《Effective C++》:条款34:区分接口继承和实现继承

时间:2022-03-11 10:06:23

    public继承的概念,由2部分构成:函数接口(function Interface)继承和函数实现(function implementation)继承。这两种继承的差异有点像函数的声明和函数的定义之间的差异。

    我们在设计class时,有时希望derived class只继承函数的接口(即函数声明);有时候希望derived class继承函数接口和实现,但又覆写它们所继承的实现;又有时候希望derived class同时继承函数的接口和实现,但不覆写任何东西。

    为了更好理解上述差异,用一个绘图程序来说明:

        class Shape{
    public:
    virtual void draw() const=0;
    virtual void error(const std::string& msg);
    int objectID() const;
    ……
    };
    class Rectangle: public Shape{……};
    class Ellipse:public Shape{……};

    Shape中有pure virtual函数,所以它是个抽象类,不能创建Shape对象,但Shape强烈影响了所有以public继承它的derivedclass,因为
    - 成员函数的接口总会被继承。条款32所说,public继承意味着is-a

    Shape class有三个函数。draw是pure virtual函数;error是impure pure函数;objectID是non-virtual函数。

    pure virtual函数有两个特点:它们必须被继承了它们的具体class重新声明,而且在抽象class中通常没有定义。这也就是说明:

    • 声明一个pure virtual函数的目的是为了让derived class只继承函数接口。

    这也是合情合理的,因为Shape::draw并不知道我们要画什么图像,当然无法给出实现了。但是我们可以为pure virtual函数提供定义,即为Share::draw提供一份实现,C++不会发出怨言,但是调用这个函数的唯一途径是调用时指明其class名称:

     Shape* ps=new Shape;
    ps->draw();
    ps->Share::draw();

    impure virtual函数和pure virtual函数有所不同,derived classes继承其函数接口,但impure virtual函数会提供一份实现代码,derived class可能覆写(override)它。

    • 声明简朴的(非纯)impure virtual函数的目的,是让derived classes继承该函数的接口和缺省实现。

    考虑Shape::error这个例子,error接口表示,每个class都必须支持一个遇上错误时可调用的函数,但每个class可以*处理错误。如果某个class不想针对错误做出特殊行为,可以退回到Shape class提供的缺省错误处理行为。也就是说Shape::error的声明式告诉derived class设计者:你必须支持一个error函数,但如果你不想自己写,可以使用Shape class提供的缺省版本。

    如果允许impure virtual函数同时指定函数声明和函数缺省行为,有可能造成危险。考虑一个具体例子,一个XYZ航空公司设计飞机继承体系,该公司有A型和B型两种飞机,都以相同方式飞行,可以考虑这样设计继承体系:

        class Airport{ ……};
    class Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destation);
    ……
    };
    void Airplane::fly(const Airport& destation)
    {
    //将飞机飞到指定的destination
    }
    class ModelA: public Airplane{……};
    class ModelB: public Airplane{……};

    因为不同型飞机不需要不同的fly实现,Airplane::fly被声明为virtual;为了避免在ModelA和ModelB重新撰写相同代码,缺省的飞行行为有Airplane::fly提供。

    上面这种设计方式是典型的面向对象设计。两个classes共享的性质放到base class中,然后被这两个class继承。这样可以突出共同性质,避免代码重复。

    但是如果XYZ要购买一种新型飞机C,C和A、B飞行方式不同。XYZ公司程序员给C型飞机添加了一个class,但是没有重新定义fly函数

    class ModelC: public Airplane{……};

    然后又写了如下代码

        Airport PDX();//某个机场
    Airplane* pa=new ModelC;
    ……
    pa->fly(PDX);//调用了Airplane::fly

    这会造成大灾难,因为程序员试图以ModelA或ModelB的方式来飞ModelC。问题不在于Airplane::fly有缺省行为,在于ModelC在未搞清楚的情况下就使用了这个缺省行为。幸运的是可以做到:提供缺省实现给derived classes,但是除非derived classes真的要用。这个做法是切断virtual函数接口和其缺省实现之间的连接。

        class Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destation)=0;
    protected:
    void defaultFly(const Airport& destation);
    };
    void Airplane::deFaultFly(const Airport& destation)
    {
    //将飞机飞到指定目的地
    }

    这里将Airplane::fly改为pure virtual函数,只提供接口。但是缺省的行为在Airplane::defaultFly函数中出现。如果要使用其缺省行为,可以在fly函数调用defaultFly函数。

        class ModelA: public Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destation)
    { defaultFly(destation)}
    };
    class ModelB: public Airplane
    ……

    class ModelC: public Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destination);
    };
    void ModelC:fly(const Airport& destination)
    {
    //将C型飞机飞到指定目的地
    }

    上面设计中,Airplane::defaultFly是个non-virtual,derived classes不用重新定义(**条款**36)。如果Airplane::defaultFly是virtual函数,就会出现循环问题:万一derived classes忘记重新定义defaultFly函数会怎样?

    有的人返回以不同的函数分别将提供接口和缺省实现,这样会因为过度雷同的函数名称引起class命名空间污染问题;但是他们同意接口和缺省实现应该分开。我们可以利用“pure virtual函数必须在derived classes中重新声明,但它们可以拥有自己的实现”这个特点

        class Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destination)=0;
    ……
    };
    void Airplane::fly(const Airport& destination)//pure virtual函数实现
    {
    //缺省实现
    }


    class ModelA: public Airplane{
    public:
    virtual void fly(const Airport& destination)
    {Airplane::fly(destination);}
    ……
    };
    class ModelB:public Airplane
    ……

    class ModelC: public Airplane
    {
    public:
    virtual void fly(const Airport& destination);
    ……
    };
    void ModelC::fly(const Airport& destination)
    {
    //ModelC的实现
    }

    这个实现和上一个不同之处在于,用pure virtual函数Airplane::fly替换了独立函数Airplane::defaultFly。现在的fly被分割为两个基本要素:其声明部分表现为接口(derived classes必须使用),定义部分表现为缺省行为(derived classes明确提出申请才可以用)。

    最后来看看Shape的non-virtual函数objectID;Shape::objectID是个non-virtual函数,这意味着它不打算在derived class中有不同行为。

    • 声明non-virtual函数的目的是为了令derived classes继承函数 的接口及一份强制性实现。

    可以把Shape::objectID看做“每个Shape对象都有一个用来产生识别码的函数,这个识别码采用相同计算方法。non-virtual函数代表的意义是不变性(invariant)凌驾特异性(specialization),所以不应该在derived classes中被重新定义,这个**条款**36讨论的重点。

    pure virtual函数对应只继承接口;simple(impure) virtual函数对应继承接口和一份缺省实现;non-virtual函数对应继承接口和一份强制实现。在设计classes时,要分清这些区别和联系,否则容易犯两个错误:

    • 第一个错误是将所有函数声明为non-virtual。这会使derived classes没有空间进行特化工作;non-virtual函数会给析构函数带了问题(条款**7)。如果关心virtual函数的成本问题,可以参考条款**30的80-20法则。典型的程序有80%时间在执行20%代码,函数中有80%的virtual函数不一定会给程序带了多大效率损失,将心力花在20%代码上才是关键。
    • 第二个错误是将所有成员函数声明为virtual。有时候这样是正确的,例如**条款**31的Interface classes。如果有些函数在derived classes中不应该被重新定义,那么就应该将这些函数声明为non-virtual。

    总结

    • 接口继承和实现继承不同。在public继承下,derived classes总是继承base classes的接口。
    • pure virtual函数只具体指定接口继承。
    • impure virtual函数具体指定接口继承和缺省实现继承。
    • non-virtual函数具体指定接口继承和强制性实现继承。