C++中各类别的角色与应用

### C++ 中各类别的角色与应用 在 C++ 编程中，类扮演着多种多样的角色，以满足不同的设计需求。不同类型的类各有其特点和适用场景，了解它们对于编写高效、可维护的代码至关重要。 #### 1. 类的种类概述 C++ 中的类是一种编程构造，可满足多种设计需求。为解决复杂的设计问题，常常需要引入新的类来明确之前设计中隐含的概念，甚至可能会淘汰一些旧的类。类能扮演的角色丰富多样，这也催生了多种专门用于满足特定需求的类。常见的类类型包括具体类型、抽象类型、节点类、动作类、接口类、句柄类和应用框架类等。 这些“类的种类”是设计概念，而非语言构造。理想情况下，我们希望有一组简单且正交的基本类，能构建出所有行为良好且实用的类，但这可能难以实现。需要注意的是，每种类型的类在设计中都有其独特的地位，没有一种类在所有应用场景中都绝对优于其他类。在设计和编程讨论中，很多混淆源于人们试图仅使用一两种类，这种做法虽以简化为名，却常导致对偏好类的不自然使用。 #### 2. 具体类型 像 `vector`、`list`、`Date` 和 `complex` 这样的类属于具体类型。它们代表相对简单的概念，具备支持该概念所需的所有操作。具体类型的接口与实现一一对应，通常不用于派生，也不适合纳入相关类的层次结构。每个具体类型都可以独立理解，与其他类的关联较少。 具体类型的目标包括： - 紧密匹配特定概念和实现策略。 - 通过内联和充分利用概念及实现特性的操作，提供与“手工编写”代码相当的运行时和空间效率。 - 尽量减少对其他类的依赖。 - 可独立理解和使用。 然而，具体类型无法直接表达共性。例如，`list` 和 `vector` 提供了相似的操作集，但在类型层面却没有关联。这导致使用它们的代码在相似操作下可能看起来不同，例如遍历 `list` 和 `vector` 的方式差异很大： ```cpp void my(list& sl) { for (T* p = sl.first(); p; p = sl.next()) { // my stuff } // ... } void your(vector& v) { for (int i = 0; i<v.size(); i++) { // your stuff } // ... } ``` 当使用标准库时，迭代方式变得统一： ```cpp template<class C> void ours(C& c) { for (typename C::iterator p = c.begin(); p!=c.end(); ++p) { // ... } } ``` 要使用具体类型，用户必须了解其具体细节，因为库中通常没有适用于所有具体类型的通用属性。同时，应尽量隐藏实现细节，避免直接暴露成员变量，内联函数在这方面很有帮助。 具体类型很少适合作为进一步派生的基类，因为它们旨在高效地表示单个概念。更常见的做法是将其作为成员或私有基类使用。例如： ```cpp class Date_and_time { private: Date d; Time t; public: // ... }; ``` 如果尝试将具体类型设计为易于派生修改，可能会带来一些成本，如基本操作效率降低、需要使用自由存储、给用户带来不便以及封装性变弱等。 #### 3. 抽象类型 引入抽象类是一种松散类用户与实现者之间耦合的简单方法，同时也能分离对象创建代码和使用代码。以一个简单的 `Set` 为例： ```cpp template<class T> class Set { 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; virtual ~Set() {} }; ``` 抽象类定义了一组实现的公共接口，我们可以在不知道具体实现类型的情况下使用 `Set`。例如： ```cpp void f(Set<Plane*>& s) { for (Plane** p = s.first(); p; p = s.next()) { // my stuff } // ... } List_set<Plane*> sl; Vector_set<Plane*> v(100); void g() { f(sl); f(v); } ``` 与具体类型不同，抽象类型允许在一个程序中同时存在多个实现，用户无需了解具体实现类的声明，当实现类发生变化时，用户代码也无需重新编译。 抽象类型的目标包括： - 以允许多种实现共存的方式定义单个概念。 - 通过使用虚函数提供合理的运行时和空间效率。 - 使每个实现对其他类的依赖最小化。 - 可独立理解。 抽象类型并非优于具体类型，只是有所不同。用户需要在两者之间进行权衡，库提供者可以同时提供这两种类型，让用户自行选择。 #### 4. 节点类 类层次结构的构建方式与抽象类型的接口/实现者视图不同。节点类被视为构建的基础，即使是抽象的节点类，通常也有自己的表示并为派生类提供服务。例如 `Polygon`、`Initial Ival slider` 和 `Satellite` 都是节点类的例子。 节点类通常代表一个通用概念，其派生类可视为该概念的特殊化。典型的节点类依赖基类的服务来提供自身的服务，除了实现基类指定的接口外，还会添加新的函数，从而提供更广泛的接口。 以交通模拟示例中的 `Car` 类为例： ```cpp class Car : public Vehicle { public: Car(int passengers, Size category size, int weight, int fc) : Vehicle(passengers,size,weight), fuel_capacity(fc) { /* ... */ } // override relevant virtual functions from Vehicle: void turn(Direction); // ... // add Car-specific functions: virtual void add_fuel(int amount); // ... }; ``` 节点类通常需要构造函数，并且依赖基类的操作。例如，`Bridge` 类可以通过 `Vehicle` 类的基本函数来判断车辆是否能通过： ```cpp bool Bridge::can_cross(const Vehicle& r) { if (max_weight<r.weight()) return false; // ... } ``` 像 `Car` 这样的节点类本身也适合进一步派生，例如 `Ambulance` 需要额外的数据和操作来处理紧急情况： ```cpp class Ambulance : public Car, public Emergency { public: Ambulance(); // override relevant Car virtual functions: void turn(Direction); // ... // override relevant Emergency virtual functions: virtual void dispatch_to(const Location&); // ... // add Ambulance-specific functions: virtual int patient_capacity(); // ... }; ``` 节点类的特点包括： - 依赖基类进行实现并为用户提供服务。 - 为用户提供比基类更广泛的接口。 - 公共接口主要依赖虚函数。 - 依赖所有直接和间接基类。 - 只能在基类的上下文中理解。 - 可作为进一步派生的基类。 - 可用于创建对象。 并非每个节点类都完全符合上述所有特点，不满足某些特点的节点类可能类似于具体类型或抽象类型。 #### 5. 节点类的接口变更 节点类作为类层次结构的一部分，并非每个类都需要提供相同的接口。派生类可以提供更多的成员函数，兄弟类也可以提供完全不同的函数集。从设计角度看，`dynamic_cast` 可以用于询问对象是否提供特定接口。 以一个简单的对象 I/O 系统为例，用户希望从流中读取对象，确定其类型并使用它们。例如： ```cpp void user() { // ... open file assumed to hold shapes, and attach ss as an istream for that file ... Io_obj* p = get_obj(ss); if (Shape* sp = dynamic_cast<Shape*>(p)) { sp->draw(); // ... } else { // oops: non-shape in Shape file } } ``` 该对象 I/O 系统假设每个读写的对象都派生自 `Io_obj`，`Io_obj` 必须是多态类型才能使用 `dynamic_cast`。关键函数 `get_obj()` 负责从输入流中读取数据并创建相应的类对象： ```cpp typedef Io_obj* (*PF)(istream&); map<string,PF> io_map; bool get_word(istream& is, string& s); Io_obj* get_obj(istream& s) { string str; bool b = get_word(s,str); if (b == false) throw No_class(); PF f = io_map[str]; if (f == 0) throw Unknown_class(); return f(s); } ``` `io_map` 存储了类名和创建对象的函数对。我们可以通过定义新类将现有类融入层次结构，例如： ```cpp class Io_circle : public Circle, public Io_obj { public: Io_circle* clone() const { return new Io_circle(*this); } Io_circle(istream&); static I ```