モダンC++とCでの代替手法

オブジェクト指向プログラミング（OOP）

C++はクラスと仮想関数を直接提供し、Cは構造体と関数ポインタで同様の関係を表現します。

C++のオブジェクト指向プログラミングとは？

OOPは状態、不変条件、振る舞いを持つオブジェクトを中心に構成します。C++はクラス、アクセス制御、継承、仮想ディスパッチを提供し、Cでは明示的に実装します。

OOPの4つの基本原則

カプセル化は内部状態へのアクセスを制御して不変条件を守ります。
抽象化は小さな公開インターフェースを提供します。
継承は有効な基底クラス契約を特殊化します。
ポリモーフィズムは仮想呼び出しで具体的な振る舞いを選択します。

CとC++での表現

Cは構造体と関数ポインタを組み合わせ、規約とAPIで不変条件と所有権を保ちます。

C++

C++はprivate状態、継承、overrideを使い、コンパイラが検査します。

設計のヒント： ポリモーフィックな基底には仮想デストラクタを用意し、所有する生ポインタを避け、合成を優先します。

CとC++のコード例

実行 →

main.c

#include <stdio.h>

typedef struct Account Account;
typedef void (*MonthEnd)(Account *account);

struct Account {
    const char *owner;
    double balance;
    double interest_rate;
    MonthEnd month_end;
};

void standard_month_end(Account *account) {
    (void)account;
}

void savings_month_end(Account *account) {
    account->balance *= 1.0 + account->interest_rate;
}

void print_account(Account *account) {
    account->month_end(account);
    printf("%s: %.2f\n", account->owner, account->balance);
}

int main(void) {
    Account accounts[] = {
        {"Ada", 150.0, 0.0, standard_month_end},
        {"Lin", 200.0, 0.05, savings_month_end}
    };

    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        print_account(&accounts[i]);
    }
    return 0;
}

期待される出力

Ada: 150.00
Lin: 210.00

C++

実行 →

main.cpp

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include <utility>
#include <vector>

class Account {
    std::string owner_;
    double balance_;

protected:
    void add_balance(double amount) { balance_ += amount; }

public:
    Account(std::string owner, double balance)
        : owner_(std::move(owner)), balance_(balance) {}

    virtual ~Account() = default;
    virtual void month_end() {}

    const std::string& owner() const { return owner_; }
    double balance() const { return balance_; }
};

class SavingsAccount final : public Account {
    double interest_rate_;

public:
    SavingsAccount(std::string owner, double balance, double rate)
        : Account(std::move(owner), balance), interest_rate_(rate) {}

    void month_end() override {
        add_balance(balance() * interest_rate_);
    }
};

int main() {
    Account standard("Ada", 150.0);
    SavingsAccount savings("Lin", 200.0, 0.05);
    std::vector<Account *> accounts{&standard, &savings};

    std::cout << std::fixed << std::setprecision(2);
    for (Account *account : accounts) {
        account->month_end();
        std::cout << account->owner() << ": "
                  << account->balance() << '\n';
    }
}

期待される出力

Ada: 150.00
Lin: 210.00

CとC++の比較

C版は構造体に状態と関数ポインタを保存します。C++版は残高をprivateにし、共通インターフェースを継承して仮想関数をオーバーライドします。呼び出し側は具体型を判定しません。

Cはprefix、callback、macro、context構造体を使います。

C++

言語機能がscope付きtype-safeな抽象化を提供します。

練習課題

両方を実行して変更し、言語ごとの保証を確認します。

最初にCの仕組みを書きます。
手動cleanupをRAIIに置き換えます。
allocationとvirtual dispatchを確認します。