c++ 程序设计 适用于电子书下载 txt格式

第六章 继承和面向对象设计 很多人认为，继承是面向对象程序设计的全部。这个观点是否正确还有待争论，但本书其它章节的条款数量足以证明，在进行高效的C++程序设计时，还有更多的工具听你调遣，而不仅仅是简单地让一个类从另一个类继承。 然而，设计和实现类的层次结构与C语言中的一切都有着根本的不同。只有在继承和面向对象设计领域，你才最有可能从根本上重新思考软件系统构造的方法。另外，C++提供了多种很令人困惑的面向对象构造部件，包括公有、保护和私有基类；虚拟和非虚拟基类；虚拟和非虚拟成员函数。这些部件不仅互相之间有联系，还和C++的其它部分相互作用。所以，对于每种部件的含义、什么时候该用它们、怎样最好地和C++中非面向对象部分相结合 ---- 要想真正理解这些，就要付出艰苦的努力。 使得事情更趋复杂的另一个原因是，C++中很多不同的部件或多或少地好象都在做相同的事。例如： · 假如需要设计一组具有共同特征的类，是该使用继承使得所有的类都派生于一个共同的基类呢，还是使用模板使得它们都从一个共同的代码框架中产生？ · 类A的实现要用到类B，是让A拥有一个类型为B的数据成员呢，还是让A私有继承于B？ · 假设想设计一个标准库中没有提供的、类型安全的同族容器类（条款49列出了标准库实际提供的容器类），是使用模板呢，还是最好为某个 "自身用普通（void*）指针来实现" 的类建立类型安全的接口呢？ 在本章节的条款中，我将指导大家怎样去回答这类问题。当然，我不可能顾及到面向对象设计的方方面面。相反，我将集中解释的是：C++中不同的部件其真正含义是什么，当使用某个部件时你真正做了什么。例如，公有继承意味着 "是一个" （详见条款35），如果使它成为别的什么意思，就会带来麻烦。相似地，虚函数的含义是 "接口必须被继承"，非虚函数的含义是 "接口和实现都要被继承"。不能区分它们之间的含义会给C++程序员带来无尽的痛苦。 如果能理解C++各种部件的含义，你将发现自己对面向对象设计的认识大大转变。你将不再停留在为区分C++语言提供的不同部件而苦恼，而是在思考要为你的软件系统做些什么。一旦知道自己想做什么，将它转化为相应的C++部件将是一件很容易的事。 做你想做的，理解你所做的！这两点的重要性绝没有过分抬高。接下来的条款将对如何高效地实现这两点进行了详细的讨论。条款44总结了C++面向对象构造部件间的对应关系和它们的含义。它是本章节最好的总结，也可作为将来使用的简明参考。 -------------------------------------------------------------------------------- 条款35: 使公有继承体现 "是一个" 的含义 在"Some Must Watch While Some Must Sleep"（ W. H. Freeman and Company, 1974）一书中，William Dement讲了一个故事，故事说的是他如何让学生们记住他的课程中最重要的部分。"据说，"，他告诉他的学生，"一般的英国学生除了记得Hastings战役发生在1066年外，再也不记得其它历史。"， "如果一个小孩不记得别的历史，" Dement强调说，"也一定记得1066这个日子。" 但对于他班上的学生来说，只有很少一些话题可以引起他们的兴趣，比如，安眠药会引起失眠之类。所以他哀求他的学生，即使忘掉他在课堂上讲授的其它任何东西，也要记住那些仅有的几个重要的历史事件。而且，他在整个学期不停地对学生灌输这一基本观点。 学期结束时，期末考试的最后一道题是，"请写下你从课程中学到的一辈子都会记住的东西"。当Dement评改试卷时，他大吃一惊。几乎所有学生都写下了 "1066"。 所以，在这里我也以极度颤抖的声音告诉你，C++面向对象编程中一条重要的规则是：公有继承意味着 "是一个" 。一定要牢牢记住这条规则。 当写下类D（"Derived" ）从类B（"Base"）公有继承时，你实际上是在告诉编译器（以及读这段代码的人）：类型D的每一个对象也是类型B的一个对象，但反之不成立；你是在说：B表示一个比D更广泛的概念，D表示一个比B更特定概念；你是在声明：任何可以使用类型B的对象的地方，类型D的对象也可以使用，因为每个类型D的对象是一个类型B的对象。相反，如果需要一个类型D的对象，类型B的对象就不行：每个D "是一个" B， 但反之不成立。 C++采用了公有继承的上述解释。看这个例子： class Person { ... }; class Student: public Person { ... }; 从日常经验中我们知道，每个学生是人，但并非每个人是学生。这正是上面的层次结构所声明的。我们希望，任何对 "人" 成立的事实 ---- 如都有生日 ----也对 "学生" 成立；但我们不希望，任何对 "学生" 成立的事实 ---- 如都在某一学校上学 ----也对 "人" 成立。人的概念比学生的概念更广泛；学生是一种特定类型的人。 在C++世界中，任何一个其参数为Person类型的函数（或Person的指针或Person的引用）可以实际取一个Student对象（或Student的指针或Student的引用）： void dance(const Person& p); // 任何人可以跳舞 void study(const Student& s); // 只有学生才学习 Person p; // p是一个人 Student s; // s是一个学生 dance(p); // 正确，p是一个人 dance(s); // 正确，s是一个学生， // 一个学生"是一个"人 study(s); // 正确 study(p); // 错误! p不是学生 只是公有继承才会这样。也就是说，只是Student公有继承于Person时，C++的行为才会象我所描述的那样。私有继承则是完全另外一回事（见条款42），至于保护继承，好象没有人知道它是什么含义。另外，Student "是一个" Person的事实并不说明Student的数组 "是一个" Person数组。关于这一话题的讨论参见条款M3。 公有继承和 "是一个" 的等价关系听起来简单，但在实际应用中，可能不会总是那么直观。有时直觉会误导你。例如，有这样一个事实：企鹅是鸟；还有这样一个事实：鸟会飞。如果想简单地在C++中表达这些事实，我们会这样做： class Bird { public: virtual void fly(); // 鸟会飞 ... }; class Penguin:public Bird { // 企鹅是鸟 ... }; 突然间我们陷入困惑，因为这种层次关系意味着企鹅会飞，而我们知道这不是事实。发生什么了？ 造成这种情况，是因为使用的语言（汉语）不严密。说鸟会飞，并不是说所有的鸟会飞，通常，只有那些有飞行能力的鸟才会飞。如果更精确一点，我们都知道，实际上有很多种不会飞的鸟，所以我们会提供下面这样的层次结构，它更好地反映了现实： class Bird { ... // 没有声明fly函数 }; class FlyingBird: public Bird { public: virtual void fly(); ... }; class NonFlyingBird: public Bird { ... // 没有声明fly函数 }; class Penguin: public NonFlyingBird { ... // 没有声明fly函数 }; 这种层次就比最初的设计更忠于我们所知道的现实。 但关于鸟类问题的讨论，现在还不能完全结束。因为在有的软件系统中，说企鹅是鸟是完全合适的。比如说，如果程序只和鸟的嘴、翅膀有关系而不涉及到飞，最初的设计就很合适。这看起来可能很令人恼火，但它反映了一个简单的事实：没有任何一种设计可以理想到适用于任何软件。好的设计是和软件系统现在和将来所要完成的功能密不可分的（参见条款M32）。如果程序不涉及到飞，并且将来也不会，那么让Penguin派生于Bird就会是非常合理的设计。实际上，它会比那个区分会飞和不会飞的设计还要好，因为你的设计中不会用到这种区分。在设计层次中增加多余的类是一种很糟糕的设计，就象在类之间制定了错误的继承关系一样。 对于 "所有鸟都会飞，企鹅是鸟，企鹅不会飞" 这一问题，还可以考虑用另外一种方法来处理。也就是对penguin重新定义fly函数，使之产生一个运行时错误： void error(const string& msg); // 在别处定义 class Penguin: public Bird { public: virtual void fly() { error("Penguins can't fly!"); } ... }; 解释型语言如Smalltalk喜欢采用这种方法，但这里要认识到的重要一点是，上面的代码所说的可能和你所想的是完全不同的两回事。它不是说，"企鹅不会飞"，而是说，"企鹅会飞，但让它们飞是一种错误"。 怎么区分二者的不同？这可以从检测到错误发生的时间来区分。"企鹅不会飞" 的指令是由编译器发出的，"让企鹅飞是一种错误" 只能在运行时检测到。 为了表示 "企鹅不会飞" 这一事实，就不要在Penguin对象中定义fly函数： class Bird { ... // 没有声明fly函数 }; class NonFlyingBird: public Bird { ... // 没有声明fly函数 }; class Penguin: public NonFlyingBird { ... // 没有声明fly函数 }; 如果想使企鹅飞，编译器就会谴责你的违规行为： Penguin p; p.fly(); // 错误! 用Smalltalk的方法得到的行为和这完全不同。用那种方法，编译器连半句话都不会说。 C++的处理方法和Smalltalk的处理方法有着根本的不同，所以只要是在用C++编程，就要采用C++的方法做事。另外，在编译时检测错误比在运行时检测错误有某些技术上的优点，详见条款46。 也许你会说，你在鸟类方面的知识很贫乏。但你可以借助于你的初等几何知识，对不对？我是说，矩形和正方形总该不复杂吧？ 那好，回答这个简单问题：类Square（正方形）可以从类Rectangle（矩形）公有继承吗？