13.8 Интерфейсные классы

Про один из самых важных видов классов обычно забывают - это "скромные" интерфейсные классы. Такой класс не выполняет какой-то большой работы, ведь иначе, его не называли бы интерфейсным. Задача интерфейсном класса приспособить некоторую полезную функцию к определенному контексту. Достоинство интерфейсных классов в том, что они позволяют совместно использовать полезную функцию, не загоняя ее в жесткие рамки. Действительно, невозможно рассчитывать, что функция сможет сама по себе одинаково хорошо удовлетворить самые разные запросы.

Интерфейсный класс в чистом виде даже не требует генерации кода. Вспомним описание шаблона типа Splist из §8.3.2:

template<class T>

class Splist : private Slist<void*> {

public:

void insert(T* p) { Slist<void*>::insert(p); }

void append(T* p) { Slist<void*>::append(p); }

T* get() { return (T*) Slist<void*>::get(); }

};

Класс Splist преобразует список ненадежных обобщенных указателей типа void* в более удобное семейство надежных классов, представляющих списки. Чтобы применение интерфейсных классов не было слишком накладно, нужно использовать функции-подстановки. В примерах, подобных приведенному, где задача функций-подстановок только подогнать тип, накладные расходы в памяти и скорости выполнения программы не возникают.

Естественно, можно считать интерфейсным абстрактный базовый класс, который представляет абстрактный тип, реализуемый конкретными типами (§13.3), также как и управляющие классы из раздела 13.9. Но здесь мы рассматриваем классы, у которых нет иных назначений - только задача адаптации интерфейса.

Рассмотрим задачу слияния двух иерархий классов с помощью множественного наследования. Как быть в случае коллизии имен, т.е. ситуации, когда в двух классах используются виртуальные функции с одним именем, производящие совершенно разные операции? Пусть есть видеоигра под названием "Дикий запад", в которой диалог с пользователем организуется с помощью окна общего вида (класс Window):

class Window {

// ...

virtual void draw();

};

class Cowboy {

// ...

virtual void draw();

};

class CowboyWindow : public Cowboy, public Window {

// ...

};

В этой игре класс CowboyWindow представляет движение ковбоя на экране и управляет взаимодействием игрока с ковбоем. Очевидно, появится много полезных функций, определенных в классе Window и Cowboy, поэтому предпочтительнее использовать множественное наследование, чем описывать Window или Cowboy как члены. Хотелось бы передавать этим функциям в качестве параметра объект типа CowboyWindow, не требуя от программиста указания каких-то спецификаций объекта. Здесь как раз и возникает вопрос, какую функции выбрать для CowboyWindow: Cowboy::draw() или Window::draw().

В классе CowboyWindow может быть только одна функция с именем draw(), но поскольку полезная функция работает с объектами Cowboy или Window и ничего не знает о CowboyWindow, в классе CowboyWindow должны подавляться (переопределяться) и функция Cowboy::draw(), и функция Window_draw(). Подавлять обе функции с помощью одной - draw() неправильно, поскольку, хотя используется одно имя, все же все функции draw() различны и не могут переопределяться одной.

Наконец, желательно, чтобы в классе CowboyWindow наследуемые функции Cowboy::draw() и Window::draw() имели различные однозначно заданные имена.

Для решения этой задачи нужно ввести дополнительные классы для Cowboy и Window. Вводится два новых имени для функций draw() и гарантируется, что их вызов в классах Cowboy и Window приведет к вызову функций с новыми именами:

class CCowboy : public Cowboy {

virtual int cow_draw(int) = 0;

void draw() { cow_draw(i); } // переопределение Cowboy::draw

};

class WWindow : public Window {

virtual int win_draw() = 0;

void draw() { win_draw(); } // переопределение Window::draw

};

Теперь с помощью интерфейсных классов CCowboy и WWindow можно определить класс CowboyWindow и сделать требуемые переопределения функций cow_draw() и win_draw:

class CowboyWindow : public CCowboy, public WWindow {

// ...

void cow_draw();

void win_draw();

};

Отметим, что в действительности трудность возникла лишь потому, что у обеих функций draw() одинаковый тип параметров. Если бы типы параметров различались, то обычные правила разрешения неоднозначности при перегрузке гарантировали бы, что трудностей не возникнет, несмотря на наличие различных функций с одним именем.

Для каждого случая использования интерфейсного класса можно предложить такое расширение языка, чтобы требуемая адаптация проходила более эффективно или задавалась более элегантным способом. Но такие случаи являются достаточно редкими, и нет смысла чрезмерно перегружать язык, предоставляя специальные средства для каждого отдельного случая. В частности, случай коллизии имен при слиянии иерархий классов довольно редки, особенно если сравнивать с тем, насколько часто программист создает классы. Такие случаи могут возникать при слиянии иерархий классов из разных областей (как в нашем примере: игры и операционные системы). Слияние таких разнородных структур классов всегда непростая задача, и разрешение коллизии имен является в ней далеко не самой трудной частью. Здесь возникают проблемы из-за разных стратегий обработки ошибок, инициализации, управления памятью. Пример, связанный с коллизией имен, был приведен потому, что предложенное решение: введение интерфейсных классов с функциями-переходниками, - имеет много других применений. Например, с их помощью можно менять не только имена, но и типы параметров и возвращаемых значений, вставлять определенные динамические проверки и т.д.

Функции-переходники CCowboy::draw() и WWindow_draw являются виртуальными, и простая оптимизация с помощью подстановки невозможна. Однако, есть возможность, что транслятор распознает такие функции и удалит их из цепочки вызовов.

Интерфейсные функции служат для приспособления интерфейса к запросам пользователя. Благодаря им в интерфейсе собираются операции, разбросанные по всей программе. Обратимся к классу vector из §1.4.

Для таких векторов, как и для массивов, индекс отсчитывается от нуля. Если пользователь хочет работать с диапазоном индексов, отличным от диапазона 0..size-1, нужно сделать соответствующие приспособления, например, такие:

void f()

{

vector v(10); // диапазон [0:9]

// как будто v в диапазоне [1:10]:

for (int i = 1; i<=10; i++) {

v[i-1] = ... // не забыть пересчитать индекс

}

// ...

}

Лучшее решение дает класс vec c произвольными границами индекса:

class vec : public vector {

int lb;

public:

vec(int low, int high)

: vector(high-low+1) { lb=low; }

int& operator[](int i)

{ return vector::operator[](i-lb); }

int low() { return lb; }

int high() { return lb+size() - 1; }

};

Класс vec можно использовать без дополнительных операций, необходимых в первом примере:

void g()

{

vec v(1,10); // диапазон [1:10]

for (int i = 1; i<=10; i++) {

v[i] = ...

}

// ...

}

Очевидно, вариант с классом vec нагляднее и безопаснее.

Интерфейсные классы имеют и другие важные области применения, например, интерфейс между программами на С++ и программами на другом языке (§12.1.4) или интерфейс с особыми библиотеками С++.

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.