Effective C++(20) 继承与面向对象设计

本文主要参考《Effective C++ 3rd》中的第六章部分章节的内容。

关注的问题集中在继承、派生、virtual函数等。如：

• virtual? non-virtual? pure virtual?
• 缺省参数值与virtual函数有什么交互影响？
• 继承如何影响C++的名称查找规则？
• 什么情况下有比virtual更好的选择？

这些都是我们将要从这一章里学到的内容。

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1 确定你的public继承可以塑模出is-a关系

谨记public继承的含义：

如果class D以public形式继承class B，则每一个类型D的对象同时也是一个类型B的对象，反之不成立。

即，B比D表现出更一般化的概念，而D比B表现出更特殊的概念。

如：

class Person { ... };

class Student : public Person { ... };

这个体系告诉我们：每个学生都是人，但并非每个人都是学生。

从C++的角度来看，任何函数，如果期望获得一个类型为Person（或指向Person对象的指针或引用），也都愿意接受一个Student对象（或指针或引用）。

需要留意的一点是：

以我们在生活中的直觉为基础来塑模is-a关系有时是错误的，可以说犯了“经验主义错误”。

如：

class Square应该以public形式继承class Rectangle吗？

即正方形是一个（is-a）矩形吗？

至少我们在学校里是这么学到的：正方形是一个矩形，但是矩形不一定是正方形。

那么我们来写一些这个继承

class Rectangle {

public:

    virtual void setHeight(int newHeight);

    virtual void setWidth(int newWidth);

    virtual int height() const;

    virtual int width() const;

    ......

};

void makeBigger (Rectangle& r) {

    int oldHeght = r.height();

    r.setWidth(r.width() + );

    assert( r.heght() == oldHeght );    // 判断r的高度是否改变，永为真。

}

在这个矩形的基础上派生出一个正方形

class Square : public Rectangle { ... };

Square s;
...
assert( s.width() == s.height() );
makeBigger(s);
assert( s.widht() == s.height() );

显然makeBigger只改变矩形的宽度，而不改变矩形的长度。这和s是个正方形矛盾。

public所包含的含义为：能够使用在base class对象身上的每件事，应该同样可以使用在derived class对象身上。

由此可见，其他领域或者生活中，我们习得的直觉，在软件领域并不总是正确的。

因此，除了is-a关系，我们还要更多地思考和在适当的场合使用has-a和is-implemented-in-terms-of（根据某物实现出）

小结：

“public继承”意味着is-a。适用于base classes身上的每一件事情一定也适用于derived classes身上，每一个derived class对象也都是一个base class对象。

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2 避免遮掩继承而来的名称

关键字：作用域。

先看一个简单的例子：

int x;

void someFunc() {
    double x;
    std::cin >> x；
}

这个读取数据的语句使用的是局部变量x，而不是全局变量x。因为内层作用域的名称会遮掩外围作用域的名称。

加入继承机制，有如下的代码：

class Base {

private:

    int x;

public:

    virtual void mf1() = ;

    virtual void mf2() ;

    void mf3();

    ....

};

class Derived : public Base {
public:

    virtual void mf1();

    void mf4();
    ....
};

mf4函数中有如下实现：

void Derived::mf4() {
    ...
    mf2();
    ...
}

编译器的查找作用域顺序：

local作用域--->class Derived覆盖的作用域

---> class覆盖的作用域（本例到这停止）

---> Base的那个namespace作用域

---> global作用域。

现在来为上面的两个类加几个成员函数：

class Base {

private:

    int x;

pubic:

    virtual void mf1() = ;

    virtual void mf1( int );

    virtual void mf2() ;

    void mf3();

    viod mf3( double );

    ....

};

class Derived : public Base {

public:

    virtual void mf1();

    void mf3();

    void mf4();

    ....

};

这样做会有什么效果呢？

Derived d;

int x;

......

d.mf1();
d.mf1(x);    //error
d.mf2();
d.mf3();
d.mf3(x);    //error

由此可见，基于作用的名称遮掩规则，并没有因为重载函数而特殊处理，那些名字相同的重载函数同样被遮掩掉了。

如果我们想在子类中继承那些重载函数，并重写其中的一部分（像本例中的mf1和mf3），那么可以使用using语句

让Base class内名为mf1和mf3的所有东西（所有重载函数）在Derived作用域内都是可见的。

class Base {

private:

    int x;

public:

    Base() {};

    virtual void mf1() = ;

    virtual void mf1( int m ) { std::cout << "Base mf1 int: "<< m << std::endl; } ;

    virtual void mf2() { std::cout << "Base mf2 " << std::endl; };

    void mf3() { std::cout << "Base mf3" << std::endl;};

    void mf3( double m ) { std::cout << "Base mf3 double:" << m << std::endl; };

};

class Derived : public Base {

public:

    using Base::mf1;        // 让Base class内名为mf1和mf3的所有东西（所有重载函数）

    using Base::mf3;        // 在Derived作用域内都是可见的。

    virtual void mf1() { std::cout << "Derived mf1" << std::endl; };

    void mf3() { std::cout << "Derived mf3" << std::endl; };

    void mf4() { std::cout << "Derived mf4" << std::endl; };

};

调用：

Derived* d = new Derived();

d->mf1();
d->mf1();
d->mf2();
d->mf3();
d->mf3();
d->mf4();

运行截图：

上面这种技术告诉我们如何继承所有重载函数，实现is-a的关系。

有时候我们并不想继承base classes的所有函数，而是用public继承和名字遮掩规则又不符合public继承所包含的is-a关系。

因此，这里介绍一种转交函数技术，很简单，看一个例子就懂了。

class Base {
public:
    virtual void mf1() = ;
    virtual void mf1(int );
    ....
};

class Derived : private Base {

public:

    virtual void mf1() { Base::mf1(); }   // 转交函数
    ......
};

小结：

derived classes内的名称会遮掩base classes内的所有相同名称的重载函数，在public继承下这个机制并不希望发挥作用。

可使用using声明式或转交函数来调用被遮掩的重载函数。

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3 区分接口继承和实现继承

选择继承的集中情况：

• a：希望derived classes只继承成员函数的接口
• b：希望derived classes同时继承函数的接口和实现，又希望能够重写它们所继承的实现
• c：希望derived classes同时继承函数的藉口和实现，并且不允许重写任何东西

看一个几何图形例子：

class Shape {

public:

    virtual void draw() const = ;

    virtual void error(const std::string& msg);

    int objectID() const;

};

class Rectangle: public Shape { ...... };

class Ellipse: public Shape { ...... };

首先考虑纯虚函数draw

pure virtual函数有两个最突出的特征：

• 它们必须被任何“继承了它们”的子类重新声明
• 它们在抽象class中通常没有定义

综合上面两个特征：声明一个纯虚函数的目的是为了让derived class只继承函数接口

满足了本节开头的情景a。

考虑虚函数error。

虚函数的目的是让derived classes继承该函数的接口和缺省实现。满足了情景b。

最后，考虑non-virtual函数objectID。

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。

对应了情景c。

纯虚函数、虚函数和非虚函数使得你可以精确地指定你想要derived classes继承的东西。

小结：

接口继承和实现继承不同。在public继承之下，derived classes总是继承base class的接口

pure virtual函数只具体指定接口继承。

virtual 函数具体指定接口继承及缺省实现继承。

non-virtual函数具体指定接口继承以及强制性实现继承。

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4 考虑virtual函数之外的选择

考虑为游戏内的人物设计一个继承体系。

class GameCharacter {
public:
    virtual int healthValue() const;    // 返回人物的健康指数。
    ......
};

有时候，常规的面向对象设计方法往往看起来是那么的自然，以至于我们从未考虑其他的一些解法。

这一节就让我们跳出常规设计的思维，考虑一些不那么常规的设计方法。

方法1：借由non-virtual interface手法实现Template Method模式

class GameCharacter {

public:

    int healthValue() const  {
        ...
        int retVal = doHealthValue();
        ...
        return retVal;
    }

    ....

private:
    virtual int doHealthValue() const {
        ...
    }

};

让客户通过public non-virtual成员函数间接调用private virtual函数，称为non-virtual interface（NVI）手法。

这个non-virtual函数（healthValue）称为virtual函数的包装器（wrapper）。

从程序执行的角度来看，derived classes重新定义了virtual函数，从而赋予它们“如何实现功能”的控制能力，base classes保留控制“函数何时被调用”的权利。

方法2：借由Function Pointer实现Strategy模式

代码如下：

class GameCharacter:;

int defaultHealthCalc(const GameCharacter& gc);

class GameCharacter {

public:

    typedef int ( *HealthCalcFunc ) ( const GameCharacter& );

    explicit GameCharacter( HealthCalcFunc hcf = defaultHealthCalc ) : healthFunc(hcf) { }

    int healthValue() const {
        return healthFunc(*this);
    }

    ...

private:
    HealthCalcFunc healthFunc;
};

还有其他的一些方法，在此并不一一讨论，详见《Effective C++》

5 绝不重新定义继承而来的non-virtual函数

在子类中重定义继承而来的non-virtual函数，会导致子类你的设计出现矛盾。

比如在class Base有一个non-virtual函数setBigger，而所有继承Base的子类都可以执行变大的动作，那么这个动作就是一个不变性（共性）。

而在class Derived : public Base子类中，重写了setBigger函数，那么class Derived便无法反映出“不变性凌驾于特性”的性质。

从另一方面说，如果setBigger操作真的需要在子类中重定义，那么就不应该把它设定为一个共性（non-virtual）。

因此，重新定义继承来的non-virtual函数可能并不会对你的程序的运行造成太大的困扰，但是正如上面提到的，这是设计上的矛盾，或者说缺陷。

6 绝不重新定义继承而来的缺省参数值

本小节的讨论局限于“继承一个带有缺省参数值的virtual函数”。

理由：virtual函数动态绑定，缺省参数值静态绑定。

class Shape {

public:
    Shape() {};

    enum ShapeColor { Red = "red", Green = "green" , Blue = "blue"};

    virtual void draw(ShapeColor color = Red) const =
    {
        std::cout << "This shape is " << color << std::endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle() {};
    virtual void draw ( ShapeColor color = Green ) const;
};

class Circle : public Shape {
public:
    virtual void draw(ShapeColor color) const;
};

先考虑如下指针

Shape* ps;
Shape* pc = new Circle;
Shape* pr = new Rectangle;

ps、pc、pr的静态类型都是Shape*

所谓动态类型就是“目前所指对象的类型”。也就是说动态类型可以表现出一个对象将会有什么行为。

在本例中，ps没有动态类型，pc的动态类型为Circle*，pr的动态类型为Rectangle*。

动态类型可以在程序执行过程中改变（通常是经由赋值动作）。如

ps = pc;    // ps的动态类型现在是Circle
ps = pr;    // ps的动态类型现在是Rectangle

上面是对动态绑定和静态绑定的简单复习。

现在，考虑带有缺省参数值的virtual函数。

在上面的例子中，Shape中的draw函数的color默认参数是Red，而子类中的draw函数的color默认参数是Green。

Shape* shape = new Rectangle();
shape->draw();

根据动态绑定规则，上述代码的输出应该为：This shape is 1

但是运行代码之后会发现，结果并不是我们想的那样。

我们来分析一下导致这种结果的原因：

shape的动态类型为Rectangle*，调用draw时，根据动态绑定，调用的应该为Rectangle的版本

Rectangle版本的draw的默认参数应该为Green(1)

而结果是Red(0)

为了更清楚的看一下究竟调用的是哪一个draw，我们多加一点打印信息。

ok，结果很清楚了，函数调用的版本是Rectangle*，但是默认参数调用的是Shape*中定义的。

所以结论就是：这个函数调用由class Shape和class Rectangle class的draw声明式各出一半力。

那么C++为什么有这么奇怪的设定呢？简单的说，就是：性能。运行期对参数动态绑定缺省值很慢很复杂，所以考虑到性能问题，并没有支持默认参数的动态绑定。

小结：

所以正如本节的标题，禁止重载一个继承而来的默认参数值，因为缺省参数值都是静态绑定，而使用这些默认参数的virtual函数却是动态绑定。

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参考资料：

《Effective C++ 3rd》