Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

14.4. Преимущества объектно – ориентированного программирования

Когда мы говорим, что класс Circle является производным от класса Shape, или разновидностью класса Shape, то делаем это для того, чтобы достичь следующих целей (по отдельности или всех вместе).

• Наследование интерфейса. Функция, ожидающая аргумент класса Shape (обычно в качестве аргумента, передаваемого по ссылке), может принять аргумент класса Circle (и использовать его с помощью интерфейса класса Shape).

• Наследование реализации. Когда мы определяем класс Circle и его функции-члены, мы можем использовать возможности (т.е. данные и функции-члены), предоставляемые классом Shape.

Проект, в котором не используется наследование интерфейса (т.е. проект, в котором объект производного класса нельзя использовать вместо объекта открытого базового класса), следует признать плохим и уязвимым для ошибок. Например, мы могли бы определить класс Never_do_this, относительно которого класс Shape является открытым базовым классом. Затем мы могли бы заместить функцию Shape::draw_lines функцией, которая не рисует фигуру, а просто перемещает ее центр на 100 пикселей влево. Этот проект фатально неверен, поскольку, несмотря на то, что класс Never_do_this может предоставить интерфейс класса Shape, его реализация не поддерживает семантику (т.е. поведение), требуемое классом Shape. Никогда так не делайте!

Преимущества наследования интерфейса проявляются в использовании интерфейса базового класса (в данном случае класса Shape) без информации о реализациях (в данном случае классах, производных от класса Shape).

Преимущества наследования интерфейса проявляются в упрощении реализации производных классов (например, класса Circle), которое обеспечивается возможностями базового класса (например, класса Shape).

Обратите внимание на то, что наш графический проект сильно зависит от наследования интерфейса: “графический движок” вызывает функцию Shape::draw, которая в свою очередь вызывает виртуальную функцию draw_lines класса Shape, чтобы она выполнила реальную работу, связанную с выводом изображений на экран. Ни “графический движок”, ни класс Shape не знают, какие виды фигур существуют. В частности, наш “графический движок” (библиотека FLTK и графические средства операционной системы) написан и скомпилирован за много лет до создания наших графических классов! Мы просто определяем конкретные фигуры и вызываем функцию attach, чтобы связать их с объектами класса Window в качестве объектов класса Shape (функция Window::attach получает аргумент типа Shape&; см. раздел Г.3). Более того, поскольку класс Shape не знает о наших графических классах, нам не нужно перекомпилировать класс Shape каждый раз, когда мы хотим определить новый класс графического интерфейса.

Иначе говоря, мы можем добавлять новые фигуры, не модифицируя существующий код. Это “святой Грааль” для проектирования, разработки и сопровождения программного обеспечения: расширение системы без ее модификации. Разумеется, существуют пределы, до которых мы можем расширять систему, не модифицируя существующие классы (например, класс Shape предусматривает довольно ограниченный набор операций), и этот метод не может решить все проблемы программирования (например, в главах 17–19 определяется класс vector; наследование здесь мало может помочь). Однако наследование интерфейса — один из мощных методов проектирования и реализации систем, устойчивых к изменениям.

Аналогично наследование реализации позволяет сделать многое, но тоже не является панацеей. Помещая полезные функции в класс Shape, мы экономим силы, избегая дублирования кода в производных классах. Это может оказаться существенным фактором при разработке реальных программ. Однако этот эффект достигается за счет того, что любое изменение интерфейса класса Shape или любое изменение в размещении его данных-членов потребует повторной компиляции всех производных классов и их клиентов. Для широко используемых библиотек такая повторная компиляция может оказаться неразрешимой проблемой. Естественно, существуют способы достичь указанных преимуществ и избежать большинства проблем (см. раздел 14.3.5).

Задание

К сожалению, мы не можем сформулировать задание, которое выявило бы понимание общих принципов проектирования, поэтому решили сосредоточиться на свойствах языка, поддерживающих объектно-ориентированное программирование.

1. Определите класс B1 с виртуальной функцией vf и невиртуальной функцией f. Определите эти функции в классе B1. Реализуйте каждую функцию так, чтобы она выводила свое имя (например, “B1::vf”). Сделайте эти функции открытыми. Создайте объект B1 и вызовите каждую из функций.

2. Определите класс D1, производный от класса B1, и заместите функцию vf. Создайте объект класса D1 и вызовите функции vf и f из него.

3. Определите ссылку на объект класса B1 (т.е. B1&) и инициализируйте ею только что определенный объект класса D1. Вызовите функции vf и f для этой ссылки.

4. Теперь определите функцию f в классе D1 и повторите пп. 1–3. Объясните результаты.

5. Добавьте в класс B1 чисто виртуальную функцию pvf и попытайтесь повторить пп. 1–4. Объясните результат.

6. Определите класс D2, производный от класса D1, и заместите в нем функцию pvf. Создайте объект класса D2 и вызовите из него функции f, vf и pvf.

7. Определите класс B2 с чисто виртуальной функцией pvf. Определите класс D21 с членом типа string и функцией-членом, замещающей функцию pvf; функция D21::pvf должна выводить значение члена типа string. Определите класс D22, аналогичный классу D21, за исключением того, что его член имеет тип int. Определите функцию f, получающую аргумент типа B2& и вызывающую функцию pvf из этого аргумента. Вызовите функцию f с аргументами класса D21 и D22.

Контрольные вопросы

1. Что такое предметная область?

2. Назовите цели именования.

3. Что такое имя?

4. Какие возможности предоставляет класс Shape?

5. Чем абстрактный класс отличается от других классов?

6. Как создать абстрактный класс?

7. Как управлять доступом?

8. Зачем нужен раздел private?

9. Что такое виртуальная функция и чем она отличается от невиртуальных функций?

10. Что такое базовый класс?

11. Как объявляется производный класс?

12. Что мы подразумеваем под схемой объекта?

13. Что можно сделать, чтобы класс было легче тестировать?

14. Что такое диаграмма наследования?

15. В чем заключается разница между защищенными и закрытыми членами класса?

16. К каким членам класса имеют доступ члены производного класса?

17. Чем чисто виртуальная функция отличается от других виртуальных функций?

18. Зачем делать функции-члены виртуальными?