Эффективное использование C++. 55 верных способов улучшить структуру и код ваших программ - Скотт Майерс

Интерфейсный класс Person может выглядеть примерно так:

class Person {

public:

virtual ~Person();

virtual std::string name() const = 0;

virtual std::string birthDate() const = 0;

virtual std::string address() const = 0;

...

};

Пользователи этого класса должны программировать в терминах указателей и ссылок на Person, потому что невозможно создать экземпляр класса, содержащего чисто виртуальные функции (однако можно создавать экземпляры классов, производных от Person – см. далее). Пользователям интерфейсных классов, как и пользователям классов-дескрипторов, нет нужды проводить перекомпиляцию до тех пор, пока не изменяется интерфейс.

Конечно, пользователи интерфейсных классов должны иметь способ создавать новые объекты. Обычно они делают это, вызывая функцию, играющую роль конструктора для производных классов, экземпляры которых необходимо создать. Такие функции часто называют функциями-фабриками (см. правило 13), или виртуальными конструкторами. Они возвращают указатели (и лучше бы интеллектуальные, см. правило 18) на динамически распределенные объекты, которые поддерживают интерфейс интерфейсного класса. Нередко подобные функции объявляют как статические внутри интерфейсного класса:

class Person {

public:

...

static std::tr1::shared_ptr<Person> // возвращает tr1::shared_ptr

create(const std::string& name, // на новый экземпляр Person,

const Date& birthday, // инициализированный заданными

const Address& addr); // параметрами: см. в правиле 18,

... // почему возвращается

}; // tr1::shared_ptr

а используют так:

std::string name;

Date datefBirth;

Address address;

...

// создать объект, поддерживающий интерфейс Person

std::tr1::shared_ptr<Person> pp(Person::create(name, dateOfBrth, address));

...

std::cout << pp->name() // использовать объект через

<< “ родился ” // интерфейс Person

<< pp->birthDate()

<< “ и теперь живет по адресу ”

<< pp->address();

... // объект автоматически

// удаляется, когда pp выходит

// из контекста – см. правило 13

Разумеется, где-то должны быть определены конкретные классы, поддерживающие интерфейс такого интерфейсного класса, и вызваны реальные конструкторы. Все это происходит «за кулисами», внутри файлов, содержащих реализацию виртуальных конструкторов. Например, интерфейсный класс Person может иметь конкретный производный класс RealPerson, предоставляющий реализацию унаследованных виртуальных функций:

class RealPerson public Person {

public:

RealPerson(const std::string& name, const Date& birthday,

const Address& addr)

: theName(name), theBirthDate(birthday), theAddress(addr)

{}

virtual ~RealPerson() {}

std::string name() const; // реализация этих функций

std::string birthDate() const; // не показана, но ее

std::string address() const; // легко представить

private:

std::string theName;

Date theBirthDaye;

Address theAddress;

};

Имея класс RealPerson, очень легко написать Person::create:

std::tr1::shared_ptr<Person> create( const std::string& name,

const Date& birthday,

const Address& addr)

{

return std::tr1::shared_ptr<Person>(new RealPerson(name, birthday, addr));

}

Более реалистическая реализация Person::create должна создавать разные типы объектов классов-наследников, в зависимости, например, от дополнительных параметров функции, данных, прочитанных из файла или базы данных, переменных окружения и т. п.

RealPerson демонстрирует один из двух наиболее распространенных механизмов реализации интерфейсных классов: он наследует спецификации своего интерфейса от интерфейсного класса Person, а затем реализует функции этого интерфейса. Второй способ реализации интерфейсного класса предполагает использование множественного наследования (см. правило 40).

Итак, классы-дескрипторы и интерфейсные классы отделяют интерфейс от реализации, уменьшая тем самым зависимости между файлами на этапе компиляции. Теперь, я уверен, вы ждете примечания мелким шрифтом: «Во сколько обойдется этот хитрый фокус?» Цена вполне обычная в мире программирования: некоторое уменьшение скорости выполнения программы плюс дополнительный расход памяти на каждый объект.

Применительно к классам-дескрипторам функции-члены должны использовать указатель на реализацию (pImpl), чтобы добраться до данных самого объекта. Для каждого обращения это добавляет один уровень косвенной адресации. Кроме того, к объему памяти, необходимому для хранения каждого объекта, нужно добавить размер указателя. И наконец, указатель на реализацию должен быть инициализирован (в конструкторе класса-дескриптора), чтобы он указывал на динамически распределенный объект реализации; следовательно, вы навлекаете на себя еще и накладные расходы, сопровождающие динамическое выделение памяти и последующее ее освобождение, а также возможность возникновения исключений bad_alloc (из-за недостатка памяти).

Для интерфейсных классов каждый вызов функции будет виртуальным, поэтому всякий раз вы платите за косвенный переход (см. правило 7). Кроме того, классы, производные от интерфейсного класса, должны содержать указатель на таблицу виртуальных функций (и снова см. правило 7). Этот указатель может увеличить объем памяти, необходимый для хранения объекта, в зависимости от того, является ли интерфейсный класс единственным источником виртуальных функций для объекта.

И наконец, ни классы-дескрипторы, ни интерфейсные классы не могут извлечь выгоду из использования встроенных функций. В правиле 30 объяснено, почему тела потенциально встраиваемых функций должны быть в заголовочных файлах, но классы-дескрипторы и интерфейсные классы специально предназначены для того, чтобы скрыть такие детали реализации, как тело функций.

Однако было бы серьезной ошибкой отказываться от классов-дескрипторов и интерфейсных классов только потому, что их использование связано с дополнительными расходами. То же самое можно сказать и о виртуальных функциях, но вы ведь не отказываетесь от их применения. (В противном случае вы читаете не ту книгу.) Рассмотрите возможность использования предлагаемых приемов по мере эволюции ваших программ. Применяйте классы-дескрипторы и интерфейсные классы в процессе разработки, чтобы уменьшить влияние изменений в реализации на пользователей. Если вы можете показать, что различие в скорости и/или размере программы настолько существенно, что во имя повышения эффективности оно оправдывает увеличение зависимости между классами, то на конечной стадии реализации заменяйте их конкретными классами.

• Основная идея уменьшения зависимостей на этапе компиляции состоит в том, чтобы заменить зависимость от определения зависимостью от объявления. Эта идея лежит в основе двух подходов: классов-дескрипторов и интерфейсных классов.

• Заголовочные файлы библиотек должны существовать в обеих формах: полной и содержащей только объявления. Это справедливо независимо от того, включают они шаблоны или нет.

Глава 6

Наследование и объектно-ориентированное проектирование

Объектно-ориентированное программирование (ООП) существует почти 20 лет, поэтому, вероятно, вы имеете некоторое представление о наследовании, производных классах и виртуальных функциях. Даже если вы программировали только на C, ничего не слышать об ООП вы просто не могли.

И все же ООП в C++, скорее всего, несколько отличается от того, к чему вы привыкли. Наследование может быть одиночным и множественным, а отдельный путь наследования может быть открытым (public), защищенным (protected) или закрытым (private). Путь также может быть виртуальным или невиртуальным. Для функций-членов тоже есть варианты. Виртуальные? Невиртуальные? Чисто виртуальные? Добавьте сюда взаимодействие с другими средствами языка. Как соотносятся параметры по умолчанию с виртуальными функциями? Как влияет наследование на правила разрешения имен в C++? И что можно сказать по поводу методов проектирования? Если поведение класса должно быть модифицируемым, являются ли виртуальные функции лучшим способом достижения этого?

Обо всем этом пойдет речь в настоящей главе. Я объясню, что на самом деле стоит за теми или иными возможностями C++: какую мысль вы выражаете, когда используете некоторую конструкцию. Например, открытое наследование моделирует отношение «является», и если вы попытаетесь придать ему какую-то иную семантику, то столкнетесь с проблемой. Аналогично, виртуальная функция означает «должен быть унаследован интерфейс», в то время как невиртуальная функция означает «должны наследоваться и интерфейс, и реализация». Если не делать различий между этими смыслами, то неприятностей не миновать.

Когда вы поймете истинное назначение различных средств C++, то обнаружите, что ваш взгляд на ООП изменился. Вместо простого упражнения в нахождении отличий между языками это станет средством выражения того, что вы хотите сказать о своей программной системе. А поняв, что же вы в действительности имеете в виду, уже не составит большого труда перевести свои мысли этого на C++.