| Laten we de belangrijkste verschillen tussen C-structs en C++-klassen op een rijtje zetten, en hoe deze verschillen het ontwerp en de implementatie van objectgeoriënteerde programma's in C en C++ beïnvloeden.
C-structuren versus C++-klassen:belangrijkste verschillen
| Kenmerk | C-structuur | C++-klasse | Impact op OOP |
|------------------|---------------------------------------- -|----------------------------------------|----------------|
| Standaardtoegang | `openbaar` (Leden zijn standaard toegankelijk) | `privé` (Leden zijn standaard niet toegankelijk)| Inkapseling |
| Lidfuncties (methoden) | Niet direct toegestaan. U kunt ze simuleren met behulp van functieaanwijzers. | Toegestaan. Klassen kunnen methoden (functies) hebben die op de gegevens van de klasse werken. | Inkapseling, gedrag |
| Erfenis | Niet ondersteund. | Ondersteund (enkele en meervoudige overerving). | Herbruikbaarheid, polymorfisme |
| Polymorfisme | Niet direct ondersteund. Vereist handmatige implementatie (bijvoorbeeld met behulp van functieaanwijzers en `void*`). | Ondersteund (virtuele functies, abstracte klassen, interfaces). | Flexibiliteit, uitbreidbaarheid |
| Constructeurs/Destructors | Niet ondersteund. Initialisatie wordt doorgaans uitgevoerd met toewijzings- of initialisatiefuncties. | Ondersteund. Constructors initialiseren objecten, destructors ruimen op. | Beheer van hulpbronnen |
| Overbelasting door operator | Niet ondersteund. | Ondersteund. Hiermee kunnen operators (+, -, *, ==, enz.) opnieuw worden gedefinieerd voor klasseobjecten. | Expressiviteit |
| Sjablonen | Niet ondersteund. | Ondersteund. Maakt generieke programmering mogelijk (het maken van klassen die met verschillende gegevenstypen kunnen werken). | Herbruikbaarheid van codes |
| Geheugentoewijzing | Meestal gebruikt voor statische toewijzing of stapeltoewijzing. Kan worden gebruikt met dynamisch toegewezen geheugen via pointers. | Hetzelfde als structs. In objectcontexten wordt over het algemeen de voorkeur gegeven aan het creëren van objecten op een hoop om polymorfisme te gebruiken. | Geheugenbeheer |
In detail:
1. Toegangscontrole (inkapseling):
- C-structuren: Alle leden van een C-structuur zijn standaard 'openbaar'. Dit betekent dat elk deel van uw code rechtstreeks toegang heeft tot de gegevens binnen de struct en deze kan wijzigen. Er is geen ingebouwde manier om interne gegevens te verbergen of de toegang te beperken.
- C++-klassen: De standaardtoegangsspecificatie voor een C++-klasse is `private`. Dit betekent dat lidvariabelen en -functies standaard alleen toegankelijk zijn vanuit de klasse zelf of vanuit de bijbehorende klassen/functies. U gebruikt de trefwoorden 'public', 'protected' en 'private' om de zichtbaarheid van klasleden te bepalen. Dit is cruciaal voor inkapseling , een van de kernprincipes van OOP.
2. Lidfuncties (methoden):
- C-structuren: C-structuren *kunnen* niet rechtstreeks functies (methoden) als leden bevatten. Om functies aan een struct te koppelen, gebruikt u doorgaans functieaanwijzers als leden van de struct. Dit is een meer indirecte en minder geïntegreerde aanpak.
- C++-klassen: Klassen *kunnen* lidfuncties (methoden) bevatten. Deze methoden werken op de gegevens binnen de klasse en bieden een manier om te communiceren met de status van het object en deze te manipuleren. Hierdoor worden de gegevens en de functies die erop werken nauw met elkaar verbonden, waardoor de organisatie en onderhoudbaarheid worden verbeterd.
3. Erfenis:
- C-structuren: C-structuren ondersteunen *geen* overerving. U kunt geen nieuwe structuur maken die de leden van een bestaande structuur overneemt.
- C++-klassen: C++-klassen ondersteunen overerving *wel*. Hierdoor kunt u nieuwe klassen (afgeleide klassen of subklassen) maken die de eigenschappen en het gedrag van bestaande klassen (basisklassen of superklassen) overnemen. Dit bevordert het hergebruik van code en stelt u in staat relaties tussen objecten te modelleren (bijvoorbeeld een klasse `Dog` die overerft van een klasse `Animal`). U kunt ook gebruik maken van meervoudige overerving (erven van meerdere basisklassen).
4. Polymorfisme:
- C-structuren: C-structuren bieden geen directe ondersteuning voor polymorfisme (het vermogen van een object om vele vormen aan te nemen). Je kunt polymorfisme *simuleren* in C met behulp van functieaanwijzers en `void*`, maar het vereist meer handmatige codering en is minder elegant. U maakt in feite een tabel met functieaanwijzers en selecteert de juiste functie om aan te roepen op basis van het type object.
- C++-klassen: C++ biedt ingebouwde ondersteuning voor polymorfisme door:
- Virtuele functies: Gedeclareerd met het trefwoord 'virtueel' in de basisklasse. Wanneer een virtuele functie wordt aangeroepen via een pointer of verwijzing naar een basisklasseobject, wordt de daadwerkelijke functie die wordt uitgevoerd tijdens runtime bepaald op basis van het *actual* type van het object (dynamische verzending).
- Abstracte klassen: Een klasse met ten minste één puur virtuele functie (gedeclareerd als `=0`). Abstracte klassen kunnen niet rechtstreeks worden geïnstantieerd, maar ze definiëren een interface die afgeleide klassen moeten implementeren.
5. Constructeurs en Destructors:
- C-structuren: C-structuren hebben geen constructors of destructors. Initialisatie wordt doorgaans uitgevoerd door waarden toe te wijzen aan de struct-leden nadat de struct is gedeclareerd, of door initialisatiefuncties te gebruiken. Opschonen (dynamisch toegewezen geheugen vrijgeven) moet ook handmatig worden gedaan.
- C++-klassen: C++-klassen hebben constructors (speciale lidfuncties die automatisch worden aangeroepen wanneer een object van de klasse wordt gemaakt) en destructors (speciale lidfuncties die automatisch worden aangeroepen wanneer een object wordt vernietigd). Constructors worden gebruikt om de gegevensleden van het object te initialiseren, en destructors worden gebruikt om alle bronnen vrij te geven die het object bevat (bijvoorbeeld dynamisch toegewezen geheugen).
6. Overbelasting door operator:
- C-structuren: Overbelasting van operators wordt niet ondersteund in C. Je kunt de betekenis van operators (zoals +, -, ==) voor structs niet opnieuw definiëren.
- C++-klassen: Met C++ kunt u operators voor klasseobjecten overbelasten. Dit betekent dat u kunt definiëren wat het betekent om twee objecten van uw klasse bij elkaar op te tellen, ze te vergelijken op gelijkheid, enz. Dit kan uw code expressiever en gemakkelijker leesbaar maken.
7. Sjablonen:
- C-structuren: C heeft geen sjablonen.
- C++-klassen: C++ ondersteunt sjablonen, waarmee u generieke code kunt schrijven die met verschillende gegevenstypen kan werken zonder dat u de code voor elk type hoeft te herschrijven. Dit is een krachtige functie voor hergebruik van code.
Impact op ontwerpimplementatie van objectgeoriënteerde programma's in C:
Vanwege deze beperkingen is het schrijven van echt objectgeoriënteerde programma's in C *aanzienlijk* uitdagender en vereist het een andere aanpak. Veel van de functies die in C++-klassen zijn ingebouwd, moeten handmatig worden geïmplementeerd. Zo kunt u OOP-ontwerp in C benaderen:
1. Inkapseling emuleren:
- Gebruik het trefwoord `static` om de reikwijdte van variabelen en functies te beperken tot het huidige bestand. Dit biedt een vorm van informatieverberging, maar is niet zo robuust als 'privé' van C++.
- Gebruik naamgevingsconventies (bijvoorbeeld door 'private' leden vooraf te laten gaan door een onderstrepingsteken:`_private_member`) om aan te geven welke leden bedoeld zijn als intern. Dit is afhankelijk van de discipline van de programmeur.
2. Simulatiemethoden:
- Definieer functies die een pointer naar de struct als hun eerste argument gebruiken (het "this" pointer-equivalent). Deze functies fungeren als methoden voor de struct.
```c
typedef-structuur {
int x;
int y;
} Punt;
void Point_move(Punt *p, int dx, int dy) {// "Methode" voor Punt
p->x +=dx;
p->y +=dy;
}
```
3. Overerving nabootsen:
- Compositie: Een struct insluiten in een andere struct. Dit geeft je een 'heeft-een'-relatie (een 'auto' heeft bijvoorbeeld een 'motor').
```c
typedef-structuur {
int pk;
// ...
} Motor;
typedef-structuur {
Motor motor; // Auto *heeft-een* motor
int num_wheels;
} Auto;
```
- "Overerving" (handmatig): Neem de basisstructuur op als het eerste lid van de afgeleide structuur. Dit zorgt ervoor dat de leden van de basisstructuur in het geheugen worden opgeslagen vóór de leden van de afgeleide structuur. Je kunt dan een pointer naar de afgeleide structuur casten naar een pointer naar de basisstructuur (maar dit vereist zorgvuldig geheugenbeheer en is foutgevoelig).
```c
typedef-structuur {
breedte;
int hoogte;
} Rechthoek;
typedef-structuur {
Rechthoekige basis; // "Erft" van rechthoek (eerste lid)
kleur;
} Gekleurde rechthoek;
void printRectangleArea(Rechthoek *recht) {
printf("Gebied:%d\n", rect->breedte * rect->hoogte);
}
GekleurdeRechthoek cr ={{10, 5}, 0xFF0000}; // Initialiseer geneste structuur
printRectangleArea((Rechthoek*)&cr); // Geldig, omdat Rechthoek als eerste in het geheugen staat
```
4. Polymorfisme vervalsen:
- Gebruik functieaanwijzers binnen de structuur om naar verschillende implementaties van dezelfde functie te verwijzen, gebaseerd op het type van het object. Dit is vergelijkbaar met het strategiepatroon. U moet handmatig een tabel met functieaanwijzers bijhouden.
```c
typedef struct Vorm {
int x;
int y;
void (*draw)(struct Vorm*); // Functieaanwijzer voor tekenen
} Vorm;
void drawCircle(Vorm *s) {
printf("Cirkel tekenen op (%d, %d)\n", s->x, s->y);
}
void drawSquare(Vorm *s) {
printf("Vierkant tekenen op (%d, %d)\n", s->x, s->y);
}
Vormcirkel ={10, 20, drawCircle};
Vorm vierkant ={30, 40, drawSquare};
cirkel.draw(&cirkel); // Roept drawCircle aan
vierkant.draw(&vierkant); // Roept drawSquare aan
```
5. Handmatig geheugenbeheer:
- Omdat C-structuren geen constructors en destructors hebben, moet je de geheugentoewijzing en deallocatie zorgvuldig beheren met behulp van `malloc` en `free`. Als u dit niet doet, leidt dit tot geheugenlekken.
Samengevat:
- C-structuren zijn eenvoudigere datastructuren met beperkte mogelijkheden. Ze zijn geschikt voor situaties waarin u alleen maar gerelateerde gegevens hoeft te groeperen.
- C++-klassen bieden krachtige functies voor objectgeoriënteerd programmeren, waaronder inkapseling, overerving, polymorfisme, constructors, destructors, overbelasting van operators en sjablonen.
- Hoewel je objectgeoriënteerde concepten in C *kunt* implementeren met behulp van structs, functieaanwijzers en handmatig geheugenbeheer, is het aanzienlijk complexer, foutgevoeliger en minder onderhoudbaar dan het gebruik van C++-klassen. Je implementeert feitelijk de functies die C++ standaard biedt opnieuw.
Wanneer C-structuren gebruiken in plaats van C++-klassen
Er zijn bepaalde situaties waarin het gebruik van een C-structuur, zelfs in een C++-programma, nuttig kan zijn:
1. Typen gewone oude gegevens (POD): Als je een eenvoudige datastructuur hebt die alleen data bevat en geen methoden of speciaal gedrag vereist, kan een POD-structuur efficiënter zijn. Een POD-structuur kan triviaal worden gekopieerd, vergeleken en geserialiseerd zonder speciale code. C++ biedt `std::is_trivial` en `std::is_standard_layout` typekenmerken om te bepalen of een type deze eigenschappen heeft.
2. Interoperabiliteit met C-code: Als u moet communiceren met bestaande C-code, is het gebruik van C-structuren vaak de gemakkelijkste manier om gegevens tussen de twee talen door te geven. C++ kan rechtstreeks C-structuren gebruiken, terwijl C++-klassen met complexe kenmerken (zoals constructors, virtuele functies, enz.) niet direct compatibel zijn met C.
3. Low-level programmering/hardware-abstractie: Bij programmeren op laag niveau (bijvoorbeeld apparaatstuurprogramma's, ingebedde systemen) moet u mogelijk de geheugenindeling van uw datastructuren nauwkeurig controleren. C-structuren geven u hier meer controle over vergeleken met C++-klassen, waarbij de compiler verborgen leden kan toevoegen (zoals een virtuele functietabelaanwijzer).
4. Prestatiekritieke secties: Hoewel moderne C++-compilers zeer optimaliserend zijn, kunnen POD-structuren soms een klein prestatievoordeel bieden in zeer prestatiekritieke delen van de code, omdat ze de overhead missen die met klassen gepaard gaat (zoals virtuele functieaanroepen). *Dit verschil is echter vaak verwaarloosbaar en goede C++-code kan net zo goed, zo niet beter, presteren.
Samenvattend :
Hoewel C objectgeoriënteerde principes kan simuleren, is C++ ontworpen om deze direct te faciliteren. C++ biedt krachtige tools voor inkapseling, overerving en polymorfisme, waardoor objectgeoriënteerd ontwerp wordt vereenvoudigd in vergelijking met de meer handmatige aanpak die vereist is in C. Als uw project profiteert van de kernprincipes van OOP, is C++ de geschiktere keuze. C-structuren kunnen het beste worden gebruikt in C++-projecten wanneer directe C-code-interactie nodig is of bij het creëren van puur datacentrische structuren. |
