Как построить иерархию классов

Построение иерархии классов

При использовании наследования в C++ для порождения одного класса из другого возможны ситуации, когда вы порождаете свой класс из класса, который уже, в свою очередь, является производным от некоторого базового класса. Например, предположим, вам необходимо использовать класс сотputer базовый для порождения класса workstation, как показано ниже:

class work_station : public computer

Конструктор класса workstation просто вызывает конструктор класса computer, который в свою очередь вызывает конструкторы классов сотрuter_screen и mother_board:

work_station::work_station( char *operating_system, char *name, int hard_disk, float floppy, char *screen, long colors, int x_res, int y_res, int processor, int speed, int RAM) : computer (name, hard_disk, floppy, screen, colors, x_res, y_res, processor, speed, RAM)

В данном случае класс computer выступает в роли базового класса. Однако вы знаете, что класс computer был порожден из классов computer_screen и mother_board. В результате класс work_station наследует характеристики всех трех классов. На рис. 27 показано, что порождение классов приводит к иерархии классов.

Рис. 27. Построение иерархии классов.

Когда ваши программы будут интенсивно использовать наследование, ваша иерархия классов, а следовательно, и количество наследуемых элементов может стать довольно длинной.

Что вам необходимо знать

Множественное наследование представляет собой возможность порождать класс из нескольких базовых классов. При использовании множественного наследования производный класс получает характеристики (элементы) существующих базовых классов. Поддержка множественного наследования в C++ предоставляет вашим программам огромные возможности объектно-ориентированного программирования. Из урока 28 вы узнаете, как обеспечить доступ к частным элементам класса со стороны других классов или функций других классов, которые вы указываете как друзей. Используя таких друзей, вы можете предоставить определенным функциям прямой доступ к элементам класса, одновременно обеспечивая их защиту от остальной части программы. Прежде чем перейти к уроку 28, убедитесь, что вы изучили следующее:

Множественное наследование является способностью порожденного класса наследовать характеристики нескольких базовых классов.

Для порождения класса из нескольких базовых после имени нового класса и двоеточия вы указываете имена базовых классов, разделяя их запятыми, например class cabbit: public cat, public rabbit.

При определении конструктора производного класса вы должны вызвать конструкторы всех базовых классов, передавая им необходимые параметры.

При порождении классов может случиться так, что используемый вами базовый класс реально порожден из других базовых классов. Если так, то ваша программа создает иерархию классов. Если вызывается конструктор вашего производного класса, то вызываются также и конструкторы наследуемых классов (последовательно).

УРОК 28. ЧАСТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ДРУЗЬЯ

Как вы уже знаете, ваши программы могут обращаться к частным (private) элементам класса только с помощью функций-элементов этого же класса. Используя частные элементы класса вместо общих во всех ситуациях, где это только возможно, вы уменьшаете возможность программы испортить значения элементов класса, так как программа может обращаться к таким элементам только через интерфейсные функции (которые управляют доступом к частным элементам). Однако в зависимости от использования объектов вашей программы, иногда вы можете существенно увеличить производительность позволяя одному классу напрямую обращаться к частным элементам другого. В этом случае уменьшаются издержки (требуемое время выполнения) на вызов интерфейсных функций. В подобных ситуациях C++ позволяет определить класс в качестве друга (friend> другого класса и разрешает классу-другу доступ к частным элементам этого другого класса. В этом уроке объясняется, как ваши программы могут указать, что два класса являются друзьями. К концу данного урока вы освоите следующие основные концепции:

Используя ключевое слово friend, класс может сообщить C++, кто является его другом, т. е. другими словами, что другие классы могут обращаться напрямую к его частным элементам.

Частные элементы класса защищают данные класса, следовательно, вы должны ограничить круг классов-друзей только теми классами, которым действительно необходим прямой доступ к частным элементам искомого класса.

C++ позволяет ограничить дружественный доступ определенным набором функций.

Частные (private) элементы позволяют вам защищать классы и уменьшить вероятность ошибок. Таким образом, вы должны ограничить использование классов-друзей настолько, насколько это возможно. Иногда программа напрямую может изменить значения элементов класса, это увеличивает вероятность появления ошибок.

C#. Примеры создания иерархий классов с использованием наследования

В данной теме рассматривается два примера разработки классов с использованием наследования. Каждый пример содержит комментарии с объяснениями особенностей работы соответствующего фрагмента кода. При создании иерархий классов полиморфизм не используется.
Тема будет полезна начинающим программистам при изучении основ программирования классов, использующих наследование.

Содержание

1. Пример создания иерархии классов. Классы Student , Aspirant
- 1.1. Условие задачи
- 1.2. Решение. Текст программы
- 1.3. Результат работы программы
- 2.1. Условие задачи
- 2.2. Решение. Текст программы
- 2.3. Результат работы программы
Поиск на других ресурсах:

1. Пример создания иерархии классов. Классы Student , Aspirant

В примере демонстрируется
- использование модификатора доступа protected при наследовании;
- использование ключевого слова base в случае вызова конструктора базового класса.
1.1. Условие задачи

Создать базовый класс Student , который будет содержать информацию о студенте (фамилия, курс обучения, номер зачетной книги). С помощью механизма наследование реализовать класс Aspirant (аспирант – студент, который готовится к защите кандидатской диссертации). Класс Aspirant есть производным от класса Student .
В классах Student и Aspirant необходимо реализовать следующие элементы:
- конструкторы классов с соответствующим количеством параметров. В классе Aspirant для доступа к методам класса Student нужно использовать ключевое слово base ;
- свойства get / set для доступа к полям класса;
- метод Print() , который выводит информацию о содержимом полей класса.
1.2. Решение. Текст программы

Задача решается для приложения типа Console Application. Ниже приведен полный текст программы.

1.3. Результат работы программы

2. Реализация наследования на примере класса Book

2.1. Условие задачи

Задан класс Book , который описывает книгу. Класс содержит следующие элементы:
- название книги;
- фамилия и имя автора;
- стоимость книги.
В классе Book нужно реализовать следующие методы:
- конструктор с 3 параметрами;
- свойства get / set для доступа к полям класса;
- метод Print() , который выводит информацию о книге.
Разработать класс BookGenre , который наследует возможности класса Book и добавляет поле жанра ( genre ). В классе BookGenre реализовать следующие элементы:
- конструктор с 4 параметрами – реализует вызов конструктора базового класса;
- свойство get / set доступа к внутреннему полю класса;
- метод Print() , который обращается к методу Print() базового класса Book для вывода информации о всех полях класса.
Разработать класс BookGenrePubl , который унаследован от класса BookGenre . Данный класс добавляет поле, которое содержит информацию об издателе. В классе BookGenrePubl реализовать следующие элементы:

Как построить иерархию классов

public string name;

public string profession;

public Person(string name)

public Person(string name, int age)

public Person(string name, string profession)

public Person(string name, int age, string profession)

class Student : Person

public Student(string name, int age, string profession, string number_group)

public string GetInformation()
- Если в конструкторе производного класса явный вызов конструктора базового класса отсутствует, автоматически вызывается конструктор базового класса без параметров.
- Для иерархии, состоящей из нескольких уровней, конструкторы базовых классов вызываются, начиная с самого верхнего уровня. После этого выполняются конструкторы тех элементов класса, которые являются объектами, в порядке их объявления в классе, а затем исполняется конструктор класса. Таким образом, каждый конструктор инициализирует свою часть объекта.
- Если конструктор базового класса требует указания параметров, он должен быть явным образом вызван в конструкторе производного класса в списке инициализации (это продемонстрировано в конструкторах, вызываемых в операторах 1 и 2). Вызов выполняется с помощью ключевого слова base. Вызывается та версия конструктора, список параметров которой соответствует списку аргументов, указанных после слова base.
- объект, в который во время выполнения программы заносятся ссылки на объекты разных классов иерархии;
- контейнер, в котором хранятся объекты разных классов, относящиеся к одной иерархии;
- метод, в который могут передаваться объекты разных классов иерархии;
- метод, из которого в зависимости от типа вызвавшего его объекта вызываются соответствующие методы.
- Диаграммы.
- Сущности.
- Связи.
- Структурные.
- Поведенческие.
- Аннотирующие.
Аннотирующие сущности – это поясняющие части UML-моделей, иными словами, комментарии, которые можно применить для описания, выделения и пояснения любого элемента модели. Главная из аннотирующих сущностей – примечание . Это символ, служащий для описания ограничений и комментариев, относящихся к элементу либо набору элементов. Графически представлен прямоугольником с загнутым углом; внутри помещается текстовый или графический комментарий.
- имя класса
- атрибуты (свойства) класса
- операции (методы) класса.
- — — private (частный)
- # — protected (защищенный)
- + — public (общий)
Каждый класс должен обладать именем, отличающим его от других классов. Имя – это текстовая строка. Имя класса может состоять из любого числа букв, цифр и знаков препинания (за исключением двоеточия и точки) и может записываться в несколько строк.
На практике обычно используются краткие имена классов, взятые из словаря моделируемой системы. Каждое слово в имени класса традиционно пишут с заглавной буквы (верблюжья конвенция), например Sensor (Датчик) или TemperatureSensor (ДатчикТемпературы).

Для абстрактного класса имя класса записывается курсивом.

Изображая класс, не обязательно показывать сразу все его атрибуты и операции. Для конкретного представления, как правило, существенна только часть атрибутов и операций класса. В силу этих причин допускается упрощенное представление класса, то есть для графического представления выбираются только некоторые из его атрибутов. Если помимо указанных существуют другие атрибуты и операции, вы даете это понять, завершая каждый список многоточием.
Чтобы легче воспринимать длинные списки атрибутов и операций, желательно снабдить префиксом (именем стереотипа) каждую категорию в них. В данном случае стереотип – это слово, заключенное в угловые кавычки, которое указывает то, что за ним следует.
- Зависимость
- Ассоциация
- Обобщение
- Реализация
Зависимость – это связь использования , указывающая, что изменение спецификаций одной сущности может повлиять на другие сущности, которые используют ее.

Ассоциация – это структурная связь между элементами модели, которая описывает набор связей, существующих между объектами.
Ассоциация показывает, что объекты одной сущности (класса) связаны с объектами другой сущности таким образом, что можно перемещаться от объектов одного класса к другому.
Например, класс Человек и класс Школа имеют ассоциацию, так как человек может учиться в школе. Ассоциации можно присвоить имя «учится в». В представлении однонаправленной ассоциации добавляется стрелка, указывающая на направление ассоциации.

Множественность ассоциации представляет собой диапазон целых чисел, указывающий возможное количество связанных объектов. Он записывается в виде выражения с минимальным и максимальным значением; для их разделения используются две точки. Устанавливая множественность дальнего конца ассоциации, вы указываете, сколько объектов может существовать на дальнем конце ассоциации для каждого объекта класса, находящегося на ближнем ее конце. Количество объектов должно находиться в пределах заданного диапазона. Множественность может быть определена как единица 1 , ноль или один 0..1 , любое значение 0..* или * , один или несколько 1..* . Можно также задавать диапазон целых значений, например 2..5 , или устанавливать точное число, например 3 .

Агрегация – особая разновидность ассоциации, представляющая структурную связь целого с его частями. Как тип ассоциации, агрегация может быть именованной. Одно отношение агрегации не может включать более двух классов (контейнер и содержимое).
Агрегация встречается, когда один класс является коллекцией или контейнером других. Причём, по умолчанию агрегацией называют агрегацию по ссылке, то есть когда время существования содержащихся классов не зависит от времени существования содержащего их класса. Если контейнер будет уничтожен, то его содержимое — нет.
Графически агрегация представляется пустым ромбом на блоке класса «целое», и линией, идущей от этого ромба к классу «часть».

Композиция — более строгий вариант агрегации. Известна также как агрегация по значению.
Композиция – это форма агрегации с четко выраженными отношениями владения и совпадением времени жизни частей и целого. Композиция имеет жёсткую зависимость времени существования экземпляров класса контейнера и экземпляров содержащихся классов. Если контейнер будет уничтожен, то всё его содержимое будет также уничтожено.
Графически представляется как и агрегация, но с закрашенным ромбиком.

Третья связь – обобщение – выражает специализацию или наследование , в котором специализированный элемент (потомок) строится по спецификациям обобщенного элемента (родителя). Потомок разделяет структуру и поведение родителя. Графически обобщение представлено в виде сплошной линии с пустой стрелкой, указывающей на родителя.

Четвертая – реализация – это семантическая связь между классами, когда один из них (поставщик) определяет соглашение, которого второй (клиент) обязан придерживаться. Это связи между интерфейсами и классами, которые реализуют эти интерфейсы. Это, своего рода, отношение «целое-часть». Поставщик, как правило, представлен абстрактным классом. В графическом исполнении связь реализации – это гибрид связей обобщения и зависимости: треугольник указывает на поставщика, а второй конец пунктирной линии – на клиента.

#include <iostream>
using namespace std;
class Sensor int value;
public :
Sensor()
void setValue( int value)
int getValue()
>;
class MeasureCount
int number;
static int total;
public :
MeasureCount()
void increment()
int getNumber()
static int getTotal()
>;
int MeasureCount::total = 0;
class ITemperatureMeasure
public :
virtual void setValue() = 0;
virtual double getValue() = 0;
>;
class TemperatureMeasure : public virtual ITemperatureMeasure
private :
Sensor *h; // агрегация
MeasureCount *measure; // композиция
public :
TemperatureMeasure(Sensor *h);
int getNumber()
double getValue()
void setValue()
int value;
measure->increment();
cout << «t[» << measure->getNumber() << «] : » ;
cout << t.getValue() << » oC» << endl;
>
>;

int main()
Sensor *h1 = new Sensor();
TemperatureMeasure tc1(h1);
for ( int i=0; i<5; i++)
tc1.setValue();
ShowTemperature::Show(tc1);
cout << endl;
Sensor *h2 = new Sensor();
TemperatureMeasure tc2(h2);
for ( int i = 0; i<5; i++)
tc2.setValue();
ShowTemperature::Show(tc2);
cout << endl;
cout << «Total: » << TemperatureMeasure::getTotal() << endl;
cin.get(); cin.get();
return 0;
>

Результат выполнения

UML-диаграмма классов для приведенного выше кода будет выглядеть следующим образом:

На диаграмме классов основным классом является класс TemperatureMeasure , который и является измерителем температуры. В качестве измеренного значения формируется среднее арифметическое всех измерений — сумма всех измерений, деленная на их количество.
Для получения измерений и их суммирования используется класс Sensor (в качестве датчика температуры). В консольной задаче сами измерения передаются в этот класс для суммирования. Класс состоит в отношении агрегации с основным классом TemperatureMeasure : мы сначала создаем объект класса Sensor , а потом передаем его в качестве параметра конструктора классу TemperatureMeasure , чтобы использовать его в качестве части класса.
Количество измерений формируется классом MeasureCount , который содержит статическое свойство total для подсчета общего измерений, а также свойство count для подсчета количества измерителей конкретного объекта TemperatureMeasure . Класс MeasureCount находится в отношении композиции с классом TemperatureMeasure : объект MeasureCount создается непосредственно при создании объекта TemperatureMeasure (в его конструкторе).
Класс ITemperatureMeasure представляет собой интерфейс класса TemperatureMeasure и является своего рода поставщиком в отношении реализации.
Наконец, класс ShowTemperature находится в отношении зависимости с классом TemperatureMeasure , поскольку реализация единственного метода Show класса ShowTemperature зависит от структуры класса TemperatureMeasure .

Name already in use

cpp_for_beginners_book / c17.md
- Go to file T
- Go to line L
- Copy path
- Copy permalink
- Open with Desktop
- View raw
- Copy raw contents Copy raw contents
Copy raw contents

Copy raw contents

V. Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование расширяет объектное программирование, вводя отношения тип-подтип с помощью механизма, именуемого наследованием. Вместо того чтобы заново реализовывать общие свойства, класс наследует данные-члены и функции-члены родительского класса. В языке C++ наследование осуществляется посредством так называемого порождения производных классов. Класс, свойства которого наследуются, называется базовым, а новый класс — производным. Все множество базовых и производных классов образует иерархию наследования.

Например, в трехмерной компьютерной графике классы OrthographicCamera и PerspectiveCamera обычно являются производными от базового Camera. Множество операций и данных, общее для всех камер, определено в абстрактном классе Camera. Каждый производный от него класс реализует лишь отличия от абстрактной камеры, предоставляя альтернативный код для унаследованных функций-членов либо вводя дополнительные члены.

Если базовый и производный классы имеют общий открытый интерфейс, то производный называется подтипом базового. Так, PerspectiveCamera является подтипом класса Camera. В C++ существует специальное отношение между типом и подтипом, позволяющее указателю или ссылке на базовый класс адресовать любой из производных от него подтипов без вмешательства программиста. (Такая возможность манипулировать несколькими типами с помощью указателя или ссылки на базовый класс называется полиморфизмом.) Если дана функция:

то мы реализуем lookAt(), программируя интерфейс базового класса Camera и не заботясь о том, на что указывает pCamera: на объект класса PerspectiveCamera, на объект класса OrthographicCamera или на объект, описывающий еще какой-то вид камеры, который мы пока не определили.

При каждом вызове lookAt() ей передается адрес объекта, принадлежащего к одному из подтипов Camera. Компилятор автоматически преобразует его в указатель на подходящий базовый класс:

Наша реализация lookAt() не зависит от набора подтипов класса Camera, реально существующих в приложении. Если впоследствии потребуется добавить новый подтип или исключить существующий, то изменять реализацию lookAt() не придется.

Полиморфизм подтипов позволяет написать ядро приложения так, что оно не будет зависеть от конкретных типов, которыми мы манипулируем. Мы программируем открытый интерфейс базового класса придуманной нами абстракции, пользуясь только ссылками и указателями на него. При работе программы будет определен фактический тип адресуемого объекта и вызвана подходящая реализация открытого интерфейса.

Нахождение (или разрешение) нужной функции во время выполнения называется динамическим связыванием (dynamic binding) (по умолчанию функции разрешаются статически во время компиляции). В C++ динамическое связывание поддерживается с помощью механизма виртуальных функций класса. Полиморфизм подтипов и динамическое связывание формируют основу объектно-ориентированного программирования, которому посвящены следующие главы.

В главе 17 рассматриваются имеющиеся в C++ средства поддержки объектно-ориентированного программирования и изучается влияние наследование на такие механизмы, как конструкторы, деструкторы, почленная инициализация и присваивание; для примера разрабатывается иерархия классов Query, поддерживающая систему текстового поиска, введенную в главе 6.

Темой главы 18 является изучение более сложных иерархий, возможных за счет использования множественного и виртуального наследования. С его помощью мы развернем шаблон класса из главы 16 в трехуровневую иерархию.

В главе 19 обсуждается идентификация типов во время выполнения (RTTI), а также изучается вопрос о влиянии наследования на разрешение перегруженных функций. Здесь мы снова обратимся к средствам обработки исключений, чтобы разобраться в иерархии классов исключений, которую предлагает стандартная библиотека. Мы покажем также, как написать собственные такие классы.

Глава 20 посвящена углубленному рассмотрению библиотеки потокового ввода/вывода iostream. Эта библиотека представляет собой иерархию классов, поддерживающую как виртуальное, так и множественное наследование.

17. Наследование и подтипизация классов

В главе 6 для иллюстрации обсуждения абстрактных контейнерных типов мы частично реализовали систему текстового поиска и инкапсулировали ее в класс TextQuery. Однако мы не написали к ней никакой вызывающей программы, отложив реализацию поддержки формулирования запросов со стороны пользователя до рассмотрения объектно-ориентированного программирования. В этой главе язык запросов будет реализован в виде иерархии классов Query с одиночным наследованием. Кроме того, мы модифицируем и расширим класс TextQuery из главы 6 для получения полностью интегрированной системы текстового поиска.

Программа для запуска нашей системы текстового поиска будет выглядеть следующим образом:

build_text_map() — это слегка видоизмененная функция-член doit() из главы 6. Ее основная задача — построить отображение для хранения позиций всех значимых слов текста. (Если помните, мы не храним семантически нейтральные слова типа союзов if, and, but и т.д. Кроме того, мы заменяем заглавные буквы на строчные и устраняем суффиксы, обозначающие множественное число: например, testifies преобразуется в testify, а marches в march.) С каждым словом ассоциируется вектор позиций, в котором хранятся номера строки и колонки каждого вхождения слова в текст.

query_text() принимает запросы пользователя и преобразует их во внутреннюю форму на основе иерархии классов Query с одиночным наследованием и динамическим связыванием. Внутреннее представление запроса применяется к отображению слов на вектор позиций, построенному в build_text_map(). Ответом на запрос будет множество строк текстового файла, удовлетворяющих заданному критерию:

В нашей системе мы выбрали следующий язык запросов:
1. одиночное слово, например Alice или untamed. Выводятся все строки, в которых оно встречается, причем каждой строке предшествует ее номер, заключенный в скобки. (Строки печатаются в порядке возрастания номеров). Например:
1. запрос «НЕ», формулируемый с помощью оператора !. Выводятся все строки, где не встречается указанное слово. Например, так формулируется отрицание запроса 1:
1. запрос «ИЛИ», формулируемый с помощью оператора ||. Выводятся все строки, в которых встречается хотя бы одно из двух указанных слов:
1. запрос «И», формулируемый с помощью оператора &&. Выводятся все строки, где оба указанных слова встречаются, причем располагаются рядом. Сюда входит и случай, когда одно слово является последним в строке, а другое — первым в следующей:
Эти элементы можно комбинировать:

Однако обработка производится слева направо, и все элементы имеют одинаковые приоритеты. Поэтому наш составной запрос интерпретируется как fiery bird ИЛИ shyly, а не как fiery bird ИЛИ fiery shyly:

Чтобы можно было группировать части запроса, наша система должна поддерживать скобки. Например:

выдает все вхождения fiery bird или fiery shyly1. Результат исполнения этого запроса приведен в начале данного раздела. Кроме того, система не должна многократно отображать одну и ту же строку.

17.1. Определение иерархии классов

В этой главе мы построим иерархию классов для представления запроса пользователя. Сначала реализуем каждую операцию в виде отдельного класса:

В каждом классе определим функцию-член eval(), которая выполняет соответствующую операцию. К примеру, для NameQuery она возвращает вектор позиций, содержащий координаты (номера строки и колонки) начала каждого вхождения слова (см. раздел 6.8); для OrQuery строит объединение векторов позиций обоих своих операндов и т.д.

Таким образом, запрос

состоит из объекта класса OrQuery, который содержит два объекта NameQuery в качестве операндов. Для простых запросов этого достаточно, но при обработке составных запросов типа

возникает проблема. Данный запрос состоит из двух подзапросов: объекта OrQuery, содержащего объекты NameQuery для представления слов Alice и Emma, и объекта AndQuery. Правым операндом AndQuery является объект NameQuery для слова Weeks.

Но левый операнд — это объект OrQuery, предшествующий оператору &&. На его месте мог бы быть объект NotQuery или другой объект AndQuery. Как же следует представить операнд, если он может принадлежать к типу любого из четырех классов? Эта проблема имеет две стороны:
1. необходимо уметь объявлять тип операнда в классах OrQuery, AndQuery и NotQuery так, чтобы с его помощью можно было представить тип любого из четырех классов запросов;
2. какое бы решение мы ни выбрали в предыдущем случае, мы должны иметь возможность вызывать соответствующий классу каждого операнда вариант функции-члена eval().
Решение, не согласующееся с объектной ориентированностью, состоит в том, чтобы определить тип операнда как объединение и включить дискриминант, показывающий текущий тип операнда:

Хранить указатели на объекты можно и с помощью типа void*:

Нам все равно нужен дискриминант, поскольку напрямую использовать объект, адресуемый указателем типа void*, нельзя, равно как невозможно определить тип такого объекта по указателю. (Мы не рекомендуем применять описанное решение в C++, хотя в языке C это весьма распространенный подход.)

Основной недостаток рассмотренных решений состоит в том, что ответственность за определение типа возлагается на программиста. Например, в случае решения, основанного на void*-указателях, операцию eval() для объекта AndQuery можно реализовать так:

В результате явного управления разрешением типов увеличивается размер и сложность кода и добавление нового типа или исключение существующего при сохранении работоспособности программы затрудняется.

Объектно-ориентированное программирование предлагает альтернативное решение, в котором работа по разрешению типов перекладывается с программиста на компилятор. Например, так выглядит код операции eval() для класса AndQuery в случае применения объектно-ориентированного подхода (eval() объявлена виртуальной):

Если потребуется добавить или исключить какие-либо типы, эту часть программы не придется ни переписывать, ни перекомпилировать.

17.1.1. Объектно-ориентированное проектирование

Из чего складывается объектно-ориентированное проектирование четырех рассмотренных выше видов запросов? Как решаются проблемы их внутреннего представления?

С помощью наследования можно определить взаимосвязи между независимыми классами запросов. Для этого мы вводим в рассмотрение абстрактный класс Query, который будет служить для них базовым (соответственно сами эти классы будут считаться производными). Абстрактный класс можно представить себе как неполный, который становится более или менее завершенным, когда из него порождаются производные классы, — в нашем случае AndQuery, OrQuery, NotQuery и NameQuery.

В нашем абстрактном классе Query определены данные и функции-члены, общие для всех четырех типов запроса. При порождении из Query производного класса, скажем AndQuery, мы выделяем уникальные характеристики каждого вида запроса. К примеру, NameQuery — это специальный вид Query, в котором операндом всегда является строка. Мы будем называть NameQuery производным и говорить, что Query является его базовым классом. (То же самое относится и к классам, представляющим другие типы запросов.) Производный класс наследует данные и функции-члены базового и может обращаться к ним непосредственно, как к собственным членам.

Основное преимущество иерархии наследования в том, что мы программируем открытый интерфейс абстрактного базового класса, а не отдельных производных от него специализированных типов, что позволяет защитить наш код от последующих изменений иерархии. Например, мы определяем eval() как открытую виртуальную функцию абстрактного базового класса Query. Пользовательский код, записанный в виде:

экранирован от любых изменений в языке запросов. Это не только позволяет добавлять, модифицировать и удалять типы, не изменяя программы пользователя, но и освобождает автора нового вида запроса от необходимости заново реализовывать поведение или действия, общие для всех типов в иерархии. Такая гибкость достигается за счет двух характеристик механизма наследования: полиморфизма и динамического связывания.

Когда мы говорим о полиморфизме в языке C++, то имеем в виду главным образом способность указателя или ссылки на базовый класс адресовать любой из производных от него. Если определить обычную функцию eval() следующим образом:

то мы вправе вызывать ее, передавая адрес объекта любого из четырех типов запросов:

В то же время попытка передать eval() адрес объекта класса, не являющегося производным от Query, вызовет ошибку компиляции:

Внутри eval() выполнение инструкции вида

должно вызывать нужную виртуальную функцию-член eval() в зависимости от фактического класса объекта, адресуемого указателем pquery. В примере выше pquery последовательно адресует объекты AndQuery, NotQuery, OrQuery и NameQuery. В каждой точке вызова определяется фактический тип класса объекта и вызывается подходящий экземпляр eval().

Механизм, с помощью которого это достигается, называется динамическим связыванием. (Мы вернемся к проектированию и использованию виртуальных функций в разделе 17.5.)

В объектно-ориентированной парадигме программист манипулирует неизвестным экземпляром, принадлежащим к одному из ограниченного, но потенциально бесконечного множества различных типов. (Ограничено оно иерархией наследования. Теоретически, однако, ни на глубину, ни на ширину такой иерархии не накладывается никаких ограничений.) В C++ это достигается путем манипулирования объектами исключительно через указатели и ссылки на базовый класс. В объектной (не объектно-ориентированной) парадигме программист работает с экземпляром фиксированного типа, который полностью определен на этапе компиляции.

Хотя для полиморфной манипуляции объектом требуется, чтобы доступ к нему осуществлялся с помощью указателя или ссылки, сам по себе факт их использования не обязательно приводит к полиморфизму. Рассмотрим такие объявления:

В C++ полиморфизм существует только в пределах отдельных иерархий классов. Указатели типа void* можно назвать полиморфными, но в языке их поддержка не предусмотрена. Такими указателями программист должен управлять самостоятельно, с помощью явных приведений типов и той или иной формы дискриминанта, показывающего, объект какого типа в данный момент адресуется. (Можно сказать, что это «второсортные» полиморфные объекты.)

Язык C++ обеспечивает поддержку полиморфизма следующими способами:
1. путем неявного преобразования указателя или ссылки на производный класс к указателю или ссылке на открытый базовый:
1. через механизм виртуальных функций:
1. с помощью операторов dynamic_cast и typeid (они подробно обсуждаются в разделе 19.1):
Проблему представления запроса мы решим, определив каждый операнд в классах AndQuery, NotQuery и OrQuery как указатель на тип Query*. Например:

Теперь оба операнда могут адресовать объект любого класса, производного от абстрактного базового класса Query, без учета того, определен он уже сейчас или появится в будущем. Благодаря механизму виртуальных функций, вычисление операнда, происходящее во время выполнения программы, не зависит от фактического типа:

На рис. 17.1 показана иерархия наследования, состоящая из абстрактного класса Query и четырех производных от него классов. Как этот рисунок транслируется в код программы на C++?

Рис. 17.1. Иерархия классов Query

В разделе 2.4 мы рассматривали реализацию иерархии классов IntArray. Синтаксическая структура определения иерархии, изображенной на рис. 17.1, аналогична:

Наследование задается с помощью списка базовых классов. В случае одиночного наследования этот список имеет вид:

где уровень-доступа — это одно из ключевых слов public, protected, private (смысл защищенного и закрытого наследования мы обсудим в разделе 18.3), а базовый-класс — имя ранее определенного класса. Например, Query является открытым базовым классом для любого из четырех классов запросов.

Класс, встречающийся в списке базовых, должен быть предварительно определен. Следующего опережающего объявления Query недостаточно для того, чтобы он мог выступать в роли базового:

Главное различие между базовыми классами Query и IntArray (см. раздел 2.4) состоит в том, что Query не представляет никакого реального объекта в нашем приложении. Пользователи класса IntArray вполне могут определять и использовать объекты этого типа непосредственно. Что же касается Query, то разрешается определять лишь указатели и ссылки на него, используя их для косвенного манипулирования объектами производных классов. О Query говорят, что это абстрактный базовый класс. В противоположность этому IntArray является конкретным базовым классом. Преобладающей формой в объектно-ориентированном проектировании является определение абстрактного базового класса типа Query и одиночное открытое наследование ему.

Упражнение 17.1

Библиотека может выдавать на руки предметы, для каждого из которых определены специальные правила выдачи и возврата. Организуйте их в иерархию наследования:

книга аудио-книга аудиокассета детская кукла видеокассета видеоигра для приставки SEGA книга с подневной оплатой видеоигра для приставки SONY книга на компакт-диске видеоигра для приставки Nintendo

Упражнение 17.2

Выберите или придумайте собственную абстракцию, содержащую семейство типов. Организуйте типы в иерархию наследования:

(a) Форматы графических файлов (gif, tiff, jpeg, bmp и т.д.)

(b) Геометрические примитивы (прямоугольник, круг, сфера, конус и т.д.)

(c) Типы языка C++ (класс, функция, функция-член и т.д.)

17.2. Идентификация членов иерархии

В разделе 2.4 мы уже упоминали о том, что в объектном проектировании обычно есть один разработчик, который конструирует и реализует класс, и много пользователей, применяющих предоставленный открытый интерфейс. Это разделение ответственности отразилось в концепции открытого и закрытого доступа к членам класса.

Когда используется наследование, у класса оказывается множество разработчиков. Во-первых, тот, кто предоставил реализацию базового класса (и, возможно, некоторых производных от него), а во-вторых, те, кто разрабатывал производные классы на различных уровнях иерархии. Этот род деятельности тоже относится к проектированию. Разработчик подтипа часто (хотя и не всегда) должен иметь доступ к реализации базового класса. Чтобы разрешить такой вид доступа, но все же предотвратить неограниченный доступ к деталям реализации класса, вводится дополнительный уровень доступа — protected (защищенный). Данные и функции-члены, помещенные в секцию protected некоторого класса, остаются недоступными вызывающей программе, но обращение к ним из производных классов разрешено. (Все находящееся в секции private базового класса доступно только ему, но не производным.)

Критерии помещения того или иного члена в секцию public одинаковы как для объектного, так и для объектно-ориентированного проектирования. Меняется только точка зрения на то, следует ли объявлять член закрытым или защищенным. Член базового класса объявляется закрытым, если мы не хотим, чтобы производные классы имели к нему прямой доступ; и защищенным, если его семантика такова, что для эффективной реализации производного класса может потребоваться прямой доступ к нему. При проектировании класса, который предполагается использовать в качестве базового, надо также принимать во внимание особенности функций, зависящих от типа, — виртуальных функций в иерархии классов.

На следующем шаге проектирования иерархии классов Query следует ответить на такие вопросы:

К сожалению, однозначно ответить на эти вопросы невозможно. Как мы увидим, процесс объектно-ориентированного проектирования по своей природе итеративен, эволюционирующая иерархия классов требует и добавлений, и модификаций. В оставшейся части этого раздела мы будем постепенно уточнять иерархию классов Query.

17.2.1. Определение базового класса

Члены Query представляют:
1. множество операций, поддерживаемых всеми производными от него классами запросов. Сюда входят как виртуальные операции, переопределяемые в производных классах, так и невиртуальные, разделяемые всеми производными классами (мы приведем примеры тех и других);
2. множество данных-членов, общих для всех производных классов. Если вынести такие члены в абстрактный базовый класс Query, мы сможем обращаться к ним вне зависимости от того, с объектом какого производного класса мы работаем.
Если имеется запрос вида:

то двумя основными операциями для него будут: нахождение строк текста, удовлетворяющих условиям запроса, и представление найденных строк пользователю. Назовем эти операции соответственно eval() и display().

Алгоритм работы eval() свой для каждого производного класса, поэтому эту функцию следует объявить виртуальной в определении Query. Всякий производный класс должен предоставить собственную реализацию для нее. Сам же Query лишь включает ее в свой открытый интерфейс.

Алгоритм работы функции display(), выводящей найденные строки текста, не зависит от типа производного класса. Нам необходимо лишь иметь доступ к представлению самого текста и списку строк, удовлетворяющих запросу. Вместо того чтобы дублировать реализацию алгоритма и необходимые для него данные в каждом производном классе, определим единственный наследуемый экземпляр в Query.

Такое проектное решение позволит нам вызывать любую операцию, не зная фактического типа объекта, которым мы манипулируем:

Как следует представить найденные строки текста? Каждому упомянутому в запросе слову будет соответствовать вектор позиций, построенный во время поиска. Позиция — это пара (строка, колонка), в которой каждый член — это значение типа short int. Отображение слов на векторы позиций, построенное функцией build_text_map(), содержит такие векторы для каждого встречающегося в тексте слова, распознанного нашей системой. Ключами для этого отображения служат значения типа string, представляющие слова. Например, для текста

приведена часть отображения для некоторых слов, встречающихся неоднократно (слово — это ключ отображения; пары значений в скобках — элементы вектора позиций; отметим, что нумерация строк и колонок начинается с нуля):

Однако такой вектор — это еще ответ на запрос. К примеру, слово fiery представлено двумя позициями, причем обе находятся в одной и той же строке.

Нам нужно вычислить множество неповторяющихся строк, соответствующих вектору позиций. Для этого можно, например, создать вектор, в который помещаются все номера строк, представленные в векторе позиций, а затем передать его обобщенному алгоритму unique(), который удалит все дубликаты (см. алгоритм unique() в Приложении). Оставшиеся строки должны быть расположены в порядке возрастания номеров. Чтобы не оставалось никаких сомнений, к вектору строк можно применить обобщенный алгоритм sort().

Мы выбрали другой подход — построить множество (объект set) из номеров строк в векторе позиций. Такое множество содержит по одному экземпляру каждого элемента, причем хранит их в отсортированном виде. Нам потребуется функция для преобразования вектора позиций в множество неповторяющихся номеров строк:

Объявим _vec2set() защищенной функцией-членом Query. Она не является открытой, поскольку не принадлежит к числу операций, которые могут вызывать пользователи данной иерархии. Но она и не закрыта, поскольку это вспомогательная функция, которая должна быть доступна производным классам. (Подчерк в имени функции призван обратить внимание на то, что это не часть открытого интерфейса иерархии Query.)

Например, вектор позиций для слова bird содержит два вхождения в одной и той же строке, поэтому его разрешающее множество будет состоять из одного элемента: (2). Вектор позиций для слова tell содержит три вхождения, из них два относятся к одной и той же строке; следовательно, в его разрешающем множестве будет два элемента: (2,4). Вот как выглядят результаты для всех представленных выше векторов позиций:

Чтобы вычислить результат запроса NameQuery, достаточно получить вектор позиций для указанного слова, преобразовать его в множество неповторяющихся номеров строк и вывести соответствующие строки текста.

Ответом на NotQuery служит множество строк, в которых не встречается указанное слово. Так, результатом запроса

служит множество (1,2,4). Для вычисления результата надо знать, сколько всего строк содержится в тексте. (Мы не сохраняли эту информацию, поскольку не были уверены, что она потребуется; к сожалению, недостаточно и этого.) Чтобы упростить обработку NotQuery, полезно сгенерировать множество всех номеров строк текста (0,1,2,3,4,5): теперь для получения результата достаточно с помощью алгоритма set_difference() вычислить разность двух множеств. (Ответом на показанный выше запрос будет множество (0,3,5).)

Результатом OrQuery является объединение номеров строк, где встречается левый или правый операнд. Например, если дан запрос:

то результирующим множеством будет (0,1,2,4), которое получается объединением множества (2) для слова fiery и множества (0,1,2,4) для слова her. Такое множество должно быть упорядочено по возрастанию номеров строк и не содержать дубликатов.

До сих пор нам удавалось вычислять результат запроса, работая только с множествами неповторяющихся номеров строк. Однако для обработки AndQuery надо принимать во внимание как номер строки, так и номер колонки в каждой паре. Так, указанные в запросе

слова встречаются в четырех разных строках. Определенная нами семантика AndQuery говорит, что строка является подходящей, если содержит точную последовательность her hair. Вхождения слов в первую строку не удовлетворяют этому условию, хотя они стоят рядом:

а вот во второй строке слова расположены так, как нужно:

Для оставшихся двух вхождений слова her слово hair не является соседним. Таким образом, ответом на запрос является вторая строка текста: (1).

Если бы не операция AndQuery, нам не пришлось бы вычислять вектор позиций для каждой операции. Но, поскольку операндом AndQuery может быть результат любого запроса, то для каждого приходится вычислять и сохранять не только множество неповторяющихся строк, но и пары (строка, колонка). Рассмотрим следующие запросы:

NotQuery может быть операндом AndQuery, следовательно, мы должны создать не просто вектор, содержащий по одному элементу для каждой подходящей строки, но и вектор, в котором хранятся позиции. (Мы еще вернемся к этому при рассмотрении функции eval() для класса NotQuery в разделе 17.5.)

Таким образом, идентифицирован еще один необходимый член — вектор позиций, ассоциированный с вычислением каждой операции. У нас есть выбор: объявить его членом каждого производного класса или членом абстрактного базового класса Query, наследуемым всеми производными. Объем памяти для хранения этого члена в обоих случаях одинаков. Мы поместим его в базовый класс, локализовав поддержку инициализации и доступа к члену.

Решение о том, представлять ли множество неповторяющихся номеров строк (мы называем его разрешающим множеством) в виде члена класса или каждый раз вычислять его, принимает разработчик. Мы предпочли вычислять его по мере необходимости, а затем сохранять адрес для последующего доступа, объявляя этот адрес членом абстрактного базового класса Query.

Для вывода найденных строк нам необходимо как разрешающее множество, так и фактический текст, из которого взяты строки. Причем вектор позиций у каждой операции должен быть свой, а экземпляр текста нужен только один. Поэтому мы определим его статическим членом класса Query. (Реализация функции display() опирается только на эти два члена.)

Вот результат первой попытки создать абстрактный базовый класс Query (конструкторы, деструктор и копирующий оператор присваивания еще не объявлены: этим мы займемся в разделах 17.4 и 17.6):

говорит о том, что для виртуальной функции eval() в абстрактном базовом классе Query нет определения: это чисто виртуальная функция, «удерживающая место» в открытом интерфейсе иерархии классов и не предназначенная для непосредственного вызова из программы. Вместо нее каждый производный класс должен предоставить настоящую реализацию. (Подробно виртуальные функции будут рассматриваться в разделе 17.5.)

17.2.2. Определение производных классов

Каждый производный класс наследует данные и функции-члены своего базового класса, и программировать приходится лишь те аспекты, которые изменяют или расширяют его поведение. К примеру, в классе NameQuery необходимо определить реализацию eval(). Кроме того, нужна поддержка для хранения слова-операнда, представленного объектом класса типа string.

Наконец, для получения ассоциированного вектора позиций должно быть доступно отображение слов на векторы. Поскольку один такой объект разделяется всеми объектами класса NameQuery, мы объявляем его статическим членом. Первая попытка определения NameQuery (рассмотрение конструкторов, деструктора и копирующего оператора присваивания мы снова отложим) выглядит так:

Класс NotQuery в дополнение к предоставлению реализации виртуальной функции eval() должен обеспечить поддержку своего единственного операнда. Поскольку им может быть объект любого из производных классов, определим его как указатель на тип Query. Результат запроса NotQuery, напомним, обязан содержать не только строки текста, где нет указанного слова, но также и номера колонок внутри каждой строки. Например, если есть запрос:

то операнд запроса NotQuery включает следующий вектор позиций:

Вектор позиций, возвращаемый в ответ на исходный запрос, должен включать все номера колонок в строках (1,2,4). Кроме того, он должен включать все номера колонок в строке (0), кроме колонки (8), все номера колонок в строке (3), кроме колонки (3), и все номера колонок в строке (5), кроме колонки (5).

Простейший способ вычислить все это — создать единственный разделяемый всеми объектами вектор позиций, который содержит пары (строка, колонка) для каждого слова в тексте (полную реализацию мы рассмотрим в разделе 17.5, когда будем обсуждать функцию eval() класса NotQuery). Так или иначе, этот член мы объявим статическим для NotQuery.

Вот определение класса NotQuery (и снова рассмотрение конструкторов, деструктора и копирующего оператора присваивания отложено):

Классы AndQuery и OrQuery представляют бинарные операции, у которых есть левый и правый операнды. Оба операнда могут быть объектами любого из производных классов, поэтому мы определим соответствующие члены как указатели на тип Query. Кроме того, в каждом классе нужно переопределить виртуальную функцию eval(). Вот начальное определение OrQuery:

Любой объект AndQuery должен иметь доступ к числу слов в каждой строке. В противном случае при обработке запроса AndQuery мы не сможем найти соседние слова, расположенные в двух смежных строках. Например, если есть запрос:

то нужная последовательность находится в третьей и четвертой строках:

Векторы позиций, ассоциированные с каждым из трех слов, следующие:

Если функция eval() класса AndQuery «не знает «, сколько слов содержится в строке (2), то она не сможет определить, что слова magical и her соседствуют. Мы создадим единственный экземпляр вектора, разделяемый всеми объектами класса, и объявим его статическим членом. (Реализацию eval() мы детально рассмотрим в разделе 17.5.) Итак, определим AndQuery:

Открытый интерфейс каждого из четырех производных классов состоит из их открытых членов и унаследованных открытых членов Query. Когда мы пишем:

то получить доступ к открытому интерфейсу Query можно только через pq. А если пишем:

то вызывается реализация виртуальной eval() из производного класса, на объект которого указывает pq, в данном случае — из класса NameQuery. Строкой

всегда вызывается невиртуальная функция display() из Query. Однако она выводит разрешающее множество строк объекта того производного класса, на который указывает pq. В этом случае мы не стали полагаться на механизм виртуализации, а вынесли разделяемую операцию и необходимые для нее данные в общий абстрактный базовый класс Query. display() — это пример полиморфного программирования, которое поддерживается не виртуальностью, а исключительно с помощью наследования. Вот ее реализация (это пока только промежуточное решение, как мы увидим в последнем разделе):

В этом разделе мы попытались определить иерархию классов Query. Однако вопрос о том, как же построить с ее помощью структуру данных, описывающую запрос пользователя, остался без ответа. Когда мы приступим к реализации, это определение придется пересмотреть и расширить. Но прежде нам предстоит более детально изучить механизм наследования в языке C++.

Упражнение 17.3

Рассмотрите приведенные члены иерархии классов для поддержки библиотеки из упражнения 17.1 (раздел 17.1). Выявите возможные кандидаты на роль виртуальных функций, а также те члены, которые являются общими для всех предметов, выдаваемых библиотекой, и, следовательно, могут быть представлены в базовом классе. (Примечание: LibMember — это абстракция человека, которому разрешено брать из библиотеки различные предметы; Date — класс, представляющий календарную дату.)

Упражнение 17.4

Идентифицируйте члены базового и производных классов для той иерархии, которую вы выбрали в упражнении 17.2 (раздел 17.1). Задайте виртуальные функции, а также открытые и защищенные члены.

Упражнение 17.5

Какие из следующих объявлений неправильны:

17.3. Доступ к членам базового класса

Объект производного класса фактически построен из нескольких частей. Каждый базовый класс вносит свою долю в виде подобъекта, составленного из нестатических данных-членов этого класса. Объект производного класса построен из подобъектов, соответствующих каждому из его базовых, а также из части, включающей нестатические члены самого производного класса. Так, наш объект NameQuery состоит из подобъекта Query, содержащего члены _loc и _solution, и части, принадлежащей NameQuery, — она содержит только член _name.

Внутри производного класса к членам, унаследованным из базового, можно обращаться напрямую, как к его собственным. (Глубина цепочки наследования не увеличивает затраты времени и не лимитирует доступ к ним.) Например:

Это касается и доступа к унаследованным функциям-членам базового класса: мы вызываем их так, как если бы они были членами производного — либо через его объект:

либо непосредственно из тела другой (или той же самой) функции-члена:

Однако прямой доступ из производного класса к членам базового запрещен, если имя последнего скрыто в производном классе:

В области видимости Shy употребление неквалифицированного имени _mumble разрешается в пользу члена _mumble класса Shy (объекта string), даже если такое использование в данном контексте недопустимо:

Некоторые компиляторы помечают это как ошибку типизации. Для доступа к члену базового класса, имя которого скрыто в производном, необходимо квалифицировать имя члена базового класса именем самого этого класса с помощью оператора разрешения области видимости. Так выглядит правильная реализация функции-члена turn_eyes_down():

Функции-члены базового и производного классов не составляют множество перегруженных функций:

Вызов функции-члена базового класса из производного в этом случае приводит к ошибке компиляции:

Хотя к членам базового класса можно обращаться напрямую, они сохраняют область видимости класса, в котором определены. А чтобы функции перегружали друг друга, они должны находиться в одной и той же области видимости. Если бы это было не так, следующие два экземпляра невиртуальной функции-члена turn_aside()

привели бы к ошибке повторного определения, так как их сигнатуры одинаковы. Однако запись правильна, поскольку каждая функция находится в области видимости того класса, в котором определена.

А если нам действительно нужен набор перегруженных функций-членов базового и производного классов? Написать в производном классе небольшую встроенную заглушку для вызова экземпляра из базового? Это возможно:

Но в стандартном C++ тот же результат достигается посредством using-объявления:

По сути дела, using-объявление вводит каждый именованный член базового класса в область видимости производного. Поэтому такой член теперь входит в множество перегруженных функций, ассоциированных с именем функции-члена производного класса. (В ее using-объявлении нельзя указать список параметров, только имя. Это означает, что если некоторая функция уже перегружена в базовом классе, то в область видимости производного класса попадут все перегруженные экземпляры и, следовательно, добавить только одну из них невозможно.)

Обратим внимание на степень доступности защищенных членов базового класса. Когда мы пишем:

то имеем в виду, что класс, производный от Query, может напрямую обратиться к члену _loc, тогда как во всей остальной программе для этого необходимо пользоваться открытой функцией доступа. Однако объект производного класса имеет доступ только к защищенному члену _loc входящего в него подобъекта, относящегося к базовому классу. Объект производного класса неспособен обратиться к защищенным членам другого независимого объекта базового класса:

У объекта NameQuery есть доступ к защищенным членам только одного объекта Query — подобъекта самого себя. Прямое обращение к ним из производного класса осуществляется через неявный указатель this (см. раздел 13.4). Первая реакция на ошибку компиляции — переписать функцию compare() с использованием открытой функции-члена location():

Однако проблема заключается в неправильном проектировании. Поскольку _loc — это член базового класса Query, то место compare() среди членов базового, а не производного класса. Во многих случаях подобные проблемы могут быть решены путем переноса некоторой операции в тот класс, где находится недоступный член, как в приведенном примере.

Этот вид ограничения доступа не распространяется на доступ изнутри класса к другим объектам того же класса:

Производный класс может напрямую обращаться к защищенным членам базового в других объектах того же класса, что и он сам, равно как и к защищенным и закрытым членам других объектов своего класса.

Рассмотрим инициализацию указателя на базовый Query адресом объекта производного NameQuery:

При вызове виртуальной функции, определенной в базовом классе Query, например:

вызывается функция из NameQuery. За исключением вызова виртуальной функции, объявленной в Query и переопределенной в NameQuery, другого способа напрямую добраться до членов класса NameQuery через указатель pb не существует:
- если в Query и NameQuery объявлены некоторые невиртуальные функции-члены с одинаковым именем, то через pb всегда вызывается экземпляр из Query;
- если в Query и NameQuery объявлены одноименные члены, то через pb обращение происходит к члену класса Query;
- если в NameQuery имеется виртуальная функция, отсутствующая в Query, скажем suffix(), то попытка вызвать ее через pb приводит к ошибке компиляции:
Обращение к члену или невиртуальной функции-члену класса NameQuery через pb тоже вызывает ошибку компиляции:

Квалификация имени члена в этом случае не помогает:

В C++ с помощью указателя на базовый класс можно работать только с данными и функциями-членами, включая виртуальные, которые объявлены (или унаследованы) в самом этом классе, независимо от того, какой фактический объект адресуется указателем. Объявление функции-члена виртуальной откладывает решение вопроса о том, какой экземпляр функции вызвать, до выяснения (во время выполнения программы) фактического типа объекта, адресуемого pb.

Такой подход может показаться недостаточно гибким, но у него есть два весомых преимущества:
- поиск виртуальной функции-члена во время выполнения никогда не закончится неудачно из-за того, что фактический тип класса не существует. В таком случае программа просто не смогла бы откомпилироваться;
- механизм виртуализации можно оптимизировать. Часто вызов такой функции оказывается не дороже, чем косвенный вызов функции по указателю (детально этот вопрос рассмотрен в [LIPPMAN96a]).
В базовом классе Query определен статический член _text_file:

Создается ли при порождении класса NameQuery второй экземпляр _text_file, уникальный именно для него? Нет. Все объекты производного класса ссылаются на тот же самый, единственный разделяемый статический член. Сколько бы ни было производных классов, существует лишь один экземпляр _text_file. Можно обратиться к нему через объект производного класса с помощью синтаксиса доступа:

Наконец, если производный класс хочет получить доступ к закрытым членам своего базового класса напрямую, то он должен быть объявлен другом базового: class Query < friend class NameQuery; public: // . >;

Теперь объект NameQuery может обращаться не только к закрытым членам своего подобъекта, соответствующего базовому классу, но и к закрытым и защищенным членам любых объектов Query.

А если мы произведем от NameQuery класс StringQuery? Он будет поддерживать сокращенную форму запроса AndQuery, и вместо

можно будет написать:

Унаследует ли StringQuery от класса NameQuery дружественные отношения с Query? Нет. Отношение дружественности не наследуется. Производный класс не становится другом класса, который объявил своим другом один из базовых. Если производному классу требуется стать другом одного или более классов, то эти классы должны предоставить ему соответствующие права явно. Например, у класса StringQuery нет никаких специальных прав доступа по отношению к Query. Если расширенный доступ необходим, то Query должен разрешить его явно.

Упражнение 17.6

Даны следующие определения базового и производных классов:

Исправьте ошибки в каждом из следующих фрагментов кода:

17.4. Конструирование базового и производного классов

Напомним, что объект производного класса состоит из одного или более подобъектов, соответствующих базовым классам, и части, относящейся к самому производному. Например, NameQuery состоит из подобъекта Query и объекта-члена string. Для иллюстрации поведения конструктора производного класса введем еще один член встроенного типа:

Если _present установлен в false, то слово _name в тексте отсутствует.

Рассмотрим случай, когда в NameQuery конструктор не определен. Тогда при определении объекта этого класса

по очереди вызывается конструктор по умолчанию Query, а затем конструктор по умолчанию класса string (ассоциированный с объектом _name). Член _present остается неинициализированным, что потенциально может служить источником ошибок. Чтобы инициализировать его, можно так определить конструктор по умолчанию для класса NameQuery:

Теперь при определении nq вызываются три конструктора по умолчанию: для базового класса Query, для класса string при инициализации члена _name и для класса NameQuery.

А как передать аргумент конструктору базового класса Query? Ответить на этот вопрос можно, рассуждая по аналогии.

Для передачи одного или более аргументов конструктору объекта-члена мы используем список инициализации членов (здесь можно также задать начальные значения членам, не являющимся объектами классов; подробности см. в разделе 14.5):

Для передачи одного или более аргументов конструктору базового класса также разрешается использовать список инициализации членов. В следующем примере мы передаем конструктору string аргумент name, а конструктору базового класса Query — объект, адресованный указателем ploc:

Хотя Query помещен в список инициализации вторым, его конструктор всегда вызывается раньше конструктора для _name. Порядок их вызова следующий:

Конструктор базового класса. Если базовых классов несколько, то конструкторы вызываются в порядке их следования в списке базовых классов, а не в порядке появления в списке инициализации. (О множественном наследовании в этой связи мы поговорим в главе 18.)

Конструктор объекта-члена. Если в классе есть несколько таких членов, то конструкторы вызываются в порядке их объявления в классе, а не в порядке появления в списке инициализации (подробнее см. раздел 14.5).

Конструктор производного класса.

Конструктор производного класса должен стремиться передать значение члена базового класса подходящему конструктору того же класса, а не присваивать его напрямую. В противном случае реализации двух классов становятся сильно связанными и тогда изменить или расширить реализацию базового будет затруднительно. (Ответственность разработчика базового класса ограничивается предоставлением подходящего множества конструкторов.)

В оставшейся части этого раздела мы последовательно изучим конструктор базового класса и конструкторы четырех производных от него, а после этого рассмотрим альтернативный дизайн иерархии классов Query, чтобы познакомиться с иерархиями глубиной больше двух. В конце раздела речь пойдет о деструкторах классов.

17.4.1. Конструктор базового класса

В нашем базовом классе объявлено два нестатических члена: _solution и _loc:

Конструктор Query по умолчанию должен явно инициализировать только член _solution. Для инициализации _loc автоматически вызывается конструктор класса vector. Вот реализация нашего конструктора:

В Query нам понадобится еще один конструктор, принимающий ссылку на вектор позиций:

Он вызывается только из конструктора NameQuery, когда объект этого класса используется для представления указанного в запросе слова. В таком случае передается предварительно подготовленный для него вектор позиций. Остальные три производных класса вычисляют свои векторы позиций в соответствующей функции-члене eval(). (В следующем подразделе мы покажем, как это делается. Реализации функций-членов eval() приведены в разделе 17.5.)

Какой уровень доступа обеспечить для конструкторов? Мы не хотим объявлять их открытыми, так как предполагается, что Query будет существовать в программе только в виде подобъекта в составе объектов производных от него классов. Поэтому мы объявим конструктор не открытым, а защищенным:

Ко второму конструктору класса Query предъявляются еще более жесткие требования: он не только должен конструировать Query в виде подобъекта производного класса, но этот производный класс должен к тому же быть NameQuery. Можно объявить конструктор закрытым, а NameQuery сделать другом класса Query. (В предыдущем разделе мы говорили, что производный класс может получить доступ только к открытым и защищенным членам базового. Поэтому любая попытка вызвать второй конструктор из классов AndQuery, OrQuery или NotQuery приведет к ошибке компиляции.)

(Необходимость второго конструктора спорна; вероятно, правильнее заполнить _loc в функции eval() класса NameQuery. Однако принятый подход в большей степени отвечает нашей цели проиллюстрировать использование конструктора базового класса.)

17.4.2. Конструктор производного класса

В классе NameQuery также определены два конструктора. Они объявлены открытыми, поскольку ожидается, что в приложении будут создаваться объекты этого класса:

Конструктор с одним параметром принимает в качестве аргумента строку. Она передается конструктору объекта типа string, который вызывается для инициализации члена _name. Конструктор по умолчанию базового класса Query вызывается неявно:

Конструктор с двумя параметрами также принимает строку в качестве одного из них. Второй его параметр — это указатель на вектор позиций. Он передается закрытому конструктору базового класса Query. (Обратите внимание, что _present нам больше не нужен, и мы исключили его из числа членов NameQuery.)

Конструкторы можно использовать так:

В каждом из классов NotQuery, OrQuery и AndQuery определено по одному конструктору, каждый из которых вызывает конструктор базового класса неявно:

(В разделе 17.7 мы построим объекты каждого из производных классов для представления различных запросов пользователя.)

17.4.3. Альтернативная иерархия классов

Хотя наша иерархия классов Query представляется вполне приемлемой, она вовсе не является единственно возможной. Например, AndQuery и OrQuery связаны с бинарной операцией, поэтому они в какой-то степени дублируют друг друга. Можно вынести все данные и функции-члены, общие для них, в абстрактный базовый класс BinaryQuery. Поддерево новой иерархии Query изображено на рисунке 17.2:

Рис. 17.2. Альтернативная иерархия классов

Класс BinaryQuery — это тоже абстрактный базовый класс, следовательно, его фактические объекты в приложении не появляются. Разумной реализации eval() для него предложить нельзя, поэтому чисто виртуальная функция, объявленная в Query, в классе BinaryQuery останется чисто виртуальной. (Подробнее о таких функциях мы поговорим в разделе 17.5.)

Две функции-члена для доступа — lop() и rop(), общие для обоих классов, переносятся выше, в BinaryQuery, и определяются как нестатические встроенные. Аналогично два члена _lop и _rop, объявленные в обоих классах, также переносятся в BinaryQuery и становятся нестатическими и защищенными. Открытые конструкторы обоих производных классов объединяются в один защищенный конструктор BinaryQuery:

Складывается впечатление, что теперь оба производных класса должны предоставить лишь подходящие реализации eval():

Однако в том виде, в котором мы их определили, эти классы неполны. При компиляции самих определений ошибок не возникает, но если мы попытаемся определить фактический объект:

то компилятор выдаст сообщение об ошибке: в классе AndQuery нет конструктора, готового принять два аргумента.

Мы предположили, что AndQuery и OrQuery наследуют конструктор BinaryQuery точно так же, как они наследуют функции-члены lop() и rop(). Однако производный класс не наследует конструкторов базового. (Это могло бы привести к ошибкам, связанным с неинициализированными членами производного класса. Представьте, что будет, если в AndQuery добавить пару членов, не являющихся объектами классов: унаследованный конструктор базового класса для инициализации объекта производного AndQuery применять уже нельзя. Однако программист может этого не осознавать. Ошибка проявится не при конструировании объекта AndQuery, а позже, при его использовании. Кстати говоря, перегруженные операторы new и delete наследуются, что иногда приводит к аналогичным проблемам.)

Каждый производный класс должен предоставлять собственный набор конструкторов. В случае классов AndQuery и OrQuery единственная цель конструкторов — обеспечить интерфейс для передачи двух своих операндов конструктору BinaryQuery. Так выглядит исправленная реализация:

Если мы еще раз взглянем на рис. 17.2, то увидим, что BinaryQuery — непосредственный базовый класс для AndQuery и OrQuery, а Query -для BinaryQuery. Таким образом, Query не является непосредственным базовым классом для AndQuery и OrQuery.

Конструктору производного класса разрешается напрямую вызывать только конструктор своего непосредственного предшественника в иерархии (виртуальное наследование является исключением из этого правила, да и из многих других тоже: см. раздел 18.5). Например, попытка включить конструктор Query в список инициализации членов объекта AndQuery приведет к ошибке.

При определении объектов классов AndQuery и OrQuery теперь вызываются три конструктора: для базового Query, для непосредственного базового класса BinaryQuery и для производного AndQuery или OrQuery. (Порядок вызова конструкторов базовых классов отражает обход дерева иерархии наследования в глубину.) Дополнительный уровень иерархии, связанный с BinaryQuery, практически не влияет на производительность, поскольку мы определили его конструкторы как встроенные.

Так как модифицированная иерархия сохраняет открытый интерфейс исходного проекта, то все эти изменения не сказываются на коде, который был написан в расчете на старую иерархию. Хотя модифицировать пользовательский код не нужно, перекомпилировать его все же придется, что может отвратить некоторых пользователей от перехода на новую версию.

17.4.4. Отложенное обнаружение ошибок

Начинающие программисты часто удивляются, почему некорректные определения классов AndQuery и OrQuery (в которых отсутствуют необходимые объявления конструкторов) компилируются без ошибок. Если бы мы не попытались определить фактический объект класса AndQuery, в этой модифицированной иерархии так и осталась бы ненайденная ошибка. Дело в том, что:

если ошибка обнаруживается в точке объявления, то мы не можем продолжать компиляцию приложения, пока не исправим ее. Если же конфликтующее объявление — это часть библиотеки, для которой у нас нет исходного текста, то разрешение конфликта может оказаться нетривиальной задачей. Более того, возможно, в нашем коде никогда и не возникнет ситуации, когда эта ошибка проявляется, так что для нас она останется лишь потенциальной угрозой;

с другой стороны, если ошибка не найдена вплоть до момента использования, то код может оказаться замусоренным ошибками, проявляющимися в самый неподходящий момент к удивлению программиста. При такой стратегии успешная компиляция говорит не об отсутствии семантических ошибок, а лишь о том, что программа не исполняет код, нарушающий семантические правила языка.

Выдача сообщения об ошибке в точке использования — это одна из форм отложенного вычисления, распространенного метода повышения производительности программ. Он часто применяется для того, чтобы отложить потенциально дорогую операцию выделения или инициализации ресурса до момента, когда в нем возникнет реальная необходимость. Если ресурс так и не понадобится, мы сэкономим на ненужных подготовительных операциях. Если же он потребуется, но не сразу, мы растянем инициализацию программы на более длительный период.

В C++ потенциальные ошибки «комбинирования», связанные с перегруженными функциями, шаблонами и наследованием классов, обнаруживаются в точке использования, а не в точке объявления. (Мы полагаем, что это правильно, поскольку необходимость выявлять все возможные ошибки, которые можно допустить в результате комбинирования многочисленных компонентов, — пустая трата времени). Следовательно, для обнаружения и устранения латентных ошибок необходимо тщательно тестировать код. Подобные ошибки, возникающие при комбинировании двух или более больших компонентов, допустимы; однако в пределах одного компонента, такого, как иерархия классов Query, их быть не должно.

Когда заканчивается время жизни объекта производного класса, автоматически вызываются деструкторы производного и базового классов (если они определены), а также деструкторы всех объектов-членов. Например, если имеется объект класса NameQuery:

NameQuery nq( «hyperion» ); то порядок вызова деструкторов следующий: сначала деструктор NameQuery, затем деструктор string для члена _name и наконец деструктор базового класса. В общем случае эта последовательность противоположна порядку вызова конструкторов.

Вот деструкторы нашего базового Query и производных от него (все они объявлены открытыми членами соответствующих классов):

Отметим два аспекта:

мы не предоставляем явного деструктора NameQuery, потому что никаких специальных действий по очистке его объекта предпринимать не нужно. Деструкторы базового класса и класса string для члена _name вызываются автоматически;

в деструкторах производных классов оператор delete применяется к указателю типа Query*. Чтобы вызвать не деструктор Query, а деструктор класса того объекта, который фактически адресуется этим указателем, мы должны объявить деструктор базового Query виртуальным. (Более подробно о виртуальных функциях вообще и о виртуальных деструкторах в частности мы поговорим в следующем разделе.)

В нашей реализации неявно подразумевалось, что память для операндов, указатели на которые имеются в объектах классов NotQuery, OrQuery и AndQuery, выделена из хипа. Именно поэтому в деструкторах мы применяли к этим указателям оператор delete. Но язык не позволяет обеспечить истинность такого предположения, так как в нем нет различий между адресами в хипе и вне его. С этой точки зрения наша реализация не застрахована от ошибок.

В разделе 17.7 мы инкапсулируем выделение памяти и конструирование объектов иерархии Query в управляющий класс UserQuery. Это гарантирует выполнение нашего предположения. На уровне программы в целом следует перегрузить операторы new и delete для классов иерархии. Например, можно поступить следующим образом. Оператор new устанавливает в объекте флажок, говорящий, что память для него выделена из хипа. Перегруженный оператор delete проверяет этот флажок: если он есть, то память освобождается с помощью стандартного оператора delete.

Упражнение 17.7

Идентифицируйте конструкторы и деструкторы базового и производных классов для той иерархии, которую вы выбрали в упражнении 17.2 (раздел 17.1).

Упражнение 17.8

Измените реализацию класса OrQuery так, чтобы он был производным от BinaryQuery.

Упражнение 17.9

Найдите ошибку в следующем определении класса:

Упражнение 17.10

Дано определение базового класса:

Что неправильно в следующих фрагментах:

Упражнение 17.11

В первоначальном определении языка C++ порядок следования инициализаторов в списке инициализации членов определял порядок вызова конструкторов. Принцип, который действует сейчас, был принят в 1986 году. Как вы думаете, почему была изменена исходная спецификация?

17.5. Виртуальные функции в базовом и производном классах

По умолчанию функции-члены класса не являются виртуальными. В подобных случаях при обращении вызывается функция, определенная в статическом типе объекта класса (или указателя, или ссылки на объект), для которого она вызвана:

Статический тип pb — это Query*. При обращении к невиртуальному члену solutions() вызывается функция-член класса Query. Невиртуальная функция display() вызывается через неявный указатель this. Статическим типом указателя this также является Query*, поэтому вызвана будет функция-член класса Query.

Чтобы объявить функцию виртуальной, нужно добавить ключевое слово virtual:

Если функция-член виртуальна, то при обращении к ней вызывается функция, определенная в динамическом типе объекта класса (или указателя, или ссылки на объект), для которого она вызвана. Однако для самих объектов класса статический и динамический тип — это одно и то же. Механизм виртуальных функций правильно работает только для указателей и ссылок на объекты.

Таким образом, полиморфизм проявляется только тогда, когда объект производного класса адресуется косвенно, через указатель или ссылку на базовый. Использование самого объекта базового класса не сохраняет идентификацию типа производного. Рассмотрим следующий фрагмент кода:

Инициализация qobject переменной nq абсолютно законна: теперь qobject равняется подобъекту nq, который соответствует базовому классу Query, однако qobject не является объектом NameQuery. Часть nq, принадлежащая NameQuery, “усечена” перед инициализацией qobject, поскольку она не помещается в область памяти, отведенную под объект Query. Для поддержки этой парадигмы приходится использовать указатели и ссылки, но не сами объекты:

В данном примере оба обращения через указатель pointer и ссылку reference разрешаются своим динамическим типом; в обоих случаях вызывается NameQuery::print(). Обращение же через объект object всегда приводит к вызову Query::print(). (Пример программы, в которой используется эффект «усечения», приведен в разделе 18.6.2.)

В следующих подразделах мы продемонстрируем определение и использование виртуальных функций в разных обстоятельствах. Каждая такая функция-член будет иллюстрировать один из аспектов объектно-ориентированного проектирования.

17.5.1. Виртуальный ввод/вывод

Первая виртуальная операция, которую мы хотели реализовать, — это печать запроса на стандартный вывод либо в файл:

Функцию print() следует объявить виртуальной, поскольку ее реализации зависят от типа, но нам нужно вызывать ее через указатель типа Query*. Например, для класса AndQuery эта функция могла бы выглядеть так:

Необходимо объявить print() виртуальной функцией в абстрактном базовом Query, иначе мы не сможем вызвать ее для членов классов AndQury, OrQuery и NotQuery, являющихся указателями на операнды соответствующих запросов типа Query*. Однако для самого Query разумной реализации print() не существует. Поэтому мы определим ее как пустую функцию, а потом сделаем чисто виртуальной:

В базовом классе, где виртуальная функция появляется в первый раз, ее объявлению должно предшествовать ключевое слово virtual. Если же ее определение находится вне этого класса, повторно употреблять virtual не следует. Так, данное определение print() приведет к ошибке компиляции:

Правильный вариант не должен включать слово virtual.

Класс, в котором впервые появляется виртуальная функция, должен определить ее или объявить чисто виртуальной (напомним, что пока мы определили ее как пустую). В производном классе может быть либо определена собственная реализация той же функции, которая в таком случае становится активной для всех объектов этого класса, либо унаследована реализация из базового класса. Если в производном классе определена собственная реализация, то говорят, что она замещает реализацию из базового.

Прежде чем приступать к рассмотрению реализаций print() для наших четырех производных классов, обратим внимание на употребление скобок в запросе. Например, с помощью

Читать:
Что означает термин вложенные теги