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C++ MODULE03 : 階層型ロボット シミュレーションの構築 ~継承~

2024/05/09に公開
C++
継承
クラス
polymorphism
overload
tech

はじめに

C++ でのオブジェクト指向プログラミングを理解することの重要性について簡単に説明します。
課題の概要: さまざまなタイプのロボット ( ClapTrap、ScavTrap、FragTrap、およびDiamondTrap) を表すマルチレベルのクラス階層を実装します。

1. 基本の理解 – ClapTrap クラスの基本と初期化

ClapTrapクラスは、ゲーム内のロボットキャラクターの基本的な動作をシミュレートするために設計されています。このクラスは、プログラマーがオブジェクト指向プログラミングの基礎を理解し、具体的な例を通じて学ぶための架空の例です。以下は、ClapTrapクラスの主要な機能とその実装の詳細です。

コンストラクタとデストラクタ

  • パラメータ付きコンストラクタ:
    ClapTrap::ClapTrap(std::string name) コンストラクタでは、ClapTrap インスタンスが生成される際に名前を受け取り、その他の属性（ヒットポイント、エネルギーポイント、攻撃力）は初期値に設定されます。この初期化により、各インスタンスは独自の状態を持ち、活動開始時には既定の属性値で配置されます。
  • デフォルトコンストラクタ:
    ClapTrap::ClapTrap() コンストラクタでは、名前が「ClapTrap」として自動的に設定され、他の属性もデフォルト値で初期化されます。これにより、明示的な名前が必要ない場合に便利です。
  • デストラクタ:
    ClapTrap::~ClapTrap() はオブジェクトの生存期間が終了する際に呼び出され、リソースのクリーンアップや終了処理を行います。このデストラクタは、インスタンスが破棄されるときに確実にメッセージを表示します。

メンバ関数

  • 攻撃 (attack):
    void ClapTrap::attack(const std::string& target) 関数は、ClapTrapが攻撃を行う際に使用されます。この関数は、対象に対して設定されたダメージ量を適用し、アクションを標準出力にログとして記録します。
  • ダメージ受け取り (takeDamage):
    void ClapTrap::takeDamage(unsigned int amount) は、外部からの攻撃を受けた際に呼び出される関数です。この関数は、受け取ったダメージをヒットポイントから減算し、現在のヒットポイントを更新します。
  • 修理 (beRepaired):
    void ClapTrap::beRepaired(unsigned int amount) は、ダメージを受けた後でClapTrapを修復するために使用されます。修理にはエネルギーポイントが消費され、ヒットポイントが増加します。

オペレータオーバーロード

  • 代入演算子 (operator=):
    この演算子は、ClapTrapインスタンス間で状態をコピーする際に使用されます。これにより、一方のインスタンスの属性が別のインスタンスに正確に複製されます。
  • プログラムの流れ
    main 関数では、ClapTrapクラスのインスタンスが作成され、様々なアクション（攻撃、被ダメージ、修復）が実行されます。これにより、ClapTrapクラスの動作を実際に観察し、その挙動を検証することが可能になります。

2. 機能の拡張 – ScavTrap と FragTrapの導入

このセクションでは、ClapTrap クラスを継承して新しい機能を追加する二つの派生クラス ScavTrap と FragTrap を紹介します。これらのクラスは ClapTrap の基本的な構造を引き継ぎつつ、特有の特性と機能を追加して、より特化した動作を実現します。

ScavTrapの導入

  • コンストラクタ:
    ScavTrap は、名前をパラメータとして受け取り、ヒットポイント、エネルギーポイント、攻撃力を独自の値（それぞれ100、50、20）に設定して初期化します。これにより、ClapTrap よりも耐久力と攻撃力が高いキャラクターが形成されます。
  • ゲートキーパーの役割:
    guardGate() 関数は ScavTrap がゲートキーパーとしての役割を果たす際に呼ばれ、その状態を出力します。これは ScavTrap に固有の機能であり、クラスの個性を示すものです。
  • デストラクタとコピー操作:
    ScavTrap のデストラクタ、コピー構築子、代入演算子は適切なメッセージとともに実行され、オブジェクトのライフサイクル管理を明確にトレースできます。

FragTrapの導入

  • コンストラクタ:
    FragTrap クラスも ClapTrap から属性を継承し、更にヒットポイント、エネルギーポイントを100に、攻撃力を30に設定しています。これにより、さらに強力なバトル性能を持つキャラクターが構築されます。
  • ハイファイブの要求:
    highFivesGuys() は FragTrap のユニークな公共関数で、肯定的なインタラクションを促すものです。これはゲーム内でプレイヤーとの親しみやすいやり取りを提供します。
  • デストラクタとコピー操作:
    FragTrap におけるデストラクタ、コピー構築子、代入演算子もそれぞれ独自の実装を持ち、オブジェクト管理の詳細が反映されます。

継承とポリモーフィズム(多相)

アドホック多相（Ad-hoc polymorphism）は、プログラミングにおいて、同じ関数名を異なるタイプの引数に対して使えるようにする概念です。この概念は特に関数のオーバーロード（function overloading）やオペレータのオーバロード（operator overloading）に関連しています。

  1. 関数のオーバーロード: 同じ名前の関数を複数定義するが、それぞれ異なるタイプの引数を取る。コンパイラは引数のタイプに基づいて、どの関数を呼び出すかを決定します。

  2. オペレータのオーバロード: 通常の演算子（例えば + や * など）をクラスやデータタイプに合わせてカスタマイズする。これにより、特定のデータタイプで演算子が自然に動作するようになります。

  3. ScavTrap と FragTrap は、ClapTrap の基本機能を継承しつつ、特定のシナリオや役割に特化した機能を追加することで、よりリッチなゲームプレイ体験を提供します。これらのクラスはオブジェクト指向設計の優れた例であり、継承とポリモーフィズムの概念を実際のプログラミングプラクティスに適用しています。

3. 高度な継承 – DiamondTrap クラスの作成

このセクションでは、ScavTrap と FragTrap から両方継承を行う DiamondTrap クラスの実装を掘り下げます。このクラスは複数継承の概念を具体的に示し、継承の際に生じる問題とその解決策を探ります。

二重継承

DiamondTrap は ScavTrap と FragTrap の両方から継承しており、これにより両クラスの属性と振る舞いを受け継ぎます。このような継承構造は、特にC++において「ダイヤモンド問題」として知られる問題を引き起こす可能性があります。ダイヤモンド問題は、同じベースクラスから派生した複数のクラスをさらに一つのクラスが継承する場合に、ベースクラスのコピーが複数存在してしまうことに起因します。この問題は、DiamondTrap が ClapTrap の一意の属性やメソッドに正しくアクセスできるようにするため、明示的なスコープ指定や仮想継承を用いて解決されます。

  • 特別な機能: whoAmI()
    DiamondTrap に導入された whoAmI() 関数は、このクラスがそのインスタンスの名前と、継承した ClapTrap の名前を出力します。この関数はポリモーフィズムの実践的な応用を示すものであり、複数のベースクラスから属性を適切に取り扱う方法を示しています。

ダイアモンド問題とは？

ダイヤモンド問題は、一つのクラスが同じベースクラスを二つの異なるルートから継承する場合に発生します。例えば、ClapTrap というベースクラスから ScavTrap と FragTrap が派生し、これら二つのクラスから DiamondTrap が派生する場合、DiamondTrap は ClapTrap の二つの異なるインスタンスを継承することになります。このような状況下で、ClapTrap のメンバーにアクセスしようとすると、どちらのインスタンスのメンバーを使うべきかが曖昧になり、プログラムが正しく動作しなくなる可能性があります。

仮想継承の役割

仮想継承を使用すると、複数の派生クラスが同一のベースクラスを共有することができます。具体的には、派生クラスがベースクラスの単一のインスタンスを共有し、その結果、ベースクラスのメンバーに一意にアクセスできるようになります。これにより、ダイヤモンド問題が解消されます。

仮想継承の使用方法

仮想継承を実装するには、継承を宣言する際に virtual キーワードを使用します。例えば、ScavTrap と FragTrap が ClapTrap を仮想的に継承する場合、以下のように書きます：

class ScavTrap : virtual public ClapTrap {
    // ScavTrap の実装
};

class FragTrap : virtual public ClapTrap {
    // FragTrap の実装
};

名前管理

DiamondTrap は、コンストラクタで受け取った名前を内部的に管理しつつ、ClapTrap 用の名前を変更することで、名前の衝突や混乱を避けます。この処理は、名前を ClapTrap のものと区別して保持しつつ、それを基にして ClapTrap の名前を生成（name + "_clap_name"）することで行われます。このアプローチは、複数継承がもたらす名前空間の問題を解決する一例です。

まとめ

DiamondTrap の実装は、C++ における複雑な継承構造とオブジェクト指向プログラミングの高度な概念を理解する上で非常に教育的です。このクラスを通じて、複数継承の利点と課題、特に名前管理とメモリ管理の重要性が強調されます。また、DiamondTrap の設計は、実際のアプリケーション開発における類似の問題に対する洞察と解決策を提供します。

結論

プログラムの理解することは世界を理解することにつながる

参考

https://rinatz.github.io/cpp-book/
http://www.s-cradle.com/developer/sophiaframework/tutorial/Cpp/inherit.html

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