(); // Gọi hàm draw của lớp Circle  Điều này là bình thường, chưa có gì đặc biệt ở đây! 6
7. VÍ DỤ VỚI CÁC LỚP MÔ TẢ HÌNH VẼ (3/5): HÀM THÀNH VIÊN CENTER() Lớp cha Figure bao gồm những hàm có thể áp dụng cho “tất cả” hình vẽ Xét hàm center() để di chuyển một hình vẽ từ vị trí hiện tại tới vị trí trung tâm màn hình  Cách làm: xóa hình vị ở vị trí hiện tại, sau đó vẽ lại tại vị trí trung tâm màn hình  Hàm Figure::center() sẽ sử dụng (gọi) hàm draw() để vẽ lại hình  Câu hỏi: Hàm draw() nào sẽ được gọi? Từ lớp nào? 7
8. VÍ DỤ VỚI CÁC LỚP MÔ TẢ HÌNH VẼ (4/5): ĐỊNH NGHĨA LỚP HÌNH VẼ MỚI Xét một lớp hình vẽ mới: lớp Triangle kế thừa từ lớp Figure Hàm center() của lớp Triangle kế thừa từ lớp cha Figure  Liệu hàm này có hoạt động được với lớp Triangle?  Hàm này sử dụng hàm draw() riêng của lớp Triangle!  Nếu hàm này sử dụng hàm Figure::draw() -> không hoạt động đúng với lớp Triangle Muốn: kế thừa hàm center() để sử dụng hàm Triangle::draw() chứ KHÔNG PHẢI hàm Figure::draw()  Nhưng lớp Triangle CHƯA ĐƯỢC định nghĩa khi hàm Figure::center() định nghĩa!  Không biết sự tồn tại lớp Triangle 8
9. VÍ DỤ VỚI CÁC LỚP MÔ TẢ HÌNH VẼ (5/5): HÀM ẢO Hàm ảo là câu trả lời cho vấn đề trên Nói với trình biên dịch:  Không biết hàm sẽ được cài đặt như thế nào  Đợi cho đến khi được sử dụng trong chương trình  Sau đó lấy phần cài đặt từ đối tượng cụ thể Được gọi là gắn kết trễ (late binding) hoặc gắn kết động (dynamic binding)  Những hàm ảo cài đặt cơ chế late binding 9
10. VÍ DỤ DOANH SỐ BÁN HÀNG (1/2) Xây dựng chương trình giúp lưu trữ hồ sơ cho một cửa hàng phụ tùng ô tô.  Mục đích: lưu trữ doanh số bán hàng  Không lường trước hết tất cả loại doanh số bán hàng  Đầu tiên chỉ là doanh số bán lẻ thông thường  Sau đó: doanh số bán hàng giảm giá, doanh số bán hàng qua thư điện tử, Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giá, thuế 10
11. VÍ DỤ DOANH SỐ BÁN HÀNG (2/2) Chương trình phải:  Tính toán số lượng lớn bán hàng mỗi ngày  Tính toán lượng bán hàng lớn nhất, nhỏ nhất trong ngày  Có thể là lượng bán hàng trung bình trong ngày Tất cả đều đến từ những hóa đơn riêng lẻ  Nhưng sau này nhiều hàm để tính hóa đơn sẽ được thêm vào!  Khi những loại doanh số bán hàng khác nhau được thêm vào Vì thế hàm để tính toán một hóa đơn sẽ là hàm ảo! 11
12. ĐỊNH NGHĨA LỚP SALE class Sale { public: Sale(); Sale(double thePrice); double getPrice() const; virtual double bill() const; double savings(const Sale& other) const; private: double price; }; 12
13. HÀM THÀNH VIÊN SAVINGS VÀ TOÁN TỬ < double Sale::savings(const Sale& other) const { return (bill() – other.bill()); } bool operator < ( const Sale& first, const Sale& second) { return (first.bill() < second.bill()); } Lưu ý: CẢ HAI hàm này đều sử dụng hàm bill()! 13
14. LỚP SALE Biểu diễn doanh số bán hàng cho mỗi mục đơn lẻ mà không tính tới yếu tố giảm giá hay phí tăng thêm Chú ý từ khóa virtual trong khai báo của hàm thành viên bill()  Tác dụng: sau đó, những lớp kế thừa của lớp Sale có thể định nghĩa những phiên bản hàm bill() của riêng chúng  Những hàm thành viên khác của lớp Sale sẽ sử dụng phiên bản hàm bill() dựa trên đối tượng của lớp con!  Chúng sẽ không tự động sử dụng phiên bản hàm bill() của lớp cha Sale! 14
15. ĐỊNH NGHĨA LỚP CON DISCOUNTSALE class DiscountSale : public Sale { public: DiscountSale(); DiscountSale( double thePrice, double the Discount); double getDiscount() const; void setDiscount(double newDiscount); double bill() const; private: double discount; }; 15
16. CÀI ĐẶT HÀM BILL CỦA LỚP CON DISCOUNTSALE double DiscountSale::bill() const { double fraction = discount/100; return (1 – fraction)*getPrice(); } Từ khóa virtual không xuất hiện trong cài đặt thực tế của hàm ảo  Tự động là hàm ảo trong lớp con  Khai báo (trong giao diện) cũng không yêu cầu phải có từ khóa virtual (nhưng thường được sử dụng) Hàm ảo trong lớp cơ sở sẽ tự động là hàm ảo trong lớp kế thừa Khai báo lớp con (trong giao diện)  Không yêu cầu phải có từ khóa virtual 16  Nhưng có thể viết thêm để dễ đọc, dễ phân biệt
17. LỚP CON DISCOUNTSALE Hàm thành viên bill() của lớp DiscountSale được cài đặt khác so với hàm này trong lớp cha Sale  Riêng biệt cho việc bán hàng giảm giá Hàm thành viên savings và toán tử <  Sẽ sử dụng định nghĩa này của hàm bill() cho tất cả các đối tượng của lớp con DiscountSale!  Thay vì phiên bản mặc định được định nghĩa trong lớp cha Sale! Nhớ lại: lớp Sale được viết trước lớp con DiscountSale  Hàm thành viên savings và toán tử < được biên dịch ngay cả trước khi có ý tưởng về tạo lớp con DiscountSale! DiscountSale d1; d1.savings(d2);  Lời gọi trong hàm savings này tới hàm bill() sẽ biết sử dụng 17 định nghĩa hàm bill() từ lớp DiscountSale!
18. THỰC THI HÀM ẢO BẰNG CÁCH NÀO? Để giải thích liên quan đến khái niệm gắn kết trễ (late binding)  Hàm ảo cài đặt late binding  Nói trình biên dịch đợi cho đến khi hàm được sử dụng trong chương trình  Quyết định phiên bản nào của hàm được sử dụng dựa trên đối tượng gọi Một khái niệm rất quan trọng trong OOP 18
19. GHI ĐÈ (OVERRIDING) Định nghĩa hàm ảo thay đổi trong một lớp kế thừa  Chúng ta gọi đó là “ghi đè” (overidden) Khác với nạp chồng (overloading) như thế nào ? Tương tự như định nghĩa lại cho các hàm chuẩn Phân biệt:  Hàm ảo thay đổi: ghi đè (overidden)  Hàm bình thường thay đổi: định nghĩa lại (redefined) 19
20. ĐIỂM YẾU CỦA VIỆC SỬ DỤNG HÀM ẢO Bỏ qua tất cả những lợi ích của hàm ảo như chúng ta đã thấy Hàm ảo có một bất lợi lớn: phụ phí (overhead)!  Sử dụng nhiều bộ nhớ hơn  Gắn kết trễ (late binding) khiến chương trình chạy chậm hơn Vì vậy nếu hàm ảo không thật cần thiết thì không nên sử dụng 20
21. HÀM ẢO THUẦN (PURE VIRTUAL FUNCTIONS) Lớp cơ sở có thể không có định nghĩa có nghĩa cho một vài thành viên của nó!  Mục đích của nó đơn giản là để cho những lớp khác kế thừa Nhớ lại lớp Figure  Tất cả các hình vẽ là đối tượng của lớp kế thừa cụ thể. Ví dụ: Rectangle, Circle, Triangle,  Lớp Figure không có ý niệm về việc bằng cách nào có thể vẽ được! Tạo một hàm ảo thuần: virtual void draw() = 0; 21
22. LỚP CƠ SỞ TRỪU TƯỢNG (ABSTRACT BASE CLASSES) Các hàm ảo thuần không yêu cầu định nghĩa  Bắt buộc các lớp kế thừa phải định nghĩa phiên bản hàm riêng của nó Lớp với một hay nhiều hàm ảo thuần gọi là: lớp cơ sở trừu tượng  Chỉ có thể được sử dụng như lớp cơ sở  Không thể tạo đối tượng từ lớp trừu tượng này. Bởi vì nó không có định nghĩa hoàn thiện của tất cả các thành viên! Nếu lớp thừa kế không định nghĩa tất cả hàm ảo thuần => Nó cũng sẽ là một lớp cơ sở trừu tượng 22
23. MỞ RỘNG TƯƠNG THÍCH KIỂU (TYPE COMPATIBILITY) Giả sử D là lớp kế thừa từ lớp cơ sở B  Đối tượng của lớp D có thể được gán cho đối tượng của lớp cơ sở B  Nhưng ngược lại thì không thể! Xét ví dụ trước:  Một đối tượng DiscountSale “là” một Sale, nhưng điều ngược lại không đúng 23
24. TƯƠNG THÍCH KIỂU – VÍ DỤ class Pet { public: string name; virtual void print() const; }; class Dog : public Pet { public: string breed; virtual void print() const; }; 24
25. SỬ DỤNG HAI LỚP PET VÀ DOG Xét khai báo sau: Dog vdog; Pet vpet; Chú ý các biến thành viên name và breed đều public! Chỉ nhằm mục đích minh họa Tất cả mọi thứ “là” dog thì đều “là” pet vdog.name = "Tiny"; vdog.breed = "Great Dane"; vpet = vdog; Có thể gán giá trị về kiểu của lớp cha, nhưng không có chiều ngược lại 25  Một pet “không là” một dog
26. VẤN ĐỀ MẤT MÁT THÔNG TIN (SLICING) Chú ý khi giá trị được gán về vpet, biến thành viên breed của nó bị mất đi  cout << vpet.breed; // sẽ tạo ra một thông báo lỗi  Được gọi là vấn đề mất mát thông tin (slicing) Điều này là hợp lý  Khi đối tượng của lớp Dog chuyển thành đối tượng của lớp Pet, nó sẽ được đối xử như một Pet Do đó không còn các thuộc tính của một Dog Vấn đề slicing gây phiền toái  vpet vẫn là một Greet Dane có tên là Tiny  Chúng ta muốn tham chiếu đến biến thành viên breed của nó kể cả khi nó được đối xử như một Pet 26  Có thể làm thế với con trỏ trỏ đến những biến động
27. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ SLICING Pet *ppet; Dog *pdog; pdog = new Dog; pdog->name = "Tiny"; pdog->breed = "Great Dane"; ppet = pdog; Không thể truy cập trường breed của đối tượng được trỏ tới bởi pet: cout breed; // Không hợp lệ! Phải sử dụng hàm ảo thành viên: ppet->print();  Gọi hàm thành viên print() trong lớp Dog! Bởi vì nó là hàm ảo  C++ s đ i đ nhìn đ i t ng con tr nào mà ppet th c ẽ ợ ể ố ượ ỏ ự 27 sự trỏ tới trước khi lời gọi được gắn kết (binding)
28. HÀM HỦY ẢO (VIRTUAL DESTRUCTORS) Hàm hủy cần giải phóng động dữ liệu được cấp phát Xét ví dụ: Base *pBase = new Derived; delete pBase;  Sẽ gọi hàm hủy của lớp cơ sở mặc dù pBase đang trỏ tới đối tượng của lớp Derived!  Xây dựng hàm hủy ảo sẽ giải quyết vấn đề này! Cách tốt là định nghĩa tất cả hàm hủy là hàm ảo 28
29. ÉP KIỂU (CASTING) Xét ví dụ: Pet vpet; Dog vdog; vdog = static_cast (vpet); // Không hợp lệ! Không thể ép một pet thành một dog, nhưng: vpet = vdog; // Hợp lệ! vpet = static_cast (vdog); // Hợp lệ! Ép kiểu lên (upcasting) là hợp lệ  Từ kiểu con cháu lên kiểu tổ tiên 29
30. ÉP KIỂU XUỐNG (DOWNCASTING) Ép kiểu xuống rất nguy hiểm!  Ép từ kiểu tổ tiên thành kiểu con cháu  Giả sử thông tin được thêm vào  Có thể được thực hiện với dynamic_cast Pet *ppet; ppet = new Dog; Dog *pdog = dynamic_cast (ppet); Hợp lệ, nhưng nguy hiểm Ép kiểu xuống hiếm khi dùng do một số nhược điểm  Phải kiểm tra xem tất cả thông tin có được thêm vào hay không 30  Tất cả hàm thành viên phải là hàm ảo
31. TÓM TẮT Gắn kết trễ (late binding) trì hoãn quyết định về việc hàm thành viên nào được gọi cho đến khi chạy chương trình  Trong C++, hàm ảo sử dụng cơ chế gắn kết trễ Hàm ảo thuần không có định nghĩa  Một lớp với ít nhất một hàm ảo thuần gọi là lớp trừu tượng  Không thể tạo đối tượng từ lớp trừu tượng  Được sử dụng chặt chẽ như là cơ sở của những lớp kế thừa khác Đối tượng của lớp kế thừa có thể được gán cho đối tượng của lớp cơ sở  Có thể một vài thông tin của lớp kế thừa bị mất => vấn đề cắt lát  Gán con trỏ và đối tượng động cho phép giải quyết vấn đề mất mát thông tin (slicing) Nên định nghĩa tất cả hàm hủy là hàm ảo  Đảm bảo bộ nhớ được giải phóng đúng cách 31
32. GIÁO TRÌNH THAM KHẢO Giáo trình chính: W. Savitch, Absolute C++, Addison Wesley, 2002 Tham khảo:  A. Ford and T. Teorey, Practical Debugging in C++, Prentice Hall, 2002  Nguyễn Thanh Thủy, Kĩ thuật lập trình C++, NXB Khoa học và Kĩ Thuật, 2006 32