Lớp và đối tượng-dẫn nhập

Bây giờ chúng ta bắt đầu tìm hiểu về lập trình hướng đối tượng trong C++. Trong các phần sau, chúng ta cũng tìm hiểu về các kỹ thuật của thiết kế hướng đối tượng (Object-Oriented Design OOD): Chúng ta phân tích một vấn đề cụ thể, xác định các đối tượng nào cần để cài đặt hệ thống, xác định các thuộc tính nào mà đối tượng phải có, xác định hành vi nào mà đối tượng cần đưa ra, và chỉ rõ làm thế nào các đối tượng cần tương tác với đối tượng khác để thực hiện các mục tiêu tổng thể của hệ thống.

Chúng ta nhắc lại các khái niệm và thuật ngữ chính của đính hướng đối tượng. OOP đóng gói dữ liệu (các thuộc tính) và các hàm (hành vi) thành gói gọi là các đối tượng. Dữ liệu và các hàm của đối tượng có sự liên hệ mật thiết với nhau. Các đối tượng có các đặc tính của việc che dấu thông tin. Điều này nghĩa là mặc dù các đối tượng có thể biết làm thế nào liên lạc với đối tượng khác thông qua các giao diện hoàn toàn xác định, bình thường các đối tượng không được phép biết làm thế nào các đối tượng khác được thực thi, các chi tiết của sự thi hành được dấu bên trong các đối tượng.

Trong C và các ngôn ngữ lập trình thủ tục, lập trình có khuynh hướng định hướng hành động, trong khi ý tưởng trong lập trình C++ là định hướng đối tượng. Trong C, đơn vị của lập trình là hàm; trong C++, đơn vị của lập trình là lớp (class) .

Các lập trình viên C tập trung vào viết các hàm. Các nhóm của các hành động mà thực hiện vài công việc được tạo thành các hàm, và các hàm được nhóm thành các chương trình. Dữ liệu thì rất quan trọng trong C, nhưng quan điểm là dữ liệu tồn tại chính trong việc hỗ trợ các hàm động mà hàm thực hiện. Các động từ trong một hệ thống giúp cho lập trình viên C xác định tập các hàm mà sẽ hoạt động cùng với việc thực thi hệ thống.

Các lập trình viên C++ tập trung vào việc tạo ra "các kiểu do người dùng định nghĩa" (user-defined types) gọi là các lớp. Các lớp cũng được tham chiếu như "các kiểu do lập trình viên định nghĩa" (programmer-defined types). Mỗi lớp chứa dữ liệu cũng như tập các hàm mà xử lý dữ liệu. Các thành phần dữ liệu của một lớp được gọi là "các thành viên dữ liệu" (data members). Các thành phần hàm của một lớp được gọi là "các hàm thành viên" (member functions). Giống như thực thể của kiểu có sẵn như int được gọi là một biến, một thực thể của kiểu do người dùng định nghĩa (nghĩa là một lớp) được gọi là một đối tượng. Các danh từ trong một hệ thống giúp cho lập trình viên C++ xác định tập các lớp. Các lớp này được sử dụng để tạo các đối tượng mà sẽ sẽ hoạt động cùng với việc thực thi hệ thống.

Các lớp trong C++ được tiến hóa tự nhiên của khái niệm struct trong C. Trước khi tiến hành việc trình bày các lớp trong C++, chúng ta tìm hiểu về cấu trúc, và chúng ta xây dựng một kiểu do người dùng định nghĩa dựa trên một cấu trúc.

Ví dụ 3.1: Chúng ta xây dựng kiểu cấu trúc Time với ba thành viên số nguyên: Hour, Minute và second. Chương trình định nghĩa một cấu trúc Time gọi là DinnerTime. Chương trình in thời gian dưới dạng giờ quân đội và dạng chuẩn.

CT3_1.CPP1: #include <iostream.h>2:3: struct Time4: {5:    int Hour; // 0-236:    int Minute; // 0-597:    int Second; // 0-598: };9:10: void PrintMilitary(const Time &); //prototype11: void PrintStandard(const Time &); //prototype12:13: int main()14: {15:    Time DinnerTime;16:17:    //Thiết lập các thành viên với giá trị hợp lệ18:    DinnerTime.Hour = 18;19:    DinnerTime.Minute = 30;20:    DinnerTime.Second = 0;21:22:    cout << "Dinner will be held at ";23:    PrintMilitary(DinnerTime);24:    cout << " military time," << endl << "which is ";25:    PrintStandard(DinnerTime);26:    cout << " standard time." << endl;27:28:    //Thiết lập các thành viên với giá trị không hợp lệ29:    DinnerTime.Hour = 29;30:    DinnerTime.Minute = 73;31:    DinnerTime.Second = 103;32:33:    cout << endl << "Time with invalid values: ";34:    PrintMilitary(DinnerTime);35:    cout << endl;36:    return 0;37: }

Chúng ta chạy ví dụ 3.1, kết quả ở hình 3.1

Hình 3.1: Kết quả của ví dụ 3.1

Có một vài hạn chế khi tạo các kiểu dữ liệu mới với các cấu trúc ở phần trên. Khi việc khởi tạo không được yêu cầu, có thể có dữ liệu chưa khởi tạo và các vấn đề nảy sinh. Ngay cả nếu dữ liệu được khởi tạo, nó có thể khởi tạo không chính xác. Các giá trị không hợp lệ có thể được gán cho các thành viên của một cấu trúc bởi vì chương trình trực tiếp truy cập dữ liệu. Chẳng hạn ở ví dụ 3.1 ở dòng 29 đến dòng 31, chương trình gán các giá trị không hợp lệ cho đối tượng DinnerTime. Nếu việc cài đặt của struct thay đổi, tất cả các chương trình sử dụng struct phải thay đổi. Điều này do lập trình viên trực tiếp thao tác kiểu dữ liệu. Không có "giao diện" để bảo đảm lập trình viên sử dụng dữ liệu chính xác và bảo đảm dữ liệu còn lại ở trạng thái thích hợp. Mặt khác, cấu trúc trong C không thể được in như một đơn vị, chúng được in khi các thành viên được in. Các cấu trúc trong C không thể so sánh với nhau, chúng phải được so sánh thành viên với thành viên.

Phần sau cài đặt lại cấu trúc Time ở ví dụ 3.1 như một lớp và chứng minh một số thuận lợi để việc tạo ra cái gọi là các kiểu dữ liệu trừu tượng (Abstract Data Types – ADT) như các lớp. Chúng ta sẽ thấy rằng các lớp và các cấu trúc có thể sử dụng gần như giống nhau trong C++. Sự khác nhau giữa chúng là thuộc tính truy cập các thành viên.

Các lớp cho phép lập trình viên mô hình các đối tượng mà có các thuộc tính (biểu diễn như các thành viên dữ liệu – Data members) và các hành vi hoặc các thao tác (biểu diễn như các hàm thành viên – Member functions). Các kiểu chứa các thành viên dữ liệu và các hàm thành viên được định nghĩa thông thường trong C++ sử dụng từ khóa class, có cú pháp như sau:

class <class-name>

{

<member-list> //Thân của lớp

};

Trong đó:

class-name: tên lớp.

member-list: đặc tả các thành viên dữ liệu và các hàm thành viên.

Các hàm thành viên đôi khi được gọi là các phương thức (methods) trong các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng khác, và được đưa ra trong việc đáp ứng các message gởi tới một đối tượng. Một message tương ứng với việc gọi hàm thành viên.

Khi một lớp được định nghĩa, tên lớp có thể được sử dụng để khai báo đối tượng của lớp theo cú pháp sau:

<class-name> <object-name>;

Chẳng hạn, cấu trúc Time sẽ được định nghĩa dưới dạng lớp như sau:

class Time

{

public:

Time();

void SetTime(int, int, int)

void PrintMilitary();

void PrintStandard()

private:

int Hour; // 0 - 23

int Minute; // 0 - 59

int Second; // 0 - 59

};

Trong định nghĩa lớp Time chứa ba thành viên dữ liệu là Hour, Minute và Second, và cũng trong lớp này, chúng ta thấy các nhãn public và private được gọi là các thuộc tính xác định truy cập thành viên (member access specifiers) gọi tắt là thuộc tính truy cập.

Bất kỳ thành viên dữ liệu hay hàm thành viên khai báo sau public có thể được truy cập bất kỳ nơi nào mà chương trình truy cập đến một đối tượng của lớp. Bất kỳ thành viên dữ liệu hay hàm thành viên khai báo sau private chỉ có thể được truy cập bởi các hàm thành viên của lớp. Các thuộc tính truy cập luôn luôn kết thúc với dấu hai chấm (:) và có thể xuất hiện nhiều lần và theo thứ tự bất kỳ trong định nghĩa lớp. Mặc định thuộc tính truy cập là private.

Định nghĩa lớp chứa các prototype của bốn hàm thành viên sau thuộc tính truy cập public là Time(), SetTime(), PrintMilitary() và PrintStandard(). Đó là các hàm thành viên public (public member function) hoặc giao diện (interface) của lớp. Các hàm này sẽ được sử dụng bởi các client (nghĩa là các phần của một chương trình mà là các người dùng) của lớp xử lý dữ liệu của lớp. Có thể nhận thấy trong định nghĩa lớp Time, hàm thành viên Time() có cùng tên với tên lớp Time, nó được gọi là hàm xây dựng (constructor function) của lớp Time.

Một constructor là một hàm thành viên đặc biệt mà khởi động các thành viên dữ liệu của một đối tượng của lớp. Một constructor của lớp được gọi tự động khi đối tượng của lớp đó được tạo.

Thông thường, các thành viên dữ liệu được liệt kê trong phần private của một lớp, còn các hàm thành viên được liệt kê trong phần public. Nhưng có thể có các hàm thành viên private và thành viên dữ liệu public.

Khi lớp được định nghĩa, nó có thể sử dụng như một kiểu trong phần khai báo như sau:

Time Sunset, // Đối tượng của lớp Time

ArrayTimes[5], // Mảng các đối tượng của lớp Time

*PTime, // Con trỏ trỏ đến một đối tượng của lớp Time

&DinnerTime = Sunset; // Tham chiếu đến một đối tượng của lớp Time

Ví dụ 3.2: Xây dựng lại lớp Time ở ví dụ 3.1

CT3_2.CPP1: #include <iostream.h>2:3: class Time4: {5:    public:6:    Time();  //Constructor7:    void SetTime(int, int, int); //Thiết lập Hour, Minute va Second8:    void PrintMilitary(); //In thời gian dưới dạng giờ quân đội9:    void PrintStandard(); //In thời gian dưới dạng chuẩn10:   private:11:   int Hour; // 0 - 2312:   int Minute; // 0 - 5913:   int Second; // 0 - 5914: };15:16: //Constructor khởi tạo mỗi thành viên dữ liệu với giá trị zero17: //Bảo đảm tất cả các đối tượng bắt đầu ở một trạng thái thích hợp18: Time::Time()19: {20: Hour = Minute = Second = 0;21: }22:23: //Thiết lập một giá trị Time mới sử dụng giờ quânđội24: //Thực hiện việc kiểm tra tính hợp lệ trên các giá trị dữ liệu25: //Thiết lập các giá trị không hợp lệ thành zero26: void Time::SetTime(int H, int M, int S)27: {28:    Hour = (H >= 0 && H < 24) ? H : 0;29:    Minute = (M >= 0 && M < 60) ? M : 0;30:    Second = (S >= 0 && S < 60) ? S : 0;31: }32:33: //In thời gian dưới dạng giờ quân đội34: void Time::PrintMilitary()35: {36:    cout << (Hour < 10 ? "0" : "") << Hour << ":"37:         << (Minute < 10 ? "0" : "") << Minute << ":"38:         << (Second < 10 ? "0" : "") << Second;39: }40:41: //In thời gian dưới dạng chuẩn42: void Time::PrintStandard()43: {44:    cout << ((Hour == 0 || Hour == 12) ? 12 : Hour % 12)44:         << ":" << (Minute < 10 ? "0" : "") << Minute45:         << ":" << (Second < 10 ? "0" : "") << Second46:         << (Hour < 12 ? " AM" : " PM");48: }49:50: int main()51: {52:    Time T; //Đối tượng T của lớp Time53:54:    cout << "The initial military time is ";55:    T.PrintMilitary();56:    cout << endl << "The initial standard time is ";57:    T.PrintStandard();58:59:    T.SetTime(13, 27, 6);60:    cout << endl << endl << "Military time after SetTime is ";61:    T.PrintMilitary();62:    cout << endl << "Standard time after SetTime is ";63:    T.PrintStandard();64:65:    T.SetTime(99, 99, 99); //Thử thiết lập giá trị không hợp lệ66:    cout << endl << endl << "After attempting invalid settings:"67:          << endl << "Military time: ";68:    T.PrintMilitary();69:    cout << endl << "Standard time: ";70:    T.PrintStandard();71:    cout << endl;72:    return 0;73: }

Chúng ta chạy ví dụ 3.2, kết quả ở hình 3.2

Hình 3.2: Kết quả của ví dụ 3.2

Trong ví dụ 3.2, chương trình thuyết minh một đối tượng của lớp Time gọi là T (dòng 52). Khi đó constructor của lớp Time tự động gọi và rõ ràng khởi tạo mỗi thành viên dữ liệu private là zero. Sau đó thời gian được in dưới dạng giờ quân đội và dạng chuẩn để xác nhận các thành viên này được khởi tạo thích hợp (dòng 54 đến 57). Kế tới thời gian được thiết lập bằng cách sử dụng hàm thành viên SetTime() (dòng 59) và thời gian lại được in ở hai dạng (dòng 60 đến 63). Cuối cùng hàm thành viên SetTime() (dòng 65) thử thiết lập các thành viên dữ liệu với các giá trị không hợp lệ, và thời gian lại được in ở hai dạng (dòng 66 đến 70).

Chúng ta nhận thấy rằng, tất cả các thành viên dữ liệu của một lớp không thể khởi tạo tại nơi mà chúng được khai báo trong thân lớp. Các thành viên dữ liệu này phải được khởi tạo bởi constructor của lớp hay chúng có thể gán giá trị bởi các hàm thiết lập.

Khi một lớp được định nghĩa và các hàm thành viên của nó được khai báo, các hàm thành viên này phải được định nghĩa. Mỗi hàm thành viên của lớp có thể được định nghĩa trực tiếp trong thân lớp (hiển nhiên bao gồm prototype hàm của lớp), hoặc hàm thành viên có thể được định nghĩa sau thân lớp. Khi một hàm thành viên được định nghĩa sau định nghĩa lớp tương ứng, tên hàm được đặt trước bởi tên lớp và toán tử định phạm vi (::). Chẳng hạn như ở ví dụ 3.2 gồm các dòng 18, 26, 34 và 42. Bởi vì các lớp khác nhau có thể có các tên thành viên giống nhau, toán tử định phạm vi "ràng buộc" tên thành viên tới tên lớp để nhận dạng các hàm thành viên của một lớp.

Mặc dù một hàm thành viên khai báo trong định nghĩa một lớp có thể định nghĩa bên ngoài định nghĩa lớp này, hàm thành viên đó vẫn còn bên trong phạm vi của lớp, nghĩa là tên của nó chỉ được biết tới các thành viên khác của lớp ngoại trừ tham chiếu thông qua một đối tượng của lớp, một tham chiếu tới một đối tượng của lớp, hoặc một con trỏ trỏ tới một đối tượng của lớp.

Nếu một hàm thành viên được định nghĩa trong định nghĩa một lớp, hàm thành viên này chính là hàm inline. Các hàm thành viên định nghĩa bên ngoài định nghĩa một lớp có thể là hàm inline bằng cách sử dụng từ khóa inline.

Hàm thành viên cùng tên với tên lớp nhưng đặt trước là một ký tự ngã (~) được gọi là destructor của lớp này. Hàm destructor làm "công việc nội trợ kết thúc" trên mỗi đối tượng của lớp trước khi vùng nhờ cho đối tượng được phục hồi bởi hệ thống.

Ví dụ 3.3: Lấy lại ví dụ 3.2 nhưng hai hàm PrintMilitary() và PrintStandard() là các hàm inline.

A.CPP1: #include <iostream.h>2: 3: class Time4: {5: public:6: Time(); ; //Constructor7: void SetTime(int, int, int); // Thiết lập Hour, Minute va Second8: void PrintMilitary() // In thời gian dưới dạng giờ quânđội9: {10: cout << (Hour < 10 ? "0" : "") << Hour << ":"11:          << (Minute < 10 ? "0" : "") << Minute << ":"12:          << (Second < 10 ? "0" : "") << Second;13: }14: void PrintStandard(); // In thời gian dưới dạng chuẩn 15: private:16: int Hour; // 0 - 2317: int Minute; // 0 - 5918: int Second; // 0 - 5919: };20: //Constructor khởi tạo mỗi thành viên dữ liệu với giá trị zero21: //Bảo đảm tất cả các đối tượng bắt đầu ở một trạng thái thích hợp22: Time::Time()23: {24: Hour = Minute = Second = 0;25: }26:27: #9; //Thiết lập một giá trị Time mới sử dụng giờ quân đội28: #9; //Thực hiện việc kiểm tra tính hợp lệ trên các giá trị dữ liệu29: #9; //Thiết lập các giá trị không hợp lệ thành zero30: void Time::SetTime(int H, int M, int S)31: {32: Hour = (H >= 0 && H < 24) ? H : 0;33: Minute = (M >= 0 && M < 60) ? M : 0;34: Second = (S >= 0 && S < 60) ? S : 0;35: }36:37: #9; //In thời gian dưới dạng chuẩn38: inline void Time::PrintStandard()39: {40: cout << ((Hour == 0 || Hour == 12) ? 12 : Hour % 12)41:       << ":" << (Minute < 10 ? "0" : "") << Minute42:       << ":" << (Second < 10 ? "0" : "") << Second43: << (Hour < 12 ? " AM" : " PM");44: }45:46: int main()47: {48: Time T;49:50: cout << "The initial military time is ";51: T.PrintMilitary();52: cout << endl << "The initial standard time is ";53: T.PrintStandard();54:55: T.SetTime(13, 27, 6);56: cout << endl << endl << "Military time after SetTime is ";57: T.PrintMilitary();58: cout << endl << "Standard time after SetTime is ";59: T.PrintStandard();60:61: T.SetTime(99, 99, 99); //Thử thiết lập giá trị không hợp lệ62: cout << endl << endl << "After attempting invalid settings:"63:       << endl << "Military time: ";64: T.PrintMilitary();65: cout << endl << "Standard time: ";66: T.PrintStandard();67: cout << endl;68: return 0;69: }

Chúng ta chạy ví dụ 3.3, kết quả ở hình 3.3

Hình 3.3: Kết quả của ví dụ 3.3

Các thành viên dữ liệu của một lớp (các biến khai báo trong định nghĩa lớp) và các hàm thành viên (các hàm khai báo trong định nghĩa lớp) thuộc vào phạm vi của lớp.

Trong một phạm vi lớp, các thành viên của lớp được truy cập ngay lập tức bởi tất cả các hàm thành viên của lớp đó và có thể được tham chiếu một cách dễ dàng bởi tên. Bên ngoài một phạm vi lớp, các thành viên của lớp được tham chiếu thông qua hoặc một tên đối tượng, một tham chiếu đến một đối tượng, hoặc một con trỏ tới đối tượng.

Các hàm thành viên của lớp có thể được đa năng hóa (overload), nhưng chỉ bởi các hàm thành viên khác của lớp. Để đa năng hóa một hàm thành viên, đơn giản cung cấp trong định nghĩa lớp một prototype cho mỗi phiên bản của hàm đa năng hóa, và cung cấp một định nghĩa hàm riêng biệt cho mỗi phiên bản của hàm.

Các hàm thành viên có phạm vi hàm trong một lớp – các biến định nghĩa trong một hàm thành viên chỉ được biết tới hàm đó. Nếu một hàm thành viên định nghĩa một biến cùng tên với tên một biến trong phạm vi lớp, biến phạm vi lớp được dấu bởi biến phạm vi hàm bên trong phạm vi hàm. Như thế một biến bị dấu có thể được truy cập thông qua toán tử định phạm vi.

Các toán tử được sử dụng để truy cập các thành viên của lớp được đồng nhất với các toán tử sử dụng để truy cập các thành viên của cấu trúc. Toán tử lựa chọn thành viên dấu chấm (.) được kết hợp với một tên của đối tượng hay với một tham chiếu tới một đối tượng để truy cập các thành viên của đối tượng. Toán tử lựa chọn thành viên mũi tên (->)được kết hợp với một con trỏ trỏ tới một truy cập để truy cập các thành viên của đối tượng.

Ví dụ 3.4: Chương trình sau minh họa việc truy cập các thành viên của một lớp với các toán tử lựa chọn thành viên.

CT3_4.CPP1: #include <iostream.h>2: 3: class Count4: {5:     public:6:     int X;7:     void Print()8:     {9:         cout << X << endl;10:     }11: };12:13: int main()14: {15:     Count Counter, //Tạo đối tượng Counter16:     *CounterPtr = &Counter, //Con trỏ trỏ tới Counter17:     &CounterRef = Counter; //Tham chiếu tới Counter18:19:     cout << "Assign 7 to X and Print using the object's name: ";20:     Counter.X = 7; //Gán 7 cho thành viên dữ liệu X21:     Counter.Print(); //Gọi hàm thành viên Print22:23:     cout << "Assign 8 to X and Print using a reference: ";24:     CounterRef.X = 8; //Gán 8 cho thành viên dữ liệu X25:     CounterRef.Print(); //Gọi hàm thành viên Print26:27:     cout << "Assign 10 to X and Print using a pointer: ";28:     CounterPtr->X = 10; // Gán 10 cho thành viên dữ liệu X29:     CounterPtr->Print(); //Gọi hàm thành viên Print30:     return 0;31: }

Chúng ta chạy ví dụ 3.4, kết quả ở hình 3.4

Hình 3.4: Kết quả của ví dụ 3.4

Các thuộc tính truy cập public và private (và protected chúng ta sẽ xem xét sau) được sử dụng để điều khiển truy cập tới các thành viên dữ liệu và các hàm thành viên của lớp. Chế độ truy cập mặc định đối với lớp là private vì thế tất cả các thành viên sau phần header của lớp và trước nhãn đầu tiên là private. Sau mỗi nhãn, chế độ mà được kéo theo bởi nhãn đó áp dụng cho đến khi gặp nhãn kế tiếp hoặc cho đến khi gặp dấu móc phải (}) của phần định nghĩa lớp. Các nhãn public, private và protected có thể được lặp lại nhưng cách dùng như vậy thì hiếm có và có thể gây khó hiểu.

Các thành viên private chỉ có thể được truy cập bởi các hàm thành viên (và các hàm friend) của lớp đó. Các thành viên public của lớp có thể được truy cập bởi bất kỳ hàm nào trong chương trình.

Mục đích chính của các thành viên public là để biểu thị cho client của lớp một cái nhìn của các dịch vụ (services) mà lớp cung cấp. Tập hợp này của các dịch vụ hình thành giao diện public của lớp. Các client của lớp không cần quan tâm làm thế nào lớp hoàn thành các thao tác của nó. Các thành viên private của lớp cũng như các định nghĩa của các hàm thành viên public của nó thì không phải có thể truy cập tới client của một lớp. Các thành phần này hình thành sự thi hành của lớp.

Ví dụ 3.5: Chương trình sau cho thấy rằng các thành viên private chỉ có thể truy cập thông qua giao diện public sử dụng các hàm thành viên public.

CT3_5.CPP1: #include <iostream.h>2: 3: class MyClass4: {5: private:6: int X,Y;7: public:8: void Print();9: };10:11: void MyClass::Print()12: {13: cout <<X<<Y<<endl;14: }15:16: int main()17: {18: MyClass M;19:20: M.X = 3; //Error: 'MyClass::X' is not accessible21: M.Y = 4; //Error: 'MyClass::Y' is not accessible22: M.Print();23: return 0;24: }

Khi chúng ta biên dịch chương trình này, compiler phát sinh ra hai lỗi tại hai dòng 20 và 21 như sau:

Hình 3.5: Thông báo lỗi của ví dụ 3.5

Thuộc tính truy cập mặc định đối với các thành viên của lớp là private. Thuộc tính truy cập các thành viên của một lớp có thể được thiết lập rõ ràng là public, protected hoặc private. Thuộc tính truy cập mặc định đối với các thành viên của struct là public. Thuộc tính truy cập các thành viên của một struct cũng có thể được thiết lập rõ ràng là public, protected hoặc private.

Truy cập đến một dữ liệu private cần phải được điều khiển cẩn thận bởi việc sử dụng của các hàm thành viên, gọi là các hàm truy cập (access functions).