C++はオブジェクト指向プログラミングをサポートする強力なプログラミング言語です。その中心となる概念の一つが「クラス」です。本記事では、クラスの基本概念からその定義方法、コンストラクタやデストラクタの役割、メンバ変数やメソッドの利用、アクセス指定子の使い方、さらに継承とポリモーフィズムまで、C++のクラスに関するすべての基本を網羅的に解説します。また、実際のプロジェクトでの応用例や理解を深めるための演習問題も提供します。
クラスの基本概念
C++におけるクラスとは、データとそれに関連する機能を一つにまとめたユーザー定義のデータ型です。クラスはオブジェクト指向プログラミングの基盤となり、データのカプセル化、継承、ポリモーフィズムといった概念を実現します。クラスを使うことで、プログラムの構造を整理し、再利用性や保守性を高めることができます。
クラスとは何か
クラスは、オブジェクトの設計図として機能し、共通の属性（メンバ変数）や操作（メソッド）を持つオブジェクトを定義します。これにより、同じ性質を持つ複数のオブジェクトを効率的に扱うことが可能です。
なぜクラスが必要か
クラスを使用することで、コードの再利用性が向上し、同じコードを複数の場所で繰り返し記述する必要がなくなります。また、データのカプセル化により、データとそれに関連する操作を一体化し、コードの保守性と理解しやすさが向上します。
例：クラスを使わない場合のコード
#include <iostream>
using namespace std;
void printPerson(string name, int age) {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
int main() {
string name1 = "Alice";
int age1 = 30;
string name2 = "Bob";
int age2 = 25;
printPerson(name1, age1);
printPerson(name2, age2);
return 0;
}例：クラスを使った場合のコード
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
int main() {
Person person1;
person1.name = "Alice";
person1.age = 30;
Person person2;
person2.name = "Bob";
person2.age = 25;
person1.print();
person2.print();
return 0;
}このように、クラスを使うことでコードの構造が整理され、再利用性が高まります。
クラスの定義方法
C++でクラスを定義するには、classキーワードを使用します。クラスの定義には、クラス名、メンバ変数、およびメソッドが含まれます。以下に、基本的なクラスの定義方法を示します。
基本的なクラス定義
class クラス名 {
public:
// パブリックメンバ変数やメソッド
private:
// プライベートメンバ変数やメソッド
};具体例：Personクラスの定義
以下に、名前と年齢を持つPersonクラスを定義する具体例を示します。
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};この例では、nameとageという2つのメンバ変数と、printというメソッドを持つPersonクラスを定義しています。これにより、Personオブジェクトを作成し、その属性を設定し、メソッドを呼び出すことができます。
クラスメンバの初期化
クラスのメンバ変数は、オブジェクト生成時に初期化することが一般的です。これには、コンストラクタを使用します。
具体例：コンストラクタを追加したPersonクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
// コンストラクタ
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
int main() {
Person person1("Alice", 30);
Person person2("Bob", 25);
person1.print();
person2.print();
return 0;
}この例では、コンストラクタを追加し、Personオブジェクトを生成する際にnameとageを初期化しています。
クラスの使用例
クラスを定義した後、以下のようにしてオブジェクトを作成し、メソッドを呼び出すことができます。
int main() {
Person person1("Alice", 30);
Person person2("Bob", 25);
person1.print();
person2.print();
return 0;
}このコードでは、Personオブジェクトを2つ作成し、それぞれのnameとageを設定した上でprintメソッドを呼び出しています。クラスを利用することで、コードの再利用性と保守性が向上します。
コンストラクタとデストラクタ
C++のクラスでは、オブジェクトの初期化と終了処理を行うために、コンストラクタとデストラクタが使用されます。これらはクラスの重要な要素であり、オブジェクト指向プログラミングの基本です。
コンストラクタ
コンストラクタは、オブジェクトが生成されるときに自動的に呼び出される特殊なメソッドです。クラスと同じ名前を持ち、戻り値を持ちません。コンストラクタを使って、オブジェクトの初期化を行います。
具体例：コンストラクタを持つPersonクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
// コンストラクタ
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {
cout << "Person object is created." << endl;
}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
int main() {
Person person1("Alice", 30);
Person person2("Bob", 25);
person1.print();
person2.print();
return 0;
}この例では、Personクラスにコンストラクタが追加されています。Personオブジェクトが生成されると、コンストラクタが呼び出され、nameとageが初期化されます。また、オブジェクトの生成時にメッセージが表示されます。
デストラクタ
デストラクタは、オブジェクトが破棄されるときに自動的に呼び出される特殊なメソッドです。クラス名の前にチルダ(~)を付けた名前を持ち、戻り値を持ちません。デストラクタを使って、リソースの解放やクリーンアップ処理を行います。
具体例：デストラクタを持つPersonクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
// コンストラクタ
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {
cout << "Person object is created." << endl;
}
// デストラクタ
~Person() {
cout << "Person object is destroyed." << endl;
}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
int main() {
Person person1("Alice", 30);
Person person2("Bob", 25);
person1.print();
person2.print();
return 0;
}この例では、Personクラスにデストラクタが追加されています。Personオブジェクトが破棄されると、デストラクタが呼び出され、オブジェクトの破棄時にメッセージが表示されます。
コンストラクタとデストラクタの役割
- コンストラクタ: オブジェクトの初期化を行い、必要な初期設定を実施します。
- デストラクタ: オブジェクトの終了処理を行い、リソースの解放やクリーンアップを実施します。
これにより、オブジェクトのライフサイクル全体を管理し、メモリリークやリソースの浪費を防ぐことができます。
メンバ変数とメソッド
C++のクラスには、データを保持するためのメンバ変数と、データに対して操作を行うメソッドが含まれます。メンバ変数とメソッドを適切に定義することで、クラスの機能を充実させることができます。
メンバ変数
メンバ変数は、クラス内で宣言される変数で、クラスのオブジェクトごとに異なる値を持ちます。これにより、各オブジェクトの状態を保持することができます。
具体例：メンバ変数を持つPersonクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};この例では、nameとageという2つのメンバ変数を持つPersonクラスを定義しています。
メソッド
メソッドは、クラスに属する関数であり、メンバ変数に対して操作を行います。メソッドを使用することで、クラスのデータを操作したり、特定の機能を実現したりできます。
具体例：メソッドを持つPersonクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
void setName(string n) {
name = n;
}
void setAge(int a) {
age = a;
}
};この例では、print、setName、およびsetAgeという3つのメソッドを持つPersonクラスを定義しています。setNameメソッドとsetAgeメソッドは、それぞれ名前と年齢を設定するためのメソッドです。
メソッドの定義と呼び出し
メソッドはクラス内で定義され、オブジェクトを通じて呼び出されます。以下の例では、メソッドの定義と呼び出し方法を示します。
具体例：メソッドの呼び出し
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
void setName(string n) {
name = n;
}
void setAge(int a) {
age = a;
}
};
int main() {
Person person;
person.setName("Alice");
person.setAge(30);
person.print();
return 0;
}この例では、Personオブジェクトpersonを作成し、setNameメソッドとsetAgeメソッドを使用してnameとageを設定しています。最後に、printメソッドを呼び出して、設定された名前と年齢を表示します。
メンバ変数とメソッドのアクセス
クラスのメンバ変数とメソッドは、アクセス指定子（public、private、protected）を使用してアクセス制御を行います。通常、メンバ変数はprivateにして、メソッドを通じてアクセスするようにします。これにより、データの不正な変更を防ぐことができます。
class Person {
private:
string name;
int age;
public:
void setName(string n) {
name = n;
}
void setAge(int a) {
age = a;
}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};この例では、nameとageをprivateに設定し、setNameおよびsetAgeメソッドを通じてアクセスしています。
アクセス指定子
アクセス指定子は、クラスのメンバ変数やメソッドへのアクセス権限を制御するために使用されます。C++では、public、private、protectedの3種類のアクセス指定子があります。これらを適切に使い分けることで、データのカプセル化とクラスの安全性を確保できます。
public
publicアクセス指定子は、クラス外部からでもメンバ変数やメソッドにアクセスできることを意味します。これは、インターフェース部分を公開するために使用されます。
具体例：publicメンバ
class Person {
public:
string name;
int age;
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};この例では、nameとage、およびprintメソッドがpublicとして定義されています。これにより、クラス外部から直接アクセスできます。
private
privateアクセス指定子は、クラス内部からのみメンバ変数やメソッドにアクセスできることを意味します。クラス外部からはアクセスできず、データの保護とカプセル化に役立ちます。
具体例：privateメンバ
class Person {
private:
string name;
int age;
public:
void setName(string n) {
name = n;
}
void setAge(int a) {
age = a;
}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};この例では、nameとageがprivateとして定義されています。これにより、クラス外部から直接アクセスすることはできず、setNameおよびsetAgeメソッドを通じてのみアクセスできます。
protected
protectedアクセス指定子は、クラス自身とその派生クラスからアクセスできることを意味します。クラス外部からはアクセスできませんが、継承関係にあるクラスからはアクセス可能です。
具体例：protectedメンバ
class Person {
protected:
string name;
int age;
public:
void setName(string n) {
name = n;
}
void setAge(int a) {
age = a;
}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
void setStudentDetails(string n, int a) {
name = n; // protectedメンバにアクセス可能
age = a; // protectedメンバにアクセス可能
}
};この例では、nameとageがprotectedとして定義されており、Studentクラス（Personクラスを継承）からアクセスできます。
アクセス指定子の使い分け
- public: クラスの外部からアクセス可能なインターフェースを提供する場合に使用します。
- private: クラスの内部でのみアクセス可能なメンバを定義し、データのカプセル化を実現する場合に使用します。
- protected: クラス自身および派生クラスからアクセス可能なメンバを定義し、継承関係でのデータ共有を実現する場合に使用します。
これらのアクセス指定子を適切に使い分けることで、クラスの安全性と柔軟性を高めることができます。
継承とポリモーフィズム
継承とポリモーフィズムは、オブジェクト指向プログラミングの中心的な概念であり、コードの再利用性と柔軟性を高めるために重要な役割を果たします。これらの概念を理解することで、より効果的にC++でプログラムを設計できます。
継承
継承は、既存のクラス（基底クラスまたは親クラス）の特性を引き継いで、新しいクラス（派生クラスまたは子クラス）を作成する機能です。これにより、既存のコードを再利用し、新しい機能を追加できます。
具体例：継承を使用したクラス定義
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
string school;
Student(string n, int a, string s) : Person(n, a), school(s) {}
void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << ", School: " << school << endl;
}
};
int main() {
Student student("Alice", 20, "XYZ University");
student.print();
return 0;
}この例では、Personクラスを基底クラスとし、Studentクラスがそれを継承しています。StudentクラスはPersonクラスのnameとageのメンバ変数を引き継ぎつつ、新たにschoolというメンバ変数を追加しています。
ポリモーフィズム
ポリモーフィズム（多態性）は、同じ操作が異なるデータ型のオブジェクトに対して異なる方法で実行されることを可能にする機能です。これにより、異なるクラスのオブジェクトを共通のインターフェースで扱うことができます。
具体例：ポリモーフィズムの使用
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
string name;
int age;
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
virtual void print() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
string school;
Student(string n, int a, string s) : Person(n, a), school(s) {}
void print() override {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << ", School: " << school << endl;
}
};
void displayPersonInfo(Person &p) {
p.print();
}
int main() {
Person person("Bob", 40);
Student student("Alice", 20, "XYZ University");
displayPersonInfo(person);
displayPersonInfo(student);
return 0;
}この例では、基底クラスPersonのprintメソッドがvirtualとして定義され、派生クラスStudentでオーバーライドされています。関数displayPersonInfoはPersonの参照を受け取り、ポリモーフィズムにより、PersonとStudentの両方のオブジェクトを適切に処理します。
継承とポリモーフィズムの利点
- コードの再利用性: 継承を使用することで、既存のコードを再利用し、新しいクラスを効率的に作成できます。
- 柔軟性: ポリモーフィズムを使用することで、異なるクラスのオブジェクトを同一のインターフェースで扱うことができ、プログラムの柔軟性が向上します。
- 拡張性: 新しい機能を追加する際に、既存のクラスを変更せずに拡張クラスを作成できます。
これらの概念を適切に理解し活用することで、C++のオブジェクト指向プログラミングの力を最大限に引き出すことができます。
クラスの応用例
C++のクラスを使用すると、複雑なプログラムを整理して管理することができます。ここでは、実際のプロジェクトでのクラスの応用例をいくつか紹介します。これにより、クラスの実践的な使い方を理解できます。
応用例1：銀行口座管理システム
銀行口座管理システムでは、口座の開設、預金、引き出し、残高照会などの機能を実装するためにクラスを使用できます。
具体例：Accountクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Account {
private:
string accountNumber;
double balance;
public:
Account(string accNum, double bal) : accountNumber(accNum), balance(bal) {}
void deposit(double amount) {
balance += amount;
cout << "Deposited: " << amount << ", New Balance: " << balance << endl;
}
void withdraw(double amount) {
if (amount > balance) {
cout << "Insufficient funds!" << endl;
} else {
balance -= amount;
cout << "Withdrawn: " << amount << ", New Balance: " << balance << endl;
}
}
void display() {
cout << "Account Number: " << accountNumber << ", Balance: " << balance << endl;
}
};
int main() {
Account acc("123456789", 1000.0);
acc.display();
acc.deposit(500.0);
acc.withdraw(200.0);
acc.withdraw(1500.0);
return 0;
}この例では、Accountクラスが定義され、口座番号と残高を管理しています。預金と引き出しの操作をメソッドで実装し、口座情報を表示する機能を提供しています。
応用例2：図書館管理システム
図書館管理システムでは、本の情報を管理し、貸出や返却の機能を実装するためにクラスを使用できます。
具体例：Bookクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Book {
private:
string title;
string author;
bool isBorrowed;
public:
Book(string t, string a) : title(t), author(a), isBorrowed(false) {}
void borrowBook() {
if (isBorrowed) {
cout << "Book already borrowed!" << endl;
} else {
isBorrowed = true;
cout << "You have borrowed: " << title << endl;
}
}
void returnBook() {
if (!isBorrowed) {
cout << "Book was not borrowed!" << endl;
} else {
isBorrowed = false;
cout << "You have returned: " << title << endl;
}
}
void display() {
cout << "Title: " << title << ", Author: " << author << ", Status: "
<< (isBorrowed ? "Borrowed" : "Available") << endl;
}
};
int main() {
Book book1("1984", "George Orwell");
Book book2("To Kill a Mockingbird", "Harper Lee");
book1.display();
book1.borrowBook();
book1.display();
book1.returnBook();
book1.display();
book2.display();
book2.borrowBook();
book2.display();
return 0;
}この例では、Bookクラスが定義され、書籍のタイトル、著者、貸出状態を管理しています。書籍の貸出と返却の操作をメソッドで実装し、書籍情報を表示する機能を提供しています。
応用例3：社員管理システム
社員管理システムでは、社員の情報を管理し、給与の計算などの機能を実装するためにクラスを使用できます。
具体例：Employeeクラス
#include <iostream>
using namespace std;
class Employee {
private:
string name;
int id;
double salary;
public:
Employee(string n, int i, double s) : name(n), id(i), salary(s) {}
void giveRaise(double percentage) {
salary += salary * (percentage / 100);
cout << "New salary for " << name << ": " << salary << endl;
}
void display() {
cout << "Name: " << name << ", ID: " << id << ", Salary: " << salary << endl;
}
};
int main() {
Employee emp1("John Doe", 1, 50000.0);
Employee emp2("Jane Smith", 2, 60000.0);
emp1.display();
emp1.giveRaise(10);
emp1.display();
emp2.display();
emp2.giveRaise(15);
emp2.display();
return 0;
}この例では、Employeeクラスが定義され、社員の名前、ID、給与を管理しています。給与の引き上げ操作をメソッドで実装し、社員情報を表示する機能を提供しています。
これらの応用例から、クラスを使用することで複雑なシステムを整理し、管理しやすくする方法がわかります。各システムの特定のニーズに合わせてクラスを設計し、メソッドを実装することで、効率的なプログラムを作成できます。
演習問題
学んだ内容を確認し、理解を深めるために以下の演習問題に取り組んでみましょう。これらの問題を通じて、クラスの基本概念、定義方法、コンストラクタとデストラクタ、メンバ変数とメソッド、アクセス指定子、継承とポリモーフィズムについて実践的に理解を深めることができます。
演習問題1：基本的なクラスの定義
以下の要件を満たすRectangleクラスを定義してください。
- メンバ変数：幅（
width）、高さ（height） - メソッド：面積を計算するメソッド（
area）、周囲の長さを計算するメソッド（perimeter） - コンストラクタを使用して幅と高さを初期化する
ヒント
#include <iostream>
using namespace std;
class Rectangle {
private:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double area() {
return width * height;
}
double perimeter() {
return 2 * (width + height);
}
void display() {
cout << "Width: " << width << ", Height: " << height
<< ", Area: " << area() << ", Perimeter: " << perimeter() << endl;
}
};
int main() {
Rectangle rect(5.0, 3.0);
rect.display();
return 0;
}演習問題2：クラスの継承
以下の要件を満たすSquareクラスをRectangleクラスを継承して定義してください。
- メンバ変数：一辺の長さ（
side） - コンストラクタを使用して一辺の長さを初期化し、親クラスのコンストラクタを呼び出す
ヒント
#include <iostream>
using namespace std;
class Rectangle {
protected:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double area() {
return width * height;
}
double perimeter() {
return 2 * (width + height);
}
void display() {
cout << "Width: " << width << ", Height: " << height
<< ", Area: " << area() << ", Perimeter: " << perimeter() << endl;
}
};
class Square : public Rectangle {
public:
Square(double s) : Rectangle(s, s) {}
void display() {
cout << "Side: " << width
<< ", Area: " << area() << ", Perimeter: " << perimeter() << endl;
}
};
int main() {
Square sq(4.0);
sq.display();
return 0;
}演習問題3：ポリモーフィズム
Shapeという基底クラスを定義し、それを継承するCircleクラスとRectangleクラスを作成してください。各クラスには面積を計算するareaメソッドを実装し、基底クラスでは仮想関数として定義してください。また、異なる形状の面積を計算する関数を作成し、ポリモーフィズムを実践してください。
ヒント
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
class Shape {
public:
virtual double area() = 0;
};
class Circle : public Shape {
private:
double radius;
public:
Circle(double r) : radius(r) {}
double area() override {
return M_PI * radius * radius;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
double width;
double height;
public:
Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
double area() override {
return width * height;
}
};
void displayArea(Shape &shape) {
cout << "Area: " << shape.area() << endl;
}
int main() {
Circle circle(5.0);
Rectangle rect(4.0, 3.0);
displayArea(circle);
displayArea(rect);
return 0;
}これらの演習問題を通じて、クラスの定義、継承、ポリモーフィズムの概念を実践的に学び、C++のオブジェクト指向プログラミングについての理解を深めることができます。
まとめ
この記事では、C++におけるクラスの基本概念から具体的な定義方法、コンストラクタとデストラクタの役割、メンバ変数とメソッドの利用、アクセス指定子の使い方、そして継承とポリモーフィズムについて詳しく解説しました。さらに、クラスの実際の応用例を通じて、現実世界の問題にどのようにクラスを適用できるかを示しました。
クラスは、オブジェクト指向プログラミングの核となる要素であり、プログラムの構造を整理し、再利用性と保守性を高めるために不可欠です。演習問題を通じて、学んだ概念を実践的に理解し、自分のプログラムに適用できるようになったことと思います。C++のクラスを使いこなすことで、より効率的で強力なプログラムを作成できるようになります。
コメント