13.9 Управляющие классы

Концепция абстрактного класса дает эффективное средство для разделения интерфейса и его реализации. Мы применяли эту концепцию и получали постоянную связь между интерфейсом, заданным абстрактным типом, и реализацией, представленной конкретным типом. Так, невозможно переключить абстрактный итератор с одного класса-источника на другой, например, если исчерпано множество (класс set), невозможно перейти на потоки.       Далее, пока мы работаем с объектами абстрактного типа с помощью указателей или ссылок, теряются все преимущества виртуальных функций. Программа пользователя начинает зависеть от конкретных классов реализации. Действительно, не зная размера объекта, даже при абстрактном типе нельзя разместить объект в стеке, передать как параметр по значению или разместить как статический. Если работа с объектами организована через указатели или ссылки, то задача распределения памяти перекладывается на пользователя ($$13.10).       Существует и другое ограничение, связанное с использованием абстрактных типов. Объект такого класса всегда имеет определенный размер, но классы, отражающие реальное понятие, могут требовать память разных размеров.       Есть распространенный прием преодоления этих трудностей, а именно, разбить отдельный объект на две части: управляющую, которая определяет интерфейс объекта, и содержательную, в которой находятся все или большая часть атрибутов объекта. Связь между двумя частями реализуется с помощью указателя в управляющей части на содержательную часть. Обычно в управляющей части кроме указателя есть и другие данные, но их немного. Суть в том, что состав управляющей части не меняется при изменении содержательной части, и она настолько мала, что можно свободно работать с самими объектами, а не с указателями или ссылками на них.       управляющая часть содержательная часть Простым примером управляющего класса может служить класс string из $$7.6. В нем содержится интерфейс, контроль доступа и управление памятью для содержательной части. В этом примере управляющая и содержательная части представлены конкретными типами, но чаще содержательная часть представляется абстрактным классом.       Теперь вернемся к абстрактному типу set из $$13.3. Как можно определить управляющий класс для этого типа, и какие это даст плюсы и минусы? Для данного класса set можно определить управляющий класс просто перегрузкой операции ->:       class set_handle {       set* rep;       public:       set* operator->() { return rep; }       set_handler(set* pp) : rep(pp) { }       }; Это не слишком влияет на работу с множествами, просто передаются объекты типа set_handle вместо объектов типа set& или set*, например:       void my(set_handle s)       {       for (T* p = s->first(); p; p = s->next())       {       // ...       }       // ...       }       void your(set_handle s)       {       for (T* p = s->first(); p; p = s->next())       {       // ...       }       // ...       }       void user()       {       set_handle sl(new slist_set);       set_handle v(new vector_set v(100));       my(sl);       your(v);       my(v);       your(sl);       } Если классы set и set_handle разрабатывались совместно,легко реализовать подсчет числа создаваемых множеств:       class set {       friend class set_handle;       protected:       int handle_count;       public:       virtual void insert(T*) = 0;       virtual void remove(T*) = 0;       virtual int is_member(T*) = 0;       virtual T* first() = 0;       virtual T* next() = 0;       set() : handle_count(0) { }       }; Чтобы подсчитать число объектов данного типа set, в управляющем классе нужно увеличивать или уменьшать значение счетчика set_handle:       class set_handle {       set* rep;       public:       set* operator->() { return rep; }       set_handle(set* pp)       : rep(pp) { pp->handle_count++; }       set_handle(const set_handle& r)       : rep(r.rep) { rep->handle_count++; }       set_handle& operator=(const set_handle& r)       {       rep->handle_count++;       if (--rep->handle_count == 0) delete rep;       rep = r.rep;       return *this;       }       ~set_handle()       { if (--rep->handle_count == 0) delete rep; }       }; Если все обращения к классу set обязательно идут через set_handle, пользователь может не беспокоиться о распределении памяти под объекты типа set.       На практике иногда приходится извлекать указатель на содержательную часть из управляющего класса и пользоваться непосредственно им. Можно, например, передать такой указатель функции, которая ничего не знает об управляющем классе. Если функция не уничтожает объект, на который она получила указатель, и если она не сохраняет указатель для дальнейшего использования после возврата, никаких ошибок быть не должно. Может оказаться полезным переключение управляющего класса на другую содержательную часть:       class set_handle {       set* rep;       public:       // ...       set* get_rep() { return rep; }       void bind(set* pp)       {       pp->handle_count++;       if (--rep->handle_count == 0) delete rep;       rep = pp;       }       }; Создание новых производных от set_handle классов обычно не имеет особого смысла, поскольку это - конкретный тип без виртуальных функций. Другое дело - построить управляющий класс для семейства классов, определяемых одним базовым. Полезным приемом будет создание производных от такого управляющего класса. Этот прием можно применять как для узловых классов, так и для абстрактных типов.       Естественно задавать управляющий класс как шаблон типа:       template<class T> class handle {       T* rep;       public:       T* operator->() { return rep; }       // ...       }; Но при таком подходе требуется взаимодействие между управляющим и "управляемым" классами. Если управляющий и управляемые классы разрабатываются совместно, например, в процессе создания библиотеки, то это может быть допустимо. Однако, существуют и другие решения ($$13.10).       За счет перегрузки операции -> управляющий класс получает возможность контроля и выполнения каких-то операций при каждом обращении к объекту. Например, можно вести подсчет частоты использования объектов через управляющий класс:       template<class T>       class Xhandle {       T* rep;       int count;       public:       T* operator->() { count++; return rep; }       // ...       }; Нужна более сложная техника, если требуется выполнять операции как перед, так и после обращения к объекту. Например, может потребоваться множество с блокировкой при выполнении операций добавления к множеству и удаления из него. Здесь, по сути, в управляющем классе приходится дублировать интерфейс с объектами содержательной части:       class set_controller {       set* rep;       // ...       public:       lock();       unlock();       virtual void insert(T* p)       { lock(); rep->insert(p); unlock(); }       virtual void remove(T* p)       { lock(); rep->remove(p); unlock(); }       virtual int is_member(T* p)       { return rep->is_member(p); }       virtual T* first() { return rep->first(); }       virtual T* next() { return rep->next(); }       // ...       }; Писать функции-переходники для всего интерфейса утомительно (а значит могут появляться ошибки), но не трудно и это не ухудшает характеристик программы.       Заметим, что не все функции из set следует блокировать. Как показывает опыт автора, типичный случай, когда операции до и после обращения к объекту надо выполнять не для всех, а только для некоторых функций-членов. Блокировка всех операций, как это делается в мониторах некоторых операционных систем, является избыточной и может существенно ухудшить параллельный режим выполнения.       Переопределив все функции интерфейса в управляющем классе, мы получили по сравнению с приемом перегрузки операции ->, то преимущество, что теперь можно строить производные от set_controller классы. К сожалению, мы можем потерять и некоторые достоинства управляющего класса, если к производным классам будут добавляться члены, представляющие данные. Можно сказать, что программный объем, который разделяется между управляемыми классами уменьшается по мере роста программного объема управляющего класса.