Dev Blog

Клас, інваріант і конструктори ​

Стан, поведінка та інваріант класу ​

Клас (class) описує тип об’єктів: допустимі дані та операції над ними. Об’єкт (object) є конкретним екземпляром із власним станом. Два рахунки мають однаковий набір методів, але різні залишки. Абстракція відкидає зайве: для навчального рахунку важливі баланс і перекази, а не колір картки.

Інваріант (invariant) – твердження, яке справджується після створення та після кожної успішної публічної операції. Для нашого рахунку баланс лежить між нулем і мільйоном умовних одиниць. Межа зверху потрібна не лише для предметної області: вона дає змогу перевірити додавання до виконання операції та не допустити переповнення цілого числа.

Закриті поля забороняють сторонньому коду обходити правила. Однак сам модифікатор private ще не створює інваріанта: метод setBalance, який приймає будь-яке число, так само зруйнує обмеження. Краще надати операції предметної області: поповнення та зняття. Помилковий запит має залишати попередній баланс. З цієї причини всі перевірки виконуються до зміни поля.

class і struct мають однакові мовні можливості. Відрізняється типовий доступ: у class він закритий, у struct відкритий; це також стосується типового виду наслідування. Для простої пари координат зручна структура, для рахунку з поведінкою – клас. Це домовленість про намір, а не заборона.

Побудову показано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Клас та незалежні стани його екземплярів

Приклад 1. Банківський рахунок ​

Умова. Створити рахунок з невід’ємним балансом, виконати поповнення та зняття, перевірити відмову без зміни залишку.

cpp
#include <cassert>
#include <print>
#include <stdexcept>

class BankAccount {
    int balance_;
public:
    static constexpr int limit = 1'000'000;

    explicit BankAccount(int value) : balance_(value) {
        if (value < 0 || value > limit)
            throw std::invalid_argument("balance");
    }

    int balance() const { return balance_; }

    void deposit(int value) {
        if (value <= 0 || value > limit - balance_)
            throw std::invalid_argument("deposit");
        balance_ += value;
    }

    void withdraw(int value) {
        if (value <= 0 || value > balance_)
            throw std::invalid_argument("withdraw");
        balance_ -= value;
    }
};

int main() {
    BankAccount account{100};
    account.deposit(50);
    account.withdraw(20);
    try { account.withdraw(131); }
    catch (const std::invalid_argument&) {
        std::println("Відмовлено");
    }
    assert(account.balance() == 130);
    account.withdraw(130);
    assert(account.balance() == 0);
    try { BankAccount bad{-1}; assert(false); }
    catch (const std::invalid_argument&) {}
    try { account.deposit(0); assert(false); }
    catch (const std::invalid_argument&) {}
    std::println("Залишок: {}", account.balance());
}

Усі відмови передують зміні поля. Перевірка limit - balance_ не виконує потенційно небезпечне додавання. Грошові одиниці тут цілі й навчальні.

Результат виконання:

text
Відмовлено
Залишок: 0

Додавання класу до проєкту

Рис. 7.2. Додавання класу до проєкту

Конструктори та список ініціалізації ​

Конструктор (constructor) створює коректний початковий стан. Його ім’я збігається з ім’ям класу, а тип результату не записується. Конструктор із параметрами не є звичайним методом, який можна викликати вдруге для «перезапуску» готового об’єкта. Для повторного використання стану потрібна окрема операція з визначеним контрактом.

Список після двокрапки ініціалізує члени до входу в тіло конструктора. Запис hour_(hour) одразу створює потрібне значення. Присвоєння в тілі виконується пізніше; для const-поля чи посилання воно взагалі не може замінити ініціалізацію. Члени ініціалізуються в порядку оголошення в класі, а не в порядку запису списку. Підтримуйте однаковий порядок у двох місцях.

Делегування (delegating constructor) дозволяє одному конструктору викликати інший конструктор того самого класу. Тоді перевірка є в одному місці. explicit забороняє небажане неявне перетворення з аргументу на об’єкт; пряме створення ClockTime{90} залишається доступним.

Ініціалізатор поля, наприклад int value_ = 0, задає резервне початкове значення. Якщо конструктор явно ініціалізує це поле, використовується його список. = default просить компілятор визначити спеціальну функцію за мовними правилами; це не обіцянка, що кожен можливий набір полів допускає конструктор без аргументів. Поле без доступного типового конструктора може зробити такий конструктор видаленим.

Побудову показано на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Порядок конструювання й знищення композиції

Приклад 2. Час доби ​

Умова. Задати час кількістю хвилин або годинами й хвилинами; нормалізувати невід’ємні хвилини в межах доби.

cpp
#include <cassert>
#include <print>
#include <stdexcept>

class ClockTime {
    int minutes_;
public:
    ClockTime() : ClockTime(0) {}

    explicit ClockTime(int total) : minutes_(total % 1440) {
        if (total < 0) throw std::invalid_argument("time");
    }

    ClockTime(int hour, int minute) : ClockTime(0) {
        if (hour < 0 || hour > 23 || minute < 0 || minute > 59)
            throw std::invalid_argument("clock fields");
        minutes_ = hour * 60 + minute;
    }

    int hour() const { return minutes_ / 60; }
    int minute() const { return minutes_ % 60; }
};

int main() {
    const ClockTime t{1501};
    std::println("{:02}:{:02}", t.hour(), t.minute());
    assert(t.hour() == 1 && t.minute() == 1);
    assert(ClockTime{}.hour() == 0);
    assert(ClockTime{1440}.minute() == 0);
    try { ClockTime bad{24, 0}; assert(false); }
    catch (const std::invalid_argument&) {}
    try { ClockTime bad{-1}; assert(false); }
    catch (const std::invalid_argument&) {}
}

Конструктори мають різні контракти: кількість хвилин допускає кілька діб, а пара годин і хвилин описує вже коректний час доби. Константний об’єкт читають через const-методи.

Результат виконання:

text
01:01

Члени класу у Class View

Рис. 7.4. Члени класу у Class View