Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

функции manager::print() будет зафиксирована ошибка: члену производного класса не предоставлено право доступа к частным членам его базового класса, значит name недоступно в этой функции.

Возможно многим это покажется странным, но давайте рассмотрим альтернативное решение: функциячлен производного класса имеет доступ к частным членам своего базового класса. Тогда само понятие частного (закрытого) члена теряет всякий смысл, поскольку для доступа к нему достаточно просто определить производный класс. Теперь уже будет недостаточно для выяснения, кто использует частные члены класса, просмотреть все функции-члены и друзей этого класса. Придется просмотреть все исходные файлы программы, найти производные классы, затем исследовать каждую функцию этих классов. Далее надо снова искать производные классы от уже найденных и т.д. Это, по крайней мере, утомительно, а скорее всего нереально. Нужно всюду, где это возможно, использовать вместо частных членов защищенные (см. $$6.6.1).

Как правило, самое надежное решение для производного класса - использовать только общие члены своего базового класса:

void manager::print() const

{

employee::print(); // печать данных о служащих // печать данных об управляющих

}

Отметим, что операция :: необходима, поскольку функция print() переопределена в классе manager. Такое повторное использование имен типично для С++. Неосторожный программист написал бы:

В результате он получил бы рекурсивную последовательность вызовов manager::print().

6.2.2 Конструкторы и деструкторы

Для некоторых производных классов нужны конструкторы. Если конструктор есть в базовом классе, то именно он и должен вызываться с указанием параметров, если таковые у него есть:

class employee { // ...

public: // ...

employee(char* n, int d);

};

class manager : public employee {

// ...

public: // ...

manager(char* n, int i, int d);

};

Параметры для конструктора базового класса задаются в определении конструктора производного класса. В этом смысле базовый класс выступает как класс, являющийся членом производного класса:

manager::manager(char* n, int l, int d)

: employee(n,d), level(l), group(0)

{

}

Конструктор базового класса employee::employee() может иметь такое определение:

employee::employee(char* n, int d) : name(n), department(d)

152

{

next = list; list = this;

}

Здесь list должен быть описан как статический член employee.

Объекты классов создаются снизу вверх: вначале базовые, затем члены и, наконец, сами производные классы. Уничтожаются они в обратном порядке: сначала сами производные классы, затем члены, а затем базовые. Члены и базовые создаются в порядке описания их в классе, а уничтожаются они в обратном порядке.

6.2.3 Иерархия классов

Производный класс сам в свою очередь может быть базовым классом:

Такое множество связанных между собой классов обычно называют иерархией классов. Обычно она представляется деревом, но бывают иерархии с более общей структурой в виде графа:

class tsec

: public temporary, public secretary { /* ... */ };

class consultant

: public temporary, public manager { /* ... */ };

Видим, что классы в С++ могут образовывать направленный ацикличный граф (подробнее об этом говорится в $$6.5.3). Этот граф для приведенных классов имеет вид:

6.2.4 Поля типа

Чтобы производные классы были не просто удобной формой краткого описания, в реализации языка должен быть решен вопрос: к какому из производных классов относится объект, на который смотрит указатель base*? Существует три основных способа ответа:

[1] Обеспечить, чтобы указатель мог ссылаться на объекты только одного типа ($$6.4.2);

[2]Поместить в базовый класс поле типа, которое смогут проверять функции;

[3]использовать виртуальные функции ($$6.2.5).

Указатели на базовые классы обыкновенно используются при проектировании контейнерных классов (множество, вектор, список и т.д.). Тогда в случае [1] мы получим однородные списки, т.е. списки объектов одного типа. Способы [2] и [3] позволяют создавать разнородные списки, т.е. списки объектов нескольких различных типов (на самом деле, списки указателей на эти объекты). Способ [3] - это специальный надежный в смысле типа вариант способа [2]. Особенно интересные и мощные варианты дают комбинации способов [1] и [3]; они обсуждаются в главе 8.

Вначале обсудим простой способ с полем типа, т.е. способ [2]. Пример с классами manager/employee можно переопределить так:

struct employee {

enum empl_type { M, E }; empl_type type; employee* next;

153

};

struct manager : employee { employee* group;

short level; // ...

};

Имея эти определения, можно написать функцию, печатающую данные о произвольном служащем:

void print_employee(const employee* e)

{

switch (e->type) { case E:

cout << e->name << '\t' << e->department << '\n'; // ...

break; case M:

cout << e->name << '\t' << e->department << '\n';

// ...

manager* p = (manager*) e;

cout << "level" << p->level << '\n';

// ...

break;

}

}

Напечатать список служащих можно так:

void f(const employee* elist)

{

for (; elist; elist=elist->next) print_employee(elist);

}

Это вполне хорошее решение, особенно для небольших программ, написанных одним человеком, но оно имеет существенный недостаток: транслятор не может проверить, насколько правильно программист обращается с типами. В больших программах это приводит к ошибкам двух видов. Первый - когда программист забывает проверить поле типа. Второй - когда в переключателе указываются не все возможные значения поля типа. Этих ошибок достаточно легко избежать в процессе написания программы, но совсем нелегко избежать их при внесении изменений в нетривиальную программу, а особенно, если это большая программа, написанная кем-то другим. Еще труднее избежать таких ошибок потому, что функции типа print() часто пишутся так, чтобы можно было воспользоваться общностью классов:

void print(const employee* e)

{

cout << e->name << '\t' << e->department << '\n'; // ...

if (e->type == M) {

manager* p = (manager*) e;

cout << "level" << p->level << '\n';

// ...

}

}

Операторы if, подобные приведенным в примере, сложно найти в большой функции, работающей со многими производными классами. Но даже когда они найдены, нелегко понять, что происходит на самом деле. Кроме того, при всяком добавлении нового вида служащих требуются изменения во всех важных функциях программы, т.е. функциях, проверяющих поле типа. В результате приходится править важные части программы, увеличивая тем самым время на отладку этих частей.

Иными словами, использование поля типа чревато ошибками и трудностями при сопровождении программы. Трудности резко возрастают по мере роста программы, ведь использование поля типа

154

противоречит принципам модульности и упрятывания данных. Каждая функция, работающая с полем типа, должна знать представление и специфику реализации всякого класса, являющегося производным для класса, содержащего поле типа.

6.2.5Виртуальные функции

Спомощью виртуальных функций можно преодолеть трудности, возникающие при использовании поля типа. В базовом классе описываются функции, которые могут переопределяться в любом производном классе. Транслятор и загрузчик обеспечат правильное соответствие между объектами и применяемыми

к ним функциями:

class employee { char* name; short department; // ...

employee* next;

static employee* list; public:

employee(char* n, int d);

// ...

static void print_list(); virtual void print() const;

};

Служебное слово virtual (виртуальная) показывает, что функция print() может иметь разные версии в разных производных классах, а выбор нужной версии при вызове print() - это задача транслятора. Тип функции указывается в базовом классе и не может быть переопределен в производном классе. Определение виртуальной функции должно даваться для того класса, в котором она была впервые описана (если только она не является чисто виртуальной функцией, см. $$6.3). Например:

void employee::print() const

{

cout << name << '\t' << department << '\n'; // ...

}

Мы видим, что виртуальную функцию можно использовать, даже если нет производных классов от ее класса. В производном же классе не обязательно переопределять виртуальную функцию, если она там не нужна. При построении производного класса надо определять только те функции, которые в нем действительно нужны:

class manager : public employee { employee* group;

manager(char* n, int d);

// ...

void print() const;

};

Место функции print_employee() заняли функции-члены print(), и она стала не нужна. Список служащих строит конструктор employee ($$6.2.2). Напечатать его можно так:

void employee::print_list()

{

for ( employee* p = list; p; p=p->next) p->print();

}

Данные о каждом служащем будут печататься в соответствии с типом записи о нем. Поэтому программа

int main()

{

155

employee e("J.Brown",1234); manager m("J.Smith",2,1234); employee::print_list();

}

напечатает

J.Smith 1234 level 2 J.Brown 1234

Обратите внимание, что функция печати будет работать даже в том случае, если функция employee_list() была написана и оттранслирована еще до того, как был задуман конкретный производный класс manager! Очевидно, что для правильной работы виртуальной функции нужно в каждом объекте класса employee хранить некоторую служебную информацию о типе. Как правило, реализации в качестве такой информации используют просто указатель. Этот указатель хранится только для объектов класса с виртуальными функциями, но не для объектов всех классов, и даже для не для всех объектов производных классов. Дополнительная память отводится только для классов, в которых описаны виртуальные функции. Заметим, что при использовании поля типа, для него все равно нужна дополнительная память.

Если в вызове функции явно указана операция разрешения области видимости ::, например, в вызове manager::print(), то механизм вызова виртуальной функции не действует. Иначе подобный вызов привел бы к бесконечной рекурсии. Уточнение имени функции дает еще один положительный эффект: если виртуальная функция является подстановкой (в этом нет ничего необычного), то в вызове с операцией :: происходит подстановка тела функции. Это эффективный способ вызова, который можно применять в важных случаях, когда одна виртуальная функция обращается к другой с одним и тем же объектом. Пример такого случая - вызов функции manager::print(). Поскольку тип объекта явно задается в самом вызове manager::print(), нет нужды определять его в динамике для функции employee::print(), которая и будет вызываться.

6.3 Абстрактные классы

Многие классы сходны с классом employee тем, что в них можно дать разумное определение виртуальным функциям. Однако, есть и другие классы. Некоторые, например, класс shape, представляют абстрактное понятие (фигура), для которого нельзя создать объекты. Класс shape приобретает смысл только как базовый класс в некотором производном классе. Причиной является то, что невозможно дать осмысленное определение виртуальных функций класса shape:

class shape { // ...

public:

virtual void rotate(int) { error("shape::rotate"); } virtual void draw() { error("shape::draw"): }

//нельзя ни вращать, ни рисовать абстрактную фигуру

//...

};

Создание объекта типа shape (абстрактной фигуры) законная, хотя совершенно бессмысленная операция:

shape s; // бессмыслица: ``фигура вообще''

Она бессмысленна потому, что любая операция с объектом s приведет к ошибке.

Лучше виртуальные функции класса shape описать как чисто виртуальные. Сделать виртуальную функцию чисто виртуальной можно, добавив инициализатор = 0:

156

Класс, в котором есть виртуальные функции, называется абстрактным. Объекты такого класса создать нельзя:

shape s; // ошибка: переменная абстрактного класса shape

Абстрактный класс можно использовать только в качестве базового для другого класса:

Если чисто виртуальная функция не определяется в производном классе, то она и остается таковой, а значит производный класс тоже является абстрактным. При таком подходе можно реализовывать классы поэтапно:

class X { public:

virtual void f() = 0; virtual void g() = 0;

Абстрактные классы нужны для задания интерфейса без уточнения каких-либо конкретных деталей реализации. Например, в операционной системе детали реализации драйвера устройства можно скрыть таким абстрактным классом:

class character_device { public:

virtual int open() = 0;

virtual int close(const char*) = 0; virtual int read(const char*, int) =0; virtual int write(const char*, int) = 0; virtual int ioctl(int ...) = 0;

// ...

};

Настоящие драйверы будут определяться как производные от класса character_device.

После введения абстрактного класса у нас есть все основные средства для того, чтобы написать законченную программу.

157

6.4 Пример законченной программы

Рассмотрим программу рисования геометрических фигур на экране. Она естественным образом распадается на три части:

[1] монитор экрана: набор функций и структур данных низкого уровня для работы с экраном; оперирует только такими понятиями, как точки, линии;

[2]библиотека фигур: множество определений фигур общего вида (например, прямоугольник, окружность) и стандартные функции для работы с ними;

[3]прикладная программа: конкретные определения фигур, относящихся к задаче, и работающие с ними функции.

Как правило, эти три части программируются разными людьми в разных организациях и в разное время, причем они обычно создаются в перечисленном порядке. При этом естественно возникают затруднения, поскольку, например, у разработчика монитора нет точного представления о том, для каких задач в конечном счете он будет использоваться. Наш пример будет отражать этот факт. Чтобы пример имел допустимый размер, библиотека фигур весьма ограничена, а прикладная программа тривиальна. Используется совершенно примитивное представление экрана, чтобы даже читатель, на машине которого нет графических средств, сумел поработать с этой программой. Можно легко заменить монитор экрана на более развитую программу, не изменяя при этом библиотеку фигур или прикладную программу.

6.4.1 Монитор экрана

Вначале было желание написать монитор экрана на С, чтобы еще больше подчеркнуть разделение между уровнями реализации. Но это оказалось утомительным, и поэтому выбрано компромиссное решение: стиль программирования, принятый в С (нет функций-членов, виртуальных функций, пользовательских операций и т.д.), но используются конструкторы, параметры функций полностью описываются и проверяются и т.д. Этот монитор очень напоминает программу на С, которую модифицировали, чтобы воспользоваться возможностями С++, но полностью переделывать не стали.

Экран представлен как двумерный массив символов и управляется функциями put_point() и put_line(). В них для связи с экраном используется структура point:

// файл screen.h const int XMAX=40; const int YMAX=24; struct point {

int x, y; point() { }

point(int a,int b) { x=; y=b; }

};

extern void put_point(int a, int b);

inline void put_point(point p) { put_point(p.x,p.y); } extern void put_line(int, int, int, int);

extern void put_line(point a, point b)

{ put_line(a.x,a.y,b.x,b.y); } extern void screen_init();

extern void screen_destroy(); extern void screen_refresh(); extern void screen_clear();

#include <iostream.h>

До вызова функций, выдающих изображение на экран (put_...), необходимо обратиться к функции инициализации экрана screen_init(). Изменения в структуре данных, описывающей экран, станут видимы на нем только после вызова функции обновления экрана screen_refresh(). Читатель может убедиться, что обновление экрана происходит просто с помощью копирования новых значений в массив, представляющий экран. Приведем функции и определения данных для управления экраном:

158

#include "screen.h" #include <stream.h>

enum color { black='*', white=' ' }; char screen[XMAX] [YMAX];

void screen_init()

{

for (int y=0; y<YMAX; y++) for (int x=0; x<XMAX; x++)

screen[x] [y] = white;

}

Функция

void screen_destroy() { }

приведена просто для полноты картины. В реальных системах обычно нужны подобные функции уничтожения объекта.

Точки записываются, только если они попадают на экран:

inline int on_screen(int a, int b) // проверка попадания

{

return 0<=a && a <XMAX && 0<=b && b<YMAX;

}

void put_point(int a, int b)

{

if (on_screen(a,b)) screen[a] [b] = black;

}

Для рисования прямых линий используется функция put_line():

void put_line(int x0, int y0, int x1, int y1)

/*

Нарисовать отрезок прямой (x0,y0) - (x1,y1). Уравнение прямой: b(x-x0) + a(y-y0) = 0. Минимизируется величина abs(eps),

где eps = 2*(b(x-x0)) + a(y-y0). См. Newman, Sproull

``Principles of interactive Computer Graphics'' McGraw-Hill, New York, 1979. pp. 33-34.

*/

{

register int dx = 1; int a = x1 - x0;

if (a < 0) dx = -1, a = -a; register int dy = 1;

int b = y1 - y0;

if (b < 0) dy = -1, b = -b; int two_a = 2*a;

int two_b = 2*b;

int xcrit = -b + two_a; register int eps = 0;

for (;;) { put_point(x0,y0);

if (x0==x1 && y0==y1) break;

if (eps <= xcrit) x0 +=dx, eps +=two_b; if (eps>=a || a<b) y0 +=dy, eps -=two_a;

}

}

159

Имеются функции для очистки и обновления экрана:

void screen_clear() { screen_init(); } void screen_refresh()

{

for (int y=YMAX-1; 0<=y; y--) { // с верхней строки до нижней for (int x=0; x<XMAX; x++) // от левого столбца до правого

cout << screen[x] [y]; cout << '\n';

}

}

Но нужно понимать, что все эти определения хранятся в некоторой библиотеке как результат работы транслятора, и изменить их нельзя.

6.4.2 Библиотека фигур

Начнем с определения общего понятия фигуры. Определение должно быть таким, чтобы им можно было воспользоваться (как базовым классом shape) в разных классах, представляющих все конкретные фигуры (окружности, квадраты и т.д.). Оно также должно позволять работать со всякой фигурой исключительно с помощью интерфейса, определяемого классом shape:

struct shape {

static shape* list; shape* next;

shape() { next = list; list = this; } virtual point north() const = 0; virtual point south() const = 0; virtual point east() const = 0; virtual point west() const = 0; virtual point neast() const = 0; virtual point seast() const = 0; virtual point nwest() const = 0; virtual point swest() const = 0; virtual void draw() = 0;

virtual void move(int, int) = 0;

};

Фигуры помещаются на экран функцией draw(), а движутся по нему с помощью move(). Фигуры можно помещать относительно друг друга, используя понятие точек контакта. Для обозначения точек контакта используются названия сторон света в компасе: north - север, ... , neast - северо-восток, ... , swest - югозапад. Класс каждой конкретной фигуры сам определяет смысл этих точек и определяет, как рисовать фигуру. Конструктор shape::shape() добавляет фигуру к списку фигур shape::list. Для построения этого списка используется член next, входящий в каждый объект shape. Поскольку нет смысла в объектах типа общей фигуры, класс shape определен как абстрактный класс.

Для задания отрезка прямой нужно указать две точки или точку и целое. В последнем случае отрезок будет горизонтальным, а целое задает его длину. Знак целого показывает, где должна находиться заданная точка относительно конечной точки, т.е. слева или справа от нее:

class line : public shape {

/*

отрезок прямой ["w", "e" ]

north() определяет точку - `` выше центра отрезка и так далеко на север, как самая его северная точка''

*/

point w, e; public:

point north() const { return point((w.x+e.x)/2,e.y<w.y?w.y:e:y); } point south() const { return point((w.x+e.x)/2,e.y<w.y?e.y:w.y); } point east() const;

160