הגבלת גישה

הגבלת הגישה לרכיבי המחלקה השונים מהווה כלי מרכזי למימוש עקרון הכימוס (Encapsulation). ישנן שלוש רמות של הגבלות גישה:

• פרטי (Private) – רק שיטות המחלקה יכולות להשתמש בהם.
• שמור (Protected) – רק שיטות המחלקה ומחלקות שיורשות ממנה יכולות להשתמש בהם.
• ציבורי (Public) – לכולם יש גישה אליהם.

כמו כן ניתן להגדיר פונקציה או מחלקה מסוימת כחבר (Friend). חברי המחלקה מקבלים גישה לכל המשתנים, השיטות והטיפוסים שמוגדרים במחלקה, גם לפרטיים וגם לשמורים.

הורשה

ניתן להגדיר מחלקה יורשת ("Derived class") על סמך מחלקה אחרת, בסיסית ("Base class"). המחלקה הנורשת מכילה אוטומטית את המשתנים, השיטות ושאר רכיבי המחלקה הבסיסית ובנוסף מגדירה כאלו משל עצמה. לעומת שפות מודרניות אחרות שמתבססות עליה, C++ תומכת בהורשה מרובה, כלומר ירושה ממספר מחלקות בו זמנית.

כאשר מורישים תכונות למחלקה אחת ממחלקה שנייה ניתן לעשות זאת באחת משלוש דרכים:

• הורשה ציבורית – יורשת את כל המשתנים, השיטות והטיפוסים באותה רמת הגישה.
• הורשה שמורה – המשתנים, השיטות והטיפוסים הציבוריים של מחלקת האב מקבלים הרשאת גישה שמורה (Protected) במחלקת הבן.
• הורשה פרטית – המחלקה הנגזרת וחבריה הם היחידים שיכולים להשתמש בתכונות של מחלקת האב. כל התכונות הללו הופכות לפרטיות במחלקת הבן.

ניתן להתייחס לעצם דרך מצביע או ייחוס (Reference) למחלקה הבסיסית, ולהפעיל שיטות של העצם בלי לדעת מראש את הטיפוס המדויק שלו. שיטות כאלו מוגדרות "וירטואליות". הן ניתנות להפעלה על ידי התייחסות לעצם מהמחלקה הבסיסית, אך בפועל מבוצעת השיטה במחלקה הנורשת, בהתאם לסוג העצם עבורו הופעלה השיטה. זהו סוג מסוים של פולימורפיזם (הסוג האחר הוא תכנות גנרי בעזרת תבניות – ראה בהמשך).

מנגנון ה־Run-Time Type Information‏ (RTTI) מאפשר לקבל מידע על הטיפוס של העצם הנתון, תוך כדי ריצת התוכנית. מנגנון זה מגדיר את האופרטור dynamic_cast שמאפשר לבצע המרה בטוחה בין מצביע (או הפנייה) למחלקת הבסיס לבין מצביע למחלקה הנגזרת. אופרטור זה מאפשר לבדוק האם העצם הנתון הוא מטיפוס מסוים או לא. אופרטור נוסף שנוסף לשפה במסגרת ה־RTTI הוא אופרטור ה־typeid. אופרטור זה מאפשר לקבל את הטיפוס המדויק של העצם הנתון.

לעומת שפות אחרות, כמו C# לדוגמה, ב־C++ אין הבדל בין מחלקות (class) לבין מבנים (struct). גם מחלקות וגם מבנים יכולים להכיל שיטות, לרשת האחד מהשני, להגדיר פונקציות וירטואליות ולהגדיר רמות גישה שונות. ההבדל היחיד הוא שתכונות המבנה מוגדרות ציבוריות כברירת מחדל ואילו תכונות המחלקה כפרטיות.

throw

המילה throw גורמת לזריקת שגיאה, אם הזריקה לא תתפס, הטיפול בשגיאה יעבור למערכת ההפעלה שלרוב תקרא לפרוצדורת טיפול שתסגור את התכנית.

כחלק מזריקת השגיאה מצרפים משתנה כלשהו שלרוב נועד כדי לזהות את השגיאה. בעוד השפה תומכת בזריקת כל סוגי הטיפוסים הקיימים, הקונבנציה היא לזרוק אך ורק אובייקטים שיורשים מהטיפוס std::exception.

int num_of_students;
std::cin >> num_of_students;

if(num_of_students < 0)
{
    throw std::exception ("the num cant be less then 0");
    // throw num_of_students; would have worked as well
}

try

המילה הזו גורמת לכך שכל מה שיהיה בשטח האתחול (סקופ - {}) שאחריו יהיה תחת "השגחה", אם תיזרק שגיאה התכנית "תדע" שהיא צריכה לבדוק את הcatch שאחריו.

הtry והcatch חייבים להיות צמודים.

try
{
    int num_of_students;
    std::cin >> num_of_students;

    if(num_of_students < 0)
    {
        std::exception e("the num cant be less then 0");
        throw e;
    }
}

catch

המילה השמורה catch "תופסת" את השגיאות שנזרקו בcatch שלפניה לפי סוג המשתנה הנזרק, לכל סוג משתנה צריך להיות שדה catch משלו. כאשר תופסים אובייקט by-reference, ניתן להשתמש במערכת הירושה של ++C על מנת לקבל טיפוסים מסוגים שונים. לעיתים, אנחנו רוצים להשתמש בתפיסה פולימורפית אך גם בספציפיקציה שלה. לדוגמה – תפיסה של כל ה-std::exception היא פעולה נפוצה, אבל לעיתים נרצה לבצע פעולה שונה כאשר נזרק std::system_error, שמתאר לרוב שגיאה של syscall. במקרה זה, חובה לתפוס את המחלקה הספציפית – במקרה שלנו, std::system_error קודם, מכיוון שמערכת השגיאות מחפשת את ההתאמה הראשונה האפשרית.

ניתן לכתוב catch התופס את כל סוגי השגיאות שנזרקו, על ידי שימוש בטיפוס ה"אליפסה" של C++/C – .... בתוך הcatch יהיה אופן הטיפול בשגיאה כזו.

catch (std::system_error& e) {
    std::cerr << "System error occurred! " << e.what() << " error code: " << e.code() << std::endl;
} catch (std::exception& e) {
    std::cerr << "An error occurred: " << e.what() << std::endl;
} catch (...) {
    std::cerr << "An unknown exception was raised" << std::endl;
}

rethrow

לעיתים, מטרת התפיסה היא לא על מנת להמשיך את התכנית כרגיל, אלא על מנת לכתוב לוגים וטלמטריה, ולאחר מכן להמשיך את תהליך זריקת השגיאה. השפה תומכת במנגנון שנפוץ ברוב השפות עם מערכת שגיאות שנקרא rethrow – כלומר, המשך תהליך של ה-error handling כאילו השגיאה לא נתפסה. הפקודה שמבצעת rethrow היא המילה השמורה throw ללא פרמטרים בכלל אחריה.

ההבדל בין rethrow לבין זריקה מחדש של השגיאה הוא קטן אך קיים. לאובייקט שגיאה לרוב יש מידע ספציפי למערכת הפעלה שבה השגיאה נזרקה – כלומר, תמונה של הרגיסטרים בעת השגיאה, קוד שגיאה ספציפי למערכת הפעלה וכדומה. כאשר נזרוק שגיאה מחדש, כלומר נכתוב throw e כאשר e זאת השגיאה שנתפסה, האובייקט הספציפי למערכת הפעלה יישתנה על מנת לתאר את מיקום השגיאה החדש, בעוד כאשר נשתמש במנגנון ה-rethrow, המערכת תמשיך עם האובייקט הישן.

הבדל נוסף הוא זריקה מחדש מתוך catch כללי, בו אין שם למשתנה, ושם ניתן לזרוק שגיאה חדשה לחלוטין או לבצע rethrow.

קיים גם הבדל הסמנטי בין throw חדש לבין rethrow. אם התגלתה שגיאה חדשה במהלך הטיפול בשגיאה הישנה, נבצע throw חדש על השגיאה החדשה, ואולי נצרף אליה מידע מהשגיאה הישנה. לעומת זאת, אם לא ניסינו לטפל בשגיאה הישנה או שניסינו ולא הצלחנו, אז נבצע rethrow על מנת ש-catch נמוך יותר בהיררכיה ינסה לטפל בשגיאה.

catch (std::system_error& e) {
    // Throwing a new exception, with the same object
    throw e;
} catch (std::exception& e) {
    // Rethrow semantics
    throw;
} catch (...) {
    // Rethrow. C++ supports capturing the error object of ... using
    //  the os-specific object std::current_exception()
    throw;
}

פרמטרים אופציונליים

דרך נוספת להעמיס פונקציות היא להגדיר ערכי ברירת מחדל לפרמטרים של מתודה או פונקציה. אם מתבצעת קריאה לפונקציה שאיננה כוללת ערך עבורם, הם יקבלו את ערך ברירת המחדל. כך ניתן בקלות להגדיר פעולה זהה עבור מספר שונה של פרמטרים, מבלי לבצע שכפולי קוד.

כאמור, ניתן לכתוב ב-++C את כל הקשת, מתכנות פרוצדורלי עם טיפוסיות חלשה בדומה לשפת C ועד לניצול פרדיגמות התיכנות המודרניות ביותר. מסיבה זו ניתן, אך לא מומלץ, לכתוב פונקציות המקבלות מספר בלתי מוגדר מראש של פרמטרים, על ידי שימוש בשלוש נקודות (...) בחתימת הפונקציה – נקרא Ellipsis parameter. תכונה זו קיימת רק על מנת להקל על הגירה של תוכניות משפת C לשפת ++C. את ה־Printf של C, שהיא דוגמה לפונקציה עם מספר פרמטרים משתנה (...), מחליפות ב-++C מחלקות כגון iostream המאפשרות לשרשר פרמטרים להדפסה תוך שימוש בהעמסת אופרטורים וטיפוסיות חזקה. במידה ומשתמש רוצה לקבל מספר לא ידוע של משתנים לתוך פונקציה, C++ מאפשרת העברת Parameter pack.

העמסת אופרטורים

בשפה קיים מנגנון העמסת אופרטורים. כלומר, ניתן להגדיר מחדש כמעט כל אופרטור זמן ריצה המוגדר בשפה כך שהוא יהיה בעל משמעות עבור טיפוסים שונים, כולל טיפוסים המוגדרים על ידי המשתמש. למשל, אופרטור החיבור (+) בצורתו הרגילה מאפשר חיבור שני משתנים המכילים ערך מספרי. אך ניתן להגדיר אותו כך שיהיה בעל משמעות גם עבור משתנים מטיפוס שבר שהוגדר על ידי המתכנת.

אין כל הבדל סמנטי בין העמסת אופרטורים להעמסת פונקציות, שכן ההבדל בין אופרטורים לפונקציות הוא תחבירי בלבד. שימוש בהעמסה עשוי לשפר את קריאות הקוד, ושימוש מוגזם עשוי להפוך קוד לבלתי קריא.

Template Metaprogramming

ישנה טכניקת תכנות בשם "Template Metaprogramming" או בקיצור TMP, המנצלת את התבניות על מנת לבצע חישובים מורכבים בזמן ההידור, ובכך עשויה להפחית את החישובים שיש לבצע בזמן ריצה.

טכניקה זו נתגלתה במקרה: במהלך הכנת התקן של שפת ++C, התברר שהתבניות של השפה הן בעצמן תת־שפה שלמה טיורינג, כלומר שניתן לבצע באמצעותה כל חישוב שיכול מחשב לבצע. הדוגמה הראשונה לתוכנית כזאת ביצעה חישוב של מספרים ראשוניים על אף שלא סיימה לעבור הידור. הרשימה של המספרים הראשוניים הייתה חלק מהודעת השגיאה שהפיק המהדר בזמן שניסה להדר את הקוד.

כיום ישנן ספריות רבות המסייעות לעבודה בטכניקה זו, אך כיוון שמלכתחילה לא הייתה כוונה ליצור את תת־השפה הזאת בתוך ++C, התחביר שלה קשה להבנה. להלן דוגמה לקטע קוד שמבצע חישוב של עצרת:

template <int N>
struct Factorial
{
 enum { value = N * Factorial<N - 1>::value };
};

template <>
struct Factorial<0>
{
 enum { value = 1 };
};

// Factorial<4>::value == 24
// Factorial<0>::value == 1
void foo()
{
 int x = Factorial<4>::value; // == 24
 int y = Factorial<0>::value; // == 1
}