Бьярн Страуструп - Язык программирования C++

class window { public:

virtual void draw();

// ...

protected:

void _draw();

// другие функции, служащие строительным материалом

private:

// представление класса

};

Такое разбиение можно проводить и в производных классах, таких, как window_w_border или window_w_menu.

Префикс _ используется в именах защищенных функций, являющихся частью реализации класса, по общему правилу: имена, начинающиеся с _, не должны присутствовать в частях программы, открытых для общего использования. Имен, начинающихся с двойного символа подчеркивания, лучше вообще избегать (даже для членов).

Вот менее практичный, но более подробный пример:

class X {

// по умолчанию частная часть класса int priv;

protected: int prot;

public:

int publ; void m();

};

Для члена X::m доступ к членам класса неограничен:

Член производного класса имеет доступ только к общим и защищенным членам:

class Y : public X { void mderived();

В глобальной функции доступны только общие члены:

172

6.6.2 Доступ к базовым классам

Подобно члену базовый класс можно описать как частный, защищенный или общий:

class X { public:

int a;

// ...

};

class Y1 : public X { }; class Y2 : protected X { }; class Y3 : private X { };

Поскольку X - общий базовый класс для Y1, в любой функции, если есть необходимость, можно (неявно) преобразовать Y1* в X*, и притом в ней будут доступны общие члены класса X:

void f(Y1* py1, Y2* py2, Y3* py3)

{

}

Теперь пусть описаны

class Y2 : protected X { };

class Z2 : public Y2 { void f(); };

Поскольку X - защищенный базовый класс Y2, только друзья и члены Y2, а также друзья и члены любых производных от Y2 классов (в частности Z2) могут при необходимости преобразовывать (неявно) Y2* в X*. Кроме того они могут обращаться к общим и защищенным членам класса X:

void Z2::f(Y1* py1, Y2* py2, Y3* py3)

{

}

Наконец, рассмотрим:

class Y3 : private X { void f(); };

Поскольку X - частный базовый класс Y3, только друзья и члены Y3 могут при необходимости преобразовывать (неявно) Y3* в X*. Кроме того они могут обращаться к общим и защищенным членам класса X:

void Y3::f(Y1* py1, Y2* py2, Y3* py3)

{

173

}

6.7 Свободная память

Если определить функции operator new() и operator delete(), управление памятью для класса можно взять в свои руки. Это также можно, (а часто и более полезно), сделать для класса, служащего базовым для многих производных классов. Допустим, нам потребовались свои функции размещения и освобождения памяти для класса employee ($$6.2.5) и всех его производных классов:

class employee {

// ...

public:

void* operator new(size_t);

void operator delete(void*, size_t);

};

void* employee::operator new(size_t s)

{

//отвести память в `s' байтов

//и возвратить указатель на нее

}

void employee::operator delete(void* p, size_t s)

{

//`p' должно указывать на память в `s' байтов,

//отведенную функцией employee::operator new();

//освободить эту память для повторного использования

}

Назначение до сей поры загадочного параметра типа size_t становится очевидным. Это - размер освобождаемого объекта. При удалении простого служащего этот параметр получает значение sizeof(employee), а при удалении управляющего - sizeof(manager). Поэтому собственные функции классы для размещения могут не хранить размер каждого размещаемого объекта. Конечно, они могут хранить эти размеры (подобно функциям размещения общего назначения) и игнорировать параметр size_t в вызове operator delete(), но тогда вряд ли они будут лучше, чем функции размещения и освобождения общего назначения.

Как транслятор определяет нужный размер, который надо передать функции operator delete()? Пока тип, указанный в operator delete(), соответствует истинному типу объекта, все просто; но рассмотрим такой пример:

class manager : public employee { int level;

// ...

};

void f()

{

employee* p = new manager; // проблема delete p;

}

В этом случае транслятор не сможет правильно определить размер. Как и в случае удаления массива, нужна помощь программиста. Он должен определить виртуальный деструктор в базовом классе employee:

class employee {

// ...

public:

// ...

void* operator new(size_t);

174

void operator delete(void*, size_t); virtual ~employee();

};

Даже пустой деструктор решит нашу проблему:

employee::~employee() { }

Теперь освобождение памяти будет происходить в деструкторе (а в нем размер известен), а любой производный от employee класс также будет вынужден определять свой деструктор (тем самым будет установлен нужный размер), если только пользователь сам не определит его. Теперь следующий пример пройдет правильно:

void f()

{

employee* p = new manager; // теперь без проблем delete p;

}

Размещение происходит с помощью (созданного транслятором) вызова

employee::operator new(sizeof(manager))

а освобождение с помощью вызова

employee::operator delete(p,sizeof(manager))

Иными словами, если нужно иметь корректные функции размещения и освобождения для производных классов, надо либо определить виртуальный деструктор в базовом классе, либо не использовать в функции освобождения параметр size_t. Конечно, можно было при проектировании языка предусмотреть средства, освобождающие пользователя от этой проблемы. Но тогда пользователь "освободился" бы и от определенных преимуществ более оптимальной, хотя и менее надежной системы.

В общем случае, всегда есть смысл определять виртуальный деструктор для всех классов, которые действительно используются как базовые, т.е. с объектами производных классов работают и, возможно, удаляют их, через указатель на базовый класс:

6.7.1 Виртуальные конструкторы

Узнав о виртуальных деструкторах, естественно спросить: "Могут ли конструкторы то же быть виртуальными?" Если ответить коротко - нет. Можно дать более длинный ответ: "Нет, но можно легко получить требуемый эффект".

Конструктор не может быть виртуальным, поскольку для правильного построения объекта он должен знать его истинный тип. Более того, конструктор - не совсем обычная функция. Он может взаимодействовать с функциями управления памятью, что невозможно для обычных функций. От обычных функций-членов он отличается еще тем, что не вызывается для существующих объектов. Следовательно нельзя получить указатель на конструктор.

Но эти ограничения можно обойти, если определить функцию, содержащую вызов конструктора и возвращающую построенный объект. Это удачно, поскольку нередко бывает нужно создать новый объект, не зная его истинного типа. Например, при трансляции иногда возникает необходимость сделать копию дерева, представляющего разбираемое выражение. В дереве могут быть узлы выражений разных видов. Допустим, что узлы, которые содержат повторяющиеся в выражении

175

операции, нужно копировать только один раз. Тогда нам потребуется виртуальная функция размножения для узла выражения.

Как правило "виртуальные конструкторы" являются стандартными конструкторами без параметров или конструкторами копирования, параметром которых служит тип результата:

class expr { // ...

public:

expr(); // стандартный конструктор virtual expr* new_expr() { return new expr(); }

};

Виртуальная функция new_expr() просто возвращает стандартно инициализированный объект типа expr, размещенный в свободной памяти. В производном классе можно переопределить функцию new_expr() так, чтобы она возвращала объект этого класса:

class conditional : public expr {

// ...

public:

conditional(); // стандартный конструктор expr* new_expr() { return new conditional(); }

};

Это означает, что, имея объект класса expr, пользователь может создать объект в "точности такого же типа":

void user(expr* p1, expr* p2)

{

expr* p3 = p1->new_expr(); expr* p4 = p2->new_expr(); // ...

}

Переменным p3 и p4 присваиваются указатели неизвестного, но подходящего типа.

Тем же способом можно определить виртуальный конструктор копирования, называемый операцией размножения, но надо подойти более тщательно к специфике операции копирования:

class expr {

// ...

expr* left; expr* right; public:

//...

//копировать `s' в `this'

inline void copy(expr* s);

// создать копию объекта, на который смотрит this virtual expr* clone(int deep = 0);

};

Параметр deep показывает различие между копированием собственно объекта (поверхностное копирование) и копированием всего поддерева, корнем которого служит объект (глубокое копирование). Стандартное значение 0 означает поверхностное копирование.

Функцию clone() можно использовать, например, так:

void fct(expr* root)

{

}

Являясь виртуальной, функция clone() способна размножать объекты любого производного от expr

176

класса. Настоящее копирование можно определить так:

void expr::copy(expression* s, int deep)

{

if (deep == 0) { // копируем только члены

*this = *s;

}

else { // пройдемся по указателям: left = s->clone(1);

right = s->clone(1); // ...

}

}

Функция expr::clone() будет вызываться только для объектов типа expr (но не для производных от expr классов), поэтому можно просто разместить в ней и возвратить из нее объект типа expr, являющийся собственной копией:

expr* expr::clone(int deep)

{

return r;

}

Такую функцию clone() можно использовать для производных от expr классов, если в них не появляются члены-данные (а это как раз типичный случай):

class arithmetic : public expr {

//...

//новых членов-данных нет =>

//можно использовать уже определенную функцию clone

};

С другой стороны, если добавлены члены-данные, то нужно определять собственную функцию clone():

class conditional : public expression { expr* cond;

public:

inline void copy(cond* s, int deep = 0); expr* clone(int deep = 0);

// ...

};

Функции copy() и clone() определяются подобно своим двойникам из expression:

expr* conditional::clone(int deep)

{

conditional* r = new conditional(); r->copy(this,deep);

return r;

}

void conditional::copy(expr* s, int deep)

{

if (deep == 0) { *this = *s;

}

else {

expr::copy(s,1); // копируем часть expr cond = s->cond->clone(1);

}

}

177

Определение последней функции показывает отличие настоящего копирования в expr::copy() от полного размножения в expr::clone() (т.е. создания нового объекта и копирования в него). Простое копирование оказывается полезным для определения более сложных операций копирования и размножения. Различие между copy() и clone() эквивалентно различию между операцией присваивания и конструктором копирования ($$1.4.2) и эквивалентно различию между функциями _draw() и draw() ($$6.5.3). Отметим, что функция copy() не является виртуальной. Ей и не надо быть таковой, поскольку виртуальна вызывающая ее функция clone(). Очевидно, что простые операции копирования можно также определять как функции-подстановки.

6.7.2 Указание размещения

По умолчанию операция new создает указанный ей объект в свободной памяти. Как быть, если надо разместить объект в определенном месте? Этого можно добиться переопределением операции размещения. Рассмотрим простой класс:

class X {

// ...

public:

X(int);

// ...

};

Объект можно разместить в любом месте, если ввести в функцию размещения дополнительные параметры:

// операция размещения в указанном месте:

void* operator new(size_t, void* p) { return p; }

и задав эти параметры для операции new следующим образом:

char buffer[sizeof(X)]; void f(int i)

{

X* p = new(buffer) X(i); // разместить X в buffer

// ...

}

Функция operator new(), используемая операцией new, выбирается согласно правилам сопоставления параметров ($$R.13.2). Все функции operator new() должны иметь первым параметром size_t. Задаваемый этим параметром размер неявно передается операцией new.

Определенная нами функция operator new() с задаваемым размещением является самой простой из функций подобного рода. Можно привести другой пример функции размещения, выделяющей память из некоторой заданной области:

class Arena { // ...

virtual void* alloc(size_t) = 0; virtual void free(void*) = 0;

};

void operator new(size_t sz, Arena* a)

{

return a.alloc(sz);

}

Теперь можно отводить память для объектов произвольных типов из различных областей (Arena):

178

Если мы помещаем объект в область памяти, которая непосредственно не управляется стандартными функциями распределения свободной памяти, то надо позаботиться о правильном уничтожении объекта. Основным средством здесь является явный вызов деструктора:

Заметим, что явных вызовов деструкторов, как и глобальных функций размещения специального назначения, следует, по возможности, избегать. Бывают случаи, когда обойтись без них трудно, но новичок должен трижды подумать, прежде чем использовать явный вызов деструктора, и должен сначала посоветоваться с более опытным коллегой.

6.8 Упражнения

1. (*1) Пусть есть класс

class base { public:

virtual void iam() { cout << "base\n"; }

};

Определите два производных от base класса и в каждом определите функцию iam(), выдающую имя своего класса. Создайте объекты этих классов и вызовите iam() для них. Присвойте адреса объектов производных классов указателю типа base* и вызовите iam() с помощью этих указателей.

2.(*2) Реализуйте примитивы управления экраном ($$6.4.1) разумным для вашей системы образом.

3.(*2) Определите классы triangle (треугольник) и circle (окружность).

4.(*2) Определите функцию, рисующую отрезок прямой, соединяющий две фигуры. Вначале надо найти самые ближайшие точки фигур, а затем соединить их.

5.(*2) Измените пример с классом shape так, чтобы line было производным классом от rectangle, или наоборот.

6.(*2) Пусть есть класс

class char_vec { int sz;

char element [1]; public:

static new_char_vec(int s);

char& operator[] (int i) { return element[i]; } // ...

};

Определите функцию new_char_vec() для отведения непрерывного участка памяти для объектов char_vec так, чтобы элементы можно было индексировать как массив element[]. В каком случае эта функция вызовет серьезные трудности?

7.(*1) Опишите структуры данных, которые нужны для примера с классом shape из $$6.4, и объясните, как может выполняться виртуальный вызов.

8.(*1.5) Опишите структуры данных, которые нужны для примера с классом satellite из $$6.5, и объясните, как может выполняться виртуальный вызов.

9.(*2) Опишите структуры данных, которые нужны для примера с классом window из $$6.5.3, и объясните, как может выполняться виртуальный вызов.

179

10. (*2) Опишите класс графических объектов с набором возможных операций, который будет общим базовым в библиотеке графических объектов. Исследуйте какие-нибудь графические библиотеки, чтобы понять, какие операции нужны. Определите класс объектов базы данных с набором возможных операций, который будет общим базовым классом объектов, хранящихся как последовательность полей базы данных. Исследуйте какие-нибудь базы данных, чтобы понять, какие операции нужны. Определите объект графической базы данных, используя или не используя множественное наследование. Обсудите относительные плюсы и минусы обоих решений.

11. (*2) Напишите вариант функции clone() из $$6.7.1, в котором размножаемый объект может помещаться в область Arena ($$6.7.2), передаваемую как параметр. Реализуйте простой класс Arena как производный от Arena.

12. (*2) Пусть есть классы Circle (окружность), Square (квадрат) и Triangle (треугольник), производные от класса shape. Определите функцию intersect() с двумя параметрами типа Shape*, которая вызывает подходящую функцию, чтобы выяснить, пересекаются ли заданные две фигуры. Для этого в указанных классах нужно определить соответствующие виртуальные функции. Не тратьте силы на функцию, которая действительно устанавливает, что фигуры пересекаются, добейтесь только правильной последовательности вызовов функций.

13. (*5) Разработайте и реализуйте библиотеку для моделирования, управляемого событиями. Подсказка: используйте <task.h>. Там уже устаревшие функции и можно написать лучше. Должен быть класс task (задача). Объект task должен уметь сохранять свое состояние и восстанавливать его (для этого можно определить функции task::save() и task::restore()) и тогда он может действовать как сопрограмма. Специальные задачи можно определять как объекты классов, производных от task. Программу, которую выполняет задача, определите как виртуальную функцию. Должна быть возможность передавать параметры новой задаче как параметры ее конструктору или конструкторам. Должен быть диспетчер, который реализует понятие виртуального времени. Определите функцию task::delay(long), которая будет "съедать" виртуальное время. Важный вопрос разработки: является ли диспетчер частью класса task, или он должен быть независимым? Задачи должны иметь возможность общения друг с другом. Для этой цели разработайте класс queue (очередь). Придумайте способ, чтобы задача могла ожидать входной поток из нескольких очередей. Все динамические ошибки должны обрабатываться единообразно. Как организовать отладку программ, написанных с помощью такой библиотеки?

180