C++/CからC++への移行

この教本は、C言語からC++言語に移行するプログラマーを対象としています。C言語からC++言語に移行する際には、新しい概念や機能を学ぶ必要があり、初めは戸惑うこともあるでしょう。
本書では、C++言語における基本的な機能や概念について、わかりやすく説明しています。また、C言語との違いにも焦点を当て、C++言語を理解する上でのポイントを解説しています。
本書を読むことで、C++言語の基本的な構文や機能を理解し、C言語からC++言語にスムーズに移行することができるようになることを目指しています。C++言語の初心者や、C言語からC++言語に移 行しようとしている方にとって、本書が有益な情報を提供できることを願っています。
C言語とC++言語は、C++がC言語を元に設計されているので共通点が多いですが、いくつかの違いがあります。
プログラムの構造 C++では、クラスという新しいプログラムの構造を使用しています。クラスは、データと関数を1つのエンティティにまとめ、カプセル化という概念に基づいています。C言語にはこのような構造がありません。
C++には、以下のような優れた特徴があります。
オブジェクト指向プログラミングは、プログラムを「オブジェクト」という単位に分割することで、再利用性や保守性を高めるプログラミング手法です。オブジェクト指向プログラミングの基本的な概念には、データのカプセル化、継承、ポリモーフィズムなどがあります。
C++言語では、オブジェクト指向プログラミングを実現するために、クラスという概念が導入されています。クラスは、データとそれに関連する関数をまとめたもので、オブジェクトの設計図となります。オブジェクトを作成するには、クラスからインスタンスを生成する必要があります。また、クラスの継承や多重継承など、オブジェクト指向プログラミングの特徴を利用することができます。
C++にはCと同じ基本データ型がありますが、C++には新しいデータ型も追加されています。例えば、bool、wchar_t、long long、unsigned long longなどです。また、C++ではオブジェクト指向プログラミングをサポートするために、クラスや構造体などのユーザー定義型も使用できます。
演算子もC++では新しいものが追加されています。例えば、スコープ解決演算子(::)、ダイナミックキャスト演算子(dynamic_cast)、静的キャスト演算子(static_cast)、リテラル演算子(literal operator)などです。これらの演算子は、C++でのオブジェクト指向プログラミングやテンプレートメタプログラミングで役立ちます。
C++では、Cと同じ制御構造が使用できます。例えば、if文、switch文、for文、while文などです。しかし、C++では新しい制御構造も追加されています。例えば、範囲ベースのforループ、do-whileループによるループ後の条件評価、ラムダ式による無名関数の作成などです。
C++ではまた、例外処理もサポートされています。これは、プログラムの実行中に予期しない問題が発生した場合に、プログラムの制御を別の場所に移動させることができる機能です。
C++では、Cと同様に関数を使用できます。ただし、C++では関数をオブジェクト指向プログラミングの一部として使用することもできます。関数オーバーロード、仮想関数、純粋仮想関数、関数ポインタなど、C++での関数の使用法は多岐にわたります。
C++ではまた、デフォルト引数や参照引数といった新しい引数のタイプも使用できます。デフォルト引数を使用すると、関数を呼び出すときに引数を省略することができます。参照引数を使用すると、引数をコピーすることなく、呼び出し元の変数に直接アクセスできます。
CからC++に移行する際に、名前空間の概念について理解することが重要です。C++では、名前空間を使用することで、グローバル名前空間に含まれる同じ名前を持つシンボルを区別することができます。
名前空間は、コード内のグローバルスコープに存在する識別子のグループ化方法を提供します。これにより、同じ名前を持つ異なるオブジェクトや関数を区別できます。たとえば、異なるライブラリから同じ名前の関数が読み込まれた場合でも、名前空間を使用することで衝突を回避できます。
名前空間は、namespaceキーワードを使用して定義されます。名前空間内で定義された識別子は、namespace名を指定することでアクセスできます。たとえば、次のように名前空間を定義できます。
これにより、MyNamespaceという名前の名前空間が定義され、myIntとmyFunctionがその名前空間内に定義されます。これらの識別子には、MyNamespace::という接頭辞を付けることでアクセスできます。
名前空間は、C++でライブラリを開発する際に特に役立ちます。ライブラリ内で定義されるすべての識別子を、ライブラリの名前空間に置くことで、ライブラリの使用者がライブラリと自分のコードの識別子を区別しやすくなります。
C++では、クラスを定義するためにstructやclassキーワードを使用します。C言語では構造体を定義するのにstructキーワードを使いましたが、C++では、クラスを定義するためにstructやclassを使うことができます。クラスは、一連の変数や関数をまとめたもので、そのオブジェクトに対して様々な操作を行うことができます。 以下に例を示します。まず、クラスの定義です。
このクラスでは、myPrivateVarというプライベート変数とmyPublicVarというパブリック変数、そしてmyPublicFuncというパブリック関数が定義されています。プライベート変数は、クラス内のみからアクセスでき、外部からはアクセスできません。一方、パブリック変数や関数は、クラス内外からアクセスすることができます。
クラスを定義したら、そのクラスをインスタンス化することができます。インスタンス化とは、クラスを実体化することで、そのクラスのオブジェクトを作成することです。 以下に例を示します。まず、クラスのインスタンス化です。
このように、クラス名の後ろにオブジェクト名を付けることで、そのクラスのオブジェクトを作成することができます。この場合、myObjectというオブジェクトが作成されます。オブジェクトを作成すると、そのオブジェクトに対してクラス内の変数や関数を呼び出すことができます。 例えば、以下のように書くことができます。
このように、オブジェクト名の後ろにドット(.)を付け、変数名や関数名を指定することで、そのオブジェクトに対してアクセスすることができます。
メンバー関数とデータメンバー
C言語では、構造体は関連する変数をグループ化するために使用されます。しかし、C++では構造体はクラスの一種であり、メンバー関数とデータメンバーを持つことができます。これにより、オブジェクト指向プログラミングの基本的な機能であるカプセル化が実現されます。
以下の例では、C言語で定義された構造体をC++のクラスに変換する方法を示します。
上記の例では、C言語の構造体をC++のクラスに変換するために、クラスにpublic:の節を追加し、メンバー変数をクラスの外部からアクセス可能にします。
カプセル化は、オブジェクト指向プログラミングの重要な概念であり、クラスのメンバー変数とメンバー関数を隠蔽することによって、安全性を高め、外部からのアクセスを制限します。
以下の例では、クラスのメンバー変数をprivate:節に移動し、public:節にはメンバー関数のみを残しています。これにより、外部からのアクセスを制限し、クラスの内部状態を保護することができます。
上記の例では、setWidthおよびsetHeight関数を使用して、メンバー変数widthおよびheightに値を設定します。area関数は、メンバー変数widthおよびheightを使用して、矩形の面積を計算します。メンバー変数widthおよびheightは、private:節に宣言されているため、外部から直接アクセスできません。
継承は、既存のクラスを基に新しいクラスを作成する機能であり、コードの再利用性を高めるために使用されます。継承元のクラスは、ベースクラスと呼ばれ、継承先のクラスは、派生クラスと呼ばれます。
以下の例では、Rectangleクラスを継承したSquareクラスを定義しています。Squareクラスは、Rectangleクラスの幅と高さが等しい矩形を表すようになっています。
上記の例では、SquareクラスがRectangleクラスをpublicで継承しています。これにより、SquareクラスはRectangleクラスのすべてのメンバー変数とメンバー関数を継承します。setSide関数を使用して、正方形の1辺の長さを設定することができます。
多態性は、同じ名前のメソッドを異なるクラスで使用することができる機能であり、オブジェクト指向プログラミングの重要な概念の1つです。多態性により、プログラマーは異なるクラスで同じ名前のメソッドを使用することができます。
以下の例では、Shapeクラスを定義しており、RectangleクラスとSquareクラスがShapeクラスを継承しています。printArea関数は、Shapeクラスのポインタを引数として受け取り、そのポインタが指すオブジェクトの面積を出力する関数です。
上記の例では、Shapeクラスには純粋仮想関数があり、RectangleクラスとSquareクラスはそれを継承しています。純粋仮想関数は、実装を持たず、派生クラスで必ずオーバーライドする必要があります。これにより、Shapeクラスのポインタを引数に取る関数を使用して、RectangleクラスとSquareクラスのオブジェクトの面積を出力することができます。 以下は、main関数でprintArea関数を使用する例です。
上記の例では、RectangleクラスのオブジェクトとSquareクラスのオブジェクトを作成し、それぞれの面積をprintArea関数で出力しています。RectangleクラスとSquareクラスは、共にShapeクラスを継承しているため、printArea関数に引数として渡すことができます。
以上が、継承と多態性の概念とその使用例についての説明です。継承と多態性は、オブジェクト指向プログラミングにおいて重要な概念であり、コードの再利用性や保守性を高めるために積極的に活用されます。