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寻根究底谈“继承”

2012-08-18 10:49 工业·编程 ⁄ 共 4066字 ⁄ 字号 暂无评论

     继承是C++的一个很重要的特性,也是OO的三大特征之一,希望对此做一个简单的论述,能消除你一些困惑。

继承是什么

    继承是将相关的类组织起来,并分亨其间的共通数据和操作行为的一种方法,同时也要注意到继承关系是一种强耦合的关系。

继承的目的是什么

    说到继承的目的,人们总是会想到代码重用,实则不然,代码重用只不过是继承的一个副作用,继承的主要目的是表达一个外部有意义的关系,该关系描述了问题域内的2个实体之间的行为关系。换句话说,继承是因问题域的现实性而产生的,并不是由于解域内的技术目的而出现的。

继承的障碍是什么

    继承的使用并不像我们想象的那么简单,在决定继承的时候,有很多语言特性会构成一定的障碍。

    1、非虚成员函数的存在

    如果我们确定了一个基类中的某个成员函数是非虚的,那就意味着这个函数在派生类中不应该被重新定义,如果你重新定义了,所得的结果很可能不是你所期望的,例如:

     class A
     {  public: void f() { cout<<"A::f"<<endl; }    };
     class B: public A
     {  public: void f() { cout<<"B::f"<<endl; }    };
     A* pA=new B;
     pA->f();
     delete pA;

    这里,我们可能期望pA->f()会输出B::f,但是实际上是A::f,当然,如果把它声明为virtual就没有问题了,关键是我们怎么能够明确确定那个函数应该声明为virtual呢?如何使基类能够完全预测到子类的各种需求?毫无疑问,这是一个挑战!也许把所有的基类成员函数都声明为virtual是一个简单的解决办法,但是这样做会大大降低程序的执行效率,对于如此注重效率的C++来说,这么做是对它的一个背叛,C++更希望我们只把那些需要重定义的函数声明为virtual。

    2、基类成员的过度保护

    封装是一个很好的特性,但是封装的度很难掌握,例如:
    class A
    {   private: class P { ...};   };
    class B : public A::P { ... };
    有经验的程序员马上就会意识到这是一个错误:无法获取A::P,因为它的权限是Private!当然这里只需要把private改为protected就可以了,但是问题的关键在于基类如何预测到子类需要继承的类究竟是什么?同上一个障碍一样,这也是一个挑战。天真的程序员可能以为只要把基类中所有的成员都声明为public/protected就万事大吉了,但是实际上如果我们的类发布之后,public/protected的成员就再也无法改变,否则势必会中断客户的代码,这就要求我们尽量把实现细节封装为private的,只把那些子类需要变动的成员声明为public/protected权限(虚函数可以声明为private的,这是一个例外),但是对基类的设计者要求如此之高,也是非常困难的。

    3、基类中模块化设计不足

    模块化会使程序更加简洁、有效,但是对于基类来说,要做到有效的模块化并不容易。例如我们有一个二分查找树BSTree,定义如下:
    template<class T>
    class BSTree
    {
    private:
         class Node
         {
         public:
               T t;
               Node* left;
               Node* right;
               Node(const T& _t):t(_t){ }
               ...
         };
         Node* root;
         ...
    public:
        void insert(const T& t);
        ...
    protected:
        virtual void doinsert(const T& t, Node*& n);
        ...
    };
    template<class T>
    void BSTree<T>::doinsert(const T& t, Node*& n)
    {
        if(n==0) n=new Node(t);
        else
        {
             if(t<n->t) doinsert(t, n->left);
             else doinsert(t, n->right);
        }
     }

     现在呢,我们要定义一个红黑树,定义如下:
     template<class T>
     class RBTree: public BSTree<T>
     {
     protected:
         class Node: public BSTree<T>::Node
         {
         public:
             bool is_red;
             Node(const T& t);
         };
         void doinsert(const T& t, BSTree<T>::Node*& n);
virtual void rebalance(Node* n);
         ...
     };
     template<class T>
     void BSTree<T>::doinsert(const T& t, Node*& n)
     {
        if(n==0)
        {
             Node m=new Node(t);
     n=m;
             rebalance(m);
        }
        else
        {
             if(t<n->t) doinsert(t, n->left);
             else doinsert(t, n->right);
        }
     }

     我们发现BSTree::doinsert和RBTree::doinsert代码大致相同,这就存在着复制代码操作,我们知道代码复制工作十分乏味、易出错、代码臃肿、维护困难...所以一个好的基类应该使派生类尽量少的复制代码,最好不复制。看看我们的基类:很多二分查找树都需要创建不同的节点,也有rebalance操作。好了,我们应该对基类BSTree作如下修改:

     Template<class T>
     class BSTree
     {
     protected:
         virtual Node* new_node(const T& t)
         { return new Node(t); }
         virtual void rebalance(Node* n) { }
         ...
     };
     这时候doinsert改动如下:
     template<class T>
     void BSTree<T>::doinsert(const T& t, Node*& n)
     {
         if(n==0)
         {
              n=new_node(t);
              rebalance(n);
         }
         else
         {
             if(t<n->t) doinsert(t, n->left);
             else       doinsert(t, n->right);
         }
     }
     这时候派生类RBTree定义改为:
     template<class T>
     class RBTree: public BSTree<T>
     {
     protected:
          Node* new_node(const T& t)
          { return new Node(t); }
          void rebalance(BSTree<T>::Node* n)
          {  ...   }
          ...
     };

     这样一来,程序员就无需复制代码了。我们发现,如果要使派生类的客户永远不复制代码,那么就要把派生类需要改变的代码分离出来,形成一个单独的模块函数(虚),但是在我们没有足够的派生类的信息的时候,这样做是不可能的,就算可能,难度也是相当得高,同时,大量的虚函数也会降低程序的执行效率。

    4、friend关键字的过分使用

    这个问题的根源在于友员关系的不继承性。我们仍然用上面的例子,不过做一下变动:
    template<class T> class BSTree;
    template<class T>
    class BSNode
    {
     protected:
T t;
         BSNode(const T& t);
         friend class BSTree<T>;
    };
    template<class T>
    class BSTree
    {
      ...没有了nested Node类
    };

    这里,由于BSNode的实现属于BSTree的实现细节,同时为了防止BSNode派生类偶然存取BSNode的成员,所以我们把他的所有成员都声明为Protected,同时让BSTree称为它的友员。但是由于RBTree要存取BSNode的成员,再加上友员的非继承,使事情变得复杂起来,通常有2种办法解决这个问题:

    1、将BSNode的成员声明为public,但是这样一来friend也就没有什么意义了。
    2、在RBNode类中增加一个存取函数,但是和不用friend相比,麻烦多了。
    另外还有一些其它的抉择也是让人头疼,例如:基类中的成员变量过多,继承的属性选择等。

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