C++编程范式：虚函数、面向对象与泛型编程解析

### C++编程范式：虚函数、面向对象与泛型编程解析 #### 1. 虚函数 虚函数机制中的虚函数表（vtable）能确保在调用者不了解对象大小和数据布局的情况下，对象仍可被正确使用。调用者只需知道虚函数表在栈中的位置，以及每个虚函数对应的索引。这种虚调用机制的效率与“普通函数调用”机制基本相当，其空间开销为：包含虚函数的类的每个对象中有一个指针，以及每个此类有一个虚函数表。 #### 2. 面向对象编程 数据抽象是优秀设计的基础，贯穿于编程的始终。然而，仅靠用户自定义类型往往不够灵活，难以满足实际需求。下面我们将探讨简单用户自定义数据类型存在的问题，以及如何通过类层次结构来解决这些问题。 ##### 2.1 具体类型的问题 具体类型就像通过模块定义的“伪类型”，如同一个黑盒。一旦黑盒定义完成，它与程序的其他部分几乎没有交互。除非修改其定义，否则无法将其应用于新的用途。这种情况有时是理想的，但也可能导致严重的不灵活性。 以图形系统中定义的`Shape`类型为例，假设系统需要支持圆形、三角形和正方形，同时我们有以下定义： ```cpp class Point{ /* ... */ }; class Color{ /* ... */ }; ``` 我们可能会这样定义`Shape`： ```cpp enum Kind { circle, triangle, square }; // 枚举 (§4.8) class Shape { Kind k; // 类型字段 Point center; Color col; // ... public: void draw(); void rotate(int); // ... }; ``` “类型字段”`k`用于让`draw()`和`rotate()`等操作确定它们处理的是哪种形状。`draw()`函数可能会这样定义： ```cpp void Shape::draw() { switch (k) { case circle: // draw a circle break; case triangle: // draw a triangle break; case square: // draw a square break; } } ``` 这种实现方式存在很多问题。像`draw()`这样的函数必须“了解”所有形状的类型。因此，每次向系统中添加新形状时，此类函数的代码都会增加。如果定义了新形状，必须检查并（可能）修改对形状的每个操作。除非能够访问每个操作的源代码，否则无法向系统中添加新形状。由于添加新形状需要“触及”形状的每个重要操作的代码，这需要高超的技能，并且可能会在处理其他（旧）形状的代码中引入错误。特定形状的表示选择可能会受到严重限制，因为（至少部分）它们的表示必须适应由一般类型`Shape`定义的通常固定大小的框架。 ##### 2.2 类层次结构 问题在于，没有区分每个形状的通用属性（例如，形状有颜色，可以绘制等）和特定形状的属性（例如，圆形有半径，由圆形绘制函数绘制等）。表达并利用这种区别就是面向对象编程的核心。支持这种区别表达和使用的语言支持面向对象编程，其他语言则不支持。 继承机制（从Simula引入C++）提供了解决方案。首先，我们定义一个类来定义所有形状的通用属性： ```cpp class Shape { Point center; Color col; // ... public: Point where() { return center; } void move(Point to) { center = to; /* ... */ draw(); } virtual void draw() = 0; virtual void rotate(int angle) = 0; // ... }; ``` 与抽象类型`Stack`（§2.5.4）一样，那些可以定义调用接口但尚未能定义实现的函数是虚函数。特别是，`draw()`和`rotate()`函数只能针对特定形状进行定义，因此它们被声明为虚函数。 基于这个定义，我们可以编写操作形状指针向量的通用函数： ```cpp void ro ```