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La couche objet - Partie 1 : Classe, Héritage, Classe virtuelle, fonction et classes amies

La couche objet constitue sans doute la plus grande innovation du C++ par rapport au C. Le but de la programmation objet est de permettre une abstraction entre l'implémentation des modules et leur utilisation, apportant ainsi un plus grand confort dans la programmation. Elle s'intègre donc parfaitement dans le cadre de la modularité. Enfin, l'encapsulation des données permet une meilleure protection et donc une plus grande fiabilité des programmes.

Généralités​

Théoriquement, il y a une nette distinction entre les données et les opérations qui leur sont appliqués. En tout cas, les données et le code ne se mélangent pas dans la mémoire de l'ordinateur, sauf cas particulier. Cependant l'analyse des problèmes à traiter se présente d'une manière plus naturelle si l'on considère les données avec leurs propriétés. Les données constituent les variables, et les propriétés les opérations qu'on peut leur appliquer. De ce point de vue, les données et le code sont logiquement inséparables, même s'ils sont placés en différents endroits de la mémoire de l'ordinateur.

Ces considérations conduisent à la notion d'objet. Un objet est un ensemble de données sur lesquelles des procédures peuvent être appliquées. Ces procédures ou fonctions applicables aux données sont appelées méthodes. La programmation d'un objet se fait donc en indiquant les données de l'objet et en définissant les procédures qui peuvent lui être appliquées. Il se peut qu'il y ait plusieurs objets identiques, dont les données ont bien entendu des valeurs différentes, mais qui utilisent le même jeu de méthodes. On dit que ces différents objets appartiennent à la même classe d'objets. Une classe constitue donc une sorte de type, et les objets de cette classe en sont des instances. La classe définit donc la structure des données, alors appelées champs ou variables d'instances, que les objets correspondants auront, ainsi que les méthodes de l'objet. À chaque instanciation, une allocation de mémoire est faite pour les données du nouvel objet créé. L'initialisation de l'objet est détruit, une autre méthode est appelée : le destructeur. L'utilisateur peut définir ses propres constructeurs et destructeurs d'objets si nécessaire.

Comme seules les valeurs des données des différents objets d'une classe diffèrent, les méthodes sont mises en commun pour tous les objets d'une même classe (c'est à dire que les méthodes ne sont pas recopiées). Pour que les méthodes appelées pour un objet sachent sur quelles données elles doivent travailler, un pointeur sur l'objet contenant ces données leur est passé en paramètre. Ce mécanisme est complètement transparent pour le programmeur en C++. Nous voyons donc que non seulement la programmation orientée objet est plus logique, mais elle est également plus efficace (les méthodes sont mises en commun, les données sont séparées).

Enfin, les données des objets peuvent être protégées : c'est à dire que seules les méthodes de l'objet peuvent y accéder. Ce n'est pas une obligation, mais cela accroît la fiabilité des programmes. Si une erreur se produit, seules les méthodes de l'objet doivent être vérifiées. De plus, les méthodes constituent ainsi une interface entre les données de l'objet et l'utilisateur de l'objet. Cet utilisateur n'a donc pas à savoir comment les données sont gérées dans l'objet, il ne doit utiliser que les méthodes. Les avantages sont immédiats : il ne risque pas de faire des erreurs de programmation en modifiant les données lui-même, l'objet est réutilisable dans un autre programme parce qu'il a une interface standardisée, et on peut modifier l'implémentation interne de l'objet sans avoir à refaire tout le programme, pourvu que les méthodes gardent le même nom, les mêmes paramètres et la même sémantique. Cette notion de protection des données et de masquage de l'implémentation interne aux utilisateurs de l'objet constitue ce que l'on appelle l'encapsulation. Les avantages de l'encapsulation seront souvent mis en valeur dans la suite au travers d'exemples.

Extensions de la notion de type du C​

Il faut avant tout savoir que la couche objet n'est pas un simple ajout au langage C, c'est une véritable extension. En effet, les notions qu'elles a apportées ont été intégrées au C à tel point que le typage des données de C a fusionné avec la notion de classe. Ainsi, les types prédéfinis char, int, double, etc représentent à présent l'ensemble des propriétés des variables ayant ce type. Ces propriétés constituent la classe de ces variables, et elles sont accessibles par les opérateurs. Par exemple, l'addition est une opération pouvant porter sur des entiers qui renvoie un objet de la classe entier. Par conséquent, les types de base se manipuleront exactement comme des objets. Du point de vue du C++, les utiliser revient déjà à faire de la programmation orientée objet.

De même, le programmeur peut, à l'aide de la notion de classe d'objets, définir de nouveaux types. Ces types comprennent la structure des données représentées par ces types et les opérations qui peuvent leur être appliquées. En fait, le C++ assimile complètement les classes avec les types, et la définition d'un nouveau type se fait donc en définissant la classes des variables de ce type.

Déclaration de classes en C++​

Afin de permettre la définition des méthodes qui peuvent être appliquées aux structures des classes C++, la syntaxe des structures C a été étendue. Il est à présent possible de définir complètement des méthodes dans la définition de la structure. Cependant il est préférable de la reporter et de ne laisser que leur déclaration dans la structure. En effet, cela accroît la lisibilité et permet de masquer l'implémentation de la classe à ses utilisateurs en ne leur montrant que sa déclaration dans un fichier d'en tête. Ils ne peuvent donc ni la voir, ni la modifier. La syntaxe est la suivante :

class Nom{
    attribute;
    methode;
}

où Nom est le nom de la classe. Elle peut contenir divers champs de divers types. Les méthodes peuvent être des définitions de fonctions, ou seulement leurs déclarations. Si on ne donne que leurs déclarations, on devra les définir plus loin. Pour cela, il faudra spécifier la classe à laquelle elles appartiennent avec la syntaxe suivante

type classe:nom(paramètres){
    //définition de la méthode
}

La syntaxe est donc identique à la définition d'une fonction normale, à la différence près que leur nom est précédé du nom de la classe à laquelle elles appartiennent et deux deux points. Cet opérateur :: est appelé l'opérateur de résolution de portée. Il permet, d'une manière générale, de spécifier le bloc auquel l'objet qui le suit appartient. Ainsi, le fait de précéder le nom de la méthode par le nom de la classe permet au compilateur de savoir de quelle classe cette méthode fait partie. Rien n'interdit, en effet, d'avoir des méthodes de même signature, pourvu qu'elles soient dans des classes différentes.

De même, l'opérateur de résolution de portée permettra d'accéder à une variable globale lorsqu'une autre variable homonyme aura été définie dans le bloc en cours. Les champs d'une classe peuvent être accèdes comme des variables normales dans les méthodes de cette classes.

L'accès aux méthodes de la classe se fait comme pour accéder aux champs des structures. On donne le nom de l'objet et le nom du champ ou de la méthode, séparés par un point. Par exemple :

int i;
for (i=0; i<100; ++i)
    if(clientele[i].dans_le_rouge()) relance(clientele[i]);

Lorsque les fonctions membres d'une classe sont définies dans la déclaration de cette classe, le compilateur les implémente en inline. Si les méthodes ne sont pas définies dans la classe, la déclaration de la classe sera mise dans un fichier d'en-tête, et la définition des méthodes sera reportée dans un fichier C++, ce qui sera compilé et lié aux autres fichiers utilisant la classe client. Bien entendu, il est toujours possible de déclarer les fonctions membres comme étant des fonctions inline même lorsqu'elles sont définies en dehors de la déclaration de la classe. Pour cela, il faut utiliser le mot clé inline, et placer le code de ces fonctions dans le fichier d'en-tête.

Encapsulation des données​

Les divers champs d'une structure sont accessibles en n'importe quel endroit du programme. Une opération telle que celle-ci est donc faisable clientele[0].Sole=25 000;. Le solde d'un client peut donc être modifié sans passer par une méthode dont ce serait le but. Elle pourrait par exemple vérifier que l'on n'affecte pas un solde supérieur au solde maximal autorisé par le programme (la borne supérieure des valeurs des entiers signés).

Il est possible d'empêcher l'accès des champs ou de certaines méthodes à toute fonction autre que celles de la classe. Cette opération s'appelle l'encapsulation. Pour la réaliser il faut utiliser les mots clés suivants :

  • public : les accès sont libres

  • private : les accès sont autorisés dans les fonctions de classe seulement

  • protected : les accès sont autorisés dans les fonctions de la classe et de ses descendantes (voir la section suivante) seulement. Le mot clé protected n'est utilisé que dans le cadre de l'héritage des classes. La section suivante détaillera ce point.

    Pour changer les droits d'accès des champs et des méthodes d'une classe, il faut faire précéder ceux-ci du mot clé indiquant les droits d'accès suivi des deux points. Par exemple pour protéger les données relatives au client, on changera simplement la déclaration de la classe en :

class client
{
private:   // Données privées :

    char Nom[21], Prenom[21];
    unsigned int Date_Entree;
    int Solde;
    // Il n'y a pas de méthode privée.

public:    // Les données et les méthodes publiques :

    // Il n'y a pas de donnée publique.
    bool dans_le_rouge(void);
    bool bon_client(void)
};

Outre la vérification de la validité des opérations l'encapsulation a comme intérêt fondamental de définir une interface stable pour la classe au niveau des méthodes et données membres publiques et protégées. L'implémentation de cette interface, réalisée en privé, peut être modifiée à loisir sans pour autant perturber les utilisateurs de cette classe, tant que cette interface n'est pas elle-même modifiée.

Par défaut, les classes construites avec struct ont tous les membres publics. Les classes construites avec ̀class` ont tous les membres privés.

Héritage​

L'héritage permet de donner à une classe toutes les caractéritiques d'une ou de plusieurs autres classes. Les classes dont elle hérite sont appelées classes mères, classes de base ou classes antécédentes. La classe elle-même est appelée classe file, classe dérivée ou classe descendante.

Les propriétés héritées sont les champs et les méthodes des classes de base.

Pour faire un héritage en C++, il faut faire suivre le nom de la classe fille par la liste des classes mères dans la déclaration avec les restrictions d'accès aux données, chaque élément étant séparé des autres par une virgule. La syntaxe est la suivante

class Classe_mere
{

};
class Classe_fille : public Classe_mere

On peut utiliser les mots clés private, protected et public dans l'héritage à la place de public.

Il est possible de redéfinir les fonctions et les données des classes de base dans une classe dérivée. Par exemple, si une classe B dérive de la classe A, et que toutes deux contiennent une donnée d, les instances de la classe B utiliseront la donnée d de la classe B et les instances de la classe A utiliseront la donnée d de la classe A. Cependant, les objets de classe B contiendront également un sous-objet, lui même instance de la classe de base A. Par conséquent, ils contiendront la donnée d de la classe A, mais cette dernière sera cachée par la donnée d de la classe la plus dérivée, à savoir la classe B.

Ce mécanisme est général : quand une classe dérivée redéfinit un membre d'une classe de base, ce membre est caché et on ne peut plus accéder directement qu'au membre redéfini (celui de la classe dérivée). Cependant, il est possible d'accéder aux données cachées si l'on connaît leur classe, pour cela, il faut nommer le membre complètement à l'aide de l'opérateur de résolution de portée. Le nom complet d'un membre est constitué du nom de sa classe suivi de l'opérateur de résolution de portée, suivis du nom du membre.

Classes virtuelles​

Supposons à présent qu'une classe D hérite de deux classes mères, les classes B et C. Supposons également que ces deux classes héritent d'une classe mère commune appelée classe A. On sait que B et C héritent des données et des méthodes publiques et protégées de A. De même, D hérite des données de B et C, et par leur intermédiaire des données de A. Il se pose donc le problème suivant : quelles sont les données que l'on doit utiliser quand on référence les champs de A ? Celles de B ou celles de C ? On peut accéder aux deux sous-objets de classe A en spécifiant le chemin à suivre dans l'arbre généalogique à l'aide de l'opérateur de résolution de portée. Cependant, cela n'est ni pratique ni efficace, et en général, on s'attend à ce qu'une seule copie de A apparaisse dans D. Le problème est résolu en déclarant virtuelle la classe de base commune dans la spécification de l'héritage pour les classes filles. Les données de la classe de base ne seront alors plus dupliquées. Pour déclarer une classe mère comme une classe virtuelle, il faut faire précéder son nom du mot clé virtual dans l'héritage des classes filles.

class A
{
protected:
    int Donnee;        // La donnée de la classe de base.
};

// Héritage de la classe A, virtuelle :
class B : virtual public A
{
protected:
    int Valeur_B;      // Autre donnée que "Donnee" (héritée).
};

// A est toujours virtuelle :
class C : virtual public A
{
protected:
    int valeur_C;      // Autre donnée
                       // ("Donnee" est acquise par héritage).
};

class D : public B, public C   // Ici, Donnee n'est pas dupliqué.
{
    /* Définition de la classe D. */
};

Premièrement, il est impossible de transtyper directement un pointeur sur un objet d'une classe de base virtuelle en un pointeur sur un objet de ses classes dérivées. Il faut impérativement utiliser l'opérateur de transtypage dynamique. Cet opérateur sera décrit plus tard.

Deuxièmement, chaque classe dérivée directement ou indirectement d'une classe virtuelle doit en appeler le constructeur explicitement dans son constructeur si celui-ci prend des paramètres. En effet, elle ne peut pas se fier au fait qu'une autre de ses classes de base, elle-même dérivée de la classe de base virtuelle, appelle un constructeur spécifique, car il est possible que plusieurs classes de base cherchent à initialiser différemment chacune un objet commun hérité de classe virtuelle. Pour reprendre l'exemple donnée ci-dessus, si les classes B et C appellaient toutes les deux un constructeur non trivial de la classe virtuell A et que la classe D appellait elle même les constructeurs de B et C, le sous objet hérité de A serait construit plusieurs fois. Pour éviter cela, le compilateur ignore purement et simplement les appels au constructeur des classes de bases virtuelles dans les classes de base dérivées. Il faut donc systématiquement le spécifier, à chaque niveau de la hiérarchie de classe. La notion de constructeur sera vue plus tard.

Fonctions et classes amies​

Il est parfois nécessaire d'avoir des fonctions qui ont un accès illimité aux champs d'une classe. En général, l'emploi de telles fonctions traduit un manque d'analyse dans la hiérarchie des classes, mais pour toujours. Elles restent donc nécessaires malgré tout.

De telles fonctions sont appelées des fonctions amies. Pour qu'une fonction soit amie d'une classe, il faut qu'elle soit déclarée dans la classe avec le mot clé friend.

Il est également possible de faire une classe amie d'une autre classe, mais dans ce cas cette classe devrait peut-être être une classe fille. L'utilisation des classes amies peut traduire un défaut de conception.

Fonctions amies​

Les fonctions amies se déclarent en faisant précéder la déclaration classique de la fonction du mot clé friend à l'intérieur de la classe cible. Les fonctions amies ne sont pas des méthodes de la classe cependant (cela n'aurait pas de sens puisque les méthodes ont déjà accès aux membre de la classe).

class A
{
    int a;                        // Une donnée privée.
    friend void ecrit_a(int i);   // Une fonction amie.
};

A essai;

void ecrit_a(int i)
{
    essai.a=i;          // Initialise a.
    return;
}

Il est possible de déclarer amie une fonction d'une autre classe, en précisant son nom complet à l'aide de l'opérateur de résolution de portée.

Classes amies​

Pour rendre toutes les méthodes d'une classe amies d'une autre classe, il suffit de déclarer la classe complète comme étant amie. Pour cela, il faut encore une fois utiliser le mot clé friend avant la déclaration de la classe, à l'intérieur de la classe cible. Cette fois encore, la classe amie déclarée ne sera pas une sous-classe de la classe cible, mais bien une classe de portée globale

#include <stdio.h>

class Hote
{
    friend class Amie;  // Toutes les méthodes de Amie sont amies.

    int i;              // Donnée privée de la classe Hote.

public:
    Hote(void)
    {
        i=0;
        return ;
    }
};

Hote h;

class Amie
{
public:
    void print_hote(void)
    {
        printf("%d\n", h.i); // Accède à la donnée privée de h.
        return ;
    }
};

int main(void)
{
    Amie a;
    a.print_hote();
    return 0;
}

On remarquera plusieurs choses importantes. Premièrement, l'amitié n'est pas transitive. Cela signifie que les amis des amis ne sont pas des amis. Une classe A amie d'une classe B, elle-même amie d'une classe C, n'est pas amie de la classe C par défaut. Il faut la déclarer amie explicitement si on désire qu'elle le soit. Deuxièmement, les amis ne sont pas hérités. Ainsi, si une classe A est amie d'une classe B et que la classe C est une classe fille de la classe B, alors A n'est pas amie de la classe C par défaut. Encore une fois, il faut la déclarer amie explicitement. Ces remarques s'appliquent également aux fonctions amies.

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