Производные Классы

Производные Классы

Чтобы разделить задачи понимания аппарата языка и методов его применения, знакомство с понятием производных классов делается в три этапа. Вначале с помощью небольших примеров, которые не надо воспринимать как реалистичные, будут описаны сами средства языка (запись и семантика). После этого демонстрируются некоторые неочевидные применения производных классов, и, наконец, приводится законченная программа. 

Построение Производного Класса 

Рассмотрим построение программы, которая имеет дело с людьми, служащими в некоторой фирме. Структура данных в этой программе может быть например такой: 

struct employee {          // служащий

  char* name;        // имя

  short age;         // возраст

  short department;  // подразделение

  int salary;      //

  employee* next;

  // ...

};

Список аналогичных служащих будет связываться через поле next. Теперь давайте определим менеджера: 

struct manager {           // менеджер

  employee emp;          // запись о менеджере как о служащем

  employee* group;       // подчиненные люди

  // ...

};

Менеджер также является служащим; относящиеся к служащему employee данные хранятся в члене emp объекта manager. Для читающего это человека это, может быть, очевидно, но нет ничего выделяющего член emp для компилятора. Указатель на менеджера (manager*) не является указателем на служащего (employee*), поэтому просто использовать один там, где требуется другой, нельзя. В частности, нельзя поместить менеджера в список служащих, не написав для этого специальную программу. Можно либо применить к manager* явное преобразование типа, либо поместить в список служащих адрес члена emp, но и то и другое мало элегантно и довольно неясно. Корректный подход состоит в том, чтобы установить, что менеджер является служащим с некоторой добавочной информацией: 

struct manager : employee {

  employee* group;

  // ...

};

manager является производным от employee и, обратно, employee есть базовый класс для manager. Класс manager дополнительно к члену group имеет члены класса employee (name, age и т.д.). 

Имея определения employee и manager мы можем теперь создать список служащих, некоторые из которых являются менеджерами. 

Например: 

void f()

{

  manager m1, m2;

  employee e1, e2;

  employee* elist;

  elist = &m1;     // поместить m1, e1, m2 и e2 в elist

  m1.next = &e1;

  e1.next = &m2;

  m2.next = &e2;

  e2.next = 0;

}

Поскольку менеджер является служащим, manager* может использоваться как employee*. Однако служащий необязательно является менеджером, поэтому использовать employee* как manager* нельзя. 

Функции Члены 

Просто структуры данных вроде employee и manager на самом деле не столь интересны и часто не особенно полезны, поэтому рассмотрим, как добавить к ним функции. 

Например: 

class employee {

char* name;

// ...

public:

employee* next;

void print();

// ...

};

class manager : public employee {

// ...

public:

void print();

// ...

};

Надо ответить на некоторые вопросы. Как может функция член производного класса manager использовать члены его базового класса employee? Как члены базового класса employee могут использовать функции члены производного класса manager? Какие члены базового класса employee может использовать функция не член на объекте типа manager? Каким образом программист может повлиять на ответы на эти вопросы, чтобы удовлетворить требованиям приложения? 

Рассмотрим: 

void manager::print()

{

cout << " имя " << name << "\n";

// ...

}

Член производного класса может использовать открытое имя из своего базового класса так же, как это могут делать другие члены последнего, то есть без указания объекта. Предполагается, что на объект указывает this, поэтому (корректной) ссылкой на имя name является this->name. Однако функция manager::print компилироваться не будет, член производного класса не имеет никакого особого права доступа к закрытым членам его базового класса, поэтому для нее name недоступно. 

Это многим покажется удивительным, но представьте себе другой вариант: что функция член могла бы обращаться к закрытым членам своего базового класса. Возможность, позволяющая программисту получать доступ к закрытой части класса просто с помощью вывода из него другого класса, лишила бы понятие закрытого члена всякого смысла. Более того, нельзя было бы узнать все использования закрытого имени посмотрев на функции, описанные как члены и друзья этого класса. Пришлось бы проверять каждый исходный файл во всей программе на наличие в нем производных классов, потом исследовать каждую функцию этих классов, потом искать все классы, производные от этих классов, и т.д. Это по меньшей мере утомительно и скорее всего нереально. 

С другой стороны, можно ведь использовать механизм friend, чтобы предоставить такой доступ или отдельным функциям, или всем функциям отдельного класса .

Например: 

class employee {

friend void manager::print();

// ...

};

решило бы проблему с manager::print(), и 

class employee {

friend class manager;

// ...

};

сделало бы доступным каждый член employee для всех функций класса manager. В частности, это сделает name доступным для manager::print(). 

Другое, иногда более прозрачное решение для производного класса, - использовать только открытые члены его базового класса. 

Например: 

void manager::print()

{

employee::print(); // печатает информацию о служащем

// ... // печатает информацию о менеджере

}

Заметьте, что надо использовать ::, потому что print() была переопределена в manager. Такое повторное использование имен типично. Неосторожный мог бы написать так: 

void manager::print()

{

print(); // печатает информацию о служащем

// ... // печатает информацию о менеджере

}

и обнаружить, что программа после вызова manager::print() неожиданно попадает в последовательность рекурсивных вызовов. 

Видимость 

Класс employee стал открытым (public) базовым классом класса manager в результате описания: 

class manager : public employee {

// ...

};

Это означает, что открытый член класса employee является также и открытым членом класса manager. 

Например: 

void clear(manager* p)

{

p->next = 0;

}

будет компилироваться, так как next - открытый член и employee и manager"а. Альтернатива - можно определить закрытый (private) класс, просто опустив в описании класса слово public: 

class manager : employee {

// ...

};

Это означает, что открытый член класса employee является закрытым членом класса manager. То есть, функции члены класса manager могут как и раньше использовать открытые члены класса employee, но для пользователей класса manager эти члены недоступны. В частности, при таком описании класса manager функция clear() компилироваться не будет. Друзья производного класса имеют к членам базового класса такой же доступ, как и функции члены. 

Поскольку, как оказывается, описание открытых базовых классов встречается чаще описания закрытых, жалко, что описание открытого базового класса длиннее описания закрытого. Это, кроме того, служит источником запутывающих ошибок у начинающих. 

Когда описывается производная struct, ее базовый класс по умолчанию является public базовым классом. То есть, 

struct D : B { ...

означает 

class D : public B { public: ...

Отсюда следует, что если вы не сочли полезным то скрытие данных, которое дают class, public и friend, вы можете просто не использовать эти ключевые слова и придерживаться struct. Такие средства языка, как функции члены, конструкторы и перегрузка операций, не зависят от механизма скрытия данных. 

Можно также объявить некоторые, но не все, открытые $ члены базового класса открытыми членами производного класса. Например: 

class manager : employee {

// ...

public:

// ...

employee::name;

employee::department;

};

Запись 

имя_класса :: имя_члена ;

не вводит новый член, а просто делает открытый член базового класса открытым для производного класса. Теперь name и department могут использоваться для manager"а, а salary и age - нет. Естественно, сделать сделать закрытый член базового класса открытым членом производного класса невозможно. Невозможно с помощью этой записи также сделать открытыми перегруженные имена. 

Подытоживая, можно сказать, что вместе с предоставлением средств дополнительно к имеющимся в базовом классе, производный класс можно использовать для того, чтобы сделать средства (имена) недоступными для пользователя. Другими словами, с помощью производного класса можно обеспечивать прозрачный, полупрозрачный и непрозрачный доступ к его базовому классу. 

Указатели 

Если производный класс derived имеет открытый базовый класс base, то указатель на derived можно присваивать переменной типа указатель на base не используя явное преобразование типа. Обратное преобразование, указателя на base в указатель на derived, должно быть явным. 

Например: 

class base { /* ... */ };

class derived : public base { /* ... */ };

derived m;

base* pb = &m; // неявное преобразование

derived* pd = pb; // ошибка: base* не является derived*

pd = (derived*)pb; // явное преобразование

Иначе говоря, объект производного класса при работе с ним через указатель и можно рассматривать как объект его базового класса. Обратное неверно. 

Будь base закрытым базовым классом класса derived, неявное преобразование derived* в base* не делалось бы. Неявное преобразование не может в этом случае быть выполнено, потому что к открытому члкну класса base можно обращаться через указатель на base, но нельзя через указатель на derived: 

class base {

int m1;

public:

int m2; // m2 - открытый член base

};

class derived : base {

// m2 НЕ открытый член derived

};

derived d;

d.m2 = 2; // ошибка: m2 из закрытой части класса

base* pb = &d; // ошибка: (закрытый base)

pb->m2 = 2; // ok

pb = (base*)&d; // ok: явное преобразование

pb->m2 = 2; // ok

Помимо всего прочего, этот пример показывает, что используя явное приведение к типу можно сломать правила защиты. Ясно, делать это не рекомендуется, и это приносит программисту заслуженную "награду". К несчастью , недисциплинированное использование явного преобразования может создать адские условия для невинных жертв, которые эксплуатируют программу, где это делается. Но, к счастью, нет способа воспользоваться приведением для получения доступа к закрытому имени m1. Закрытый член класса может использоваться только членами и друзьями этого класса. 

Иерархия Типов

Производный класс сам может быть базовым классом. Например: 

class employee { ... };

class secretary : employee { ... };

class manager : employee { ... };

class temporary : employee { ... };

class consultant : temporary { ... };

class director : manager { ... };

class vice_president : manager { ... };

class president : vice_president { ... };

Такое множество родственных классов принято называть иерархией классов. Поскольку можно выводить класс только из одного базового класса, такая иерархия является деревом и не может быть графом более общей структуры. 

Например: 

class temporary { ... };

class employee { ... };

class secretary : employee { ... };

// не C++:

class temporary_secretary : temporary : secretary { ... };

class consultant : temporary : employee { ... };

И этот факт вызывает сожаление, потому что направленный ациклический граф производных классов был бы очень полезен. Такие структуры описать нельзя, но можно смоделировать с помощью членов соответствующий типов. 

Например: 

class temporary { ... };

class employee { ... };

class secretary : employee { ... };

// Альтернатива:

class temporary_secretary : secretary

{ temporary temp; ... };

class consultant : employee

{ temporary temp; ... };

Это выглядит неэлегантно и страдает как раз от тех проблем, для преодоления которых были изобретены производные классы. Например, поскольку consultant не является производным от temporary, consultant"а нельзя помещать с список временных служащих (temporary employee), не написав специальной программы. Однако во многих полезных программах этот метод успешно используется. 

Конструкторы и Деструкторы 

Для некоторых производных классов нужны конструкторы. Если у базового класса есть конструктор, он должен вызываться, и если для этого конструктора нужны параметры, их надо предоставить. 

Например: 

class base {

// ...

public:

base(char* n, short t);

~base();

};

class derived : public base {

base m;

public:

derived(char* n);

~derived();

};

Параметры конструктора базового класса специфицируются в определении конструктора производного класса. В этом смысле базовый класс работает точно также, как неименованный член производного класса. 

Например: 

derived::derived(char* n) : (n,10), m("member",123)

{

// ...

}

Объекты класса конструируются снизу вверх: сначала базовый, потом члены, а потом сам производный класс. Уничтожаются они в обратном порядке: сначала сам производный класс, потом члены а потом базовый. 

Поля Типа

Чтобы использовать производные классы не просто как удобную сокращенную запись в описаниях, надо разрешить следующую проблему: Если задан указатель типа base*, какому производному типу в действительности принадлежит указываемый объект? Есть три основных способа решения этой проблемы:

Обеспечить, чтобы всегда указывались только объекты одного типа ; 

Поместить в базовый класс поле типа, которое смогут просматривать функции; и 

Использовать виртуальные функции . Обыкновенно указатели на базовые классы используются при разработке контейнерных (или вмещающих) классов: множество, вектор, список и т.п. В этом случае решение 1 дает однородные списки, то есть списки объектов одного типа. Решения 2 и 3 можно использовать для построения неоднородных списков, то есть списков объектов (указателей на объекты) нескольких различных типов. Решение 3 - это специальный вариант решения 2, безопасный относительно типа. 

Давайте сначала исследуем простое решение с помощью поля типа, то есть решение 2. Пример со служащими и менеджерами можно было бы переопределить так: 

enum empl_type { M, E };

struct employee {

empl_type type;

employee* next;

char* name;

short department;

// ...

};

struct manager : employee {

employee* group;

short level; // уровень

};

Имея это, мы можем теперь написать функцию, которая печатает информацию о каждом служащем: 

void print_employee(employee* e)

{

switch (e->type) {

case E:

cout << e->name << "\t" << e->department << "\n";

// ...

break;

case M:

cout << e->name << "\t" << e->department << "\n";

// ...

manager* p = (manager*)e;

cout << " уровень " << p->level << "\n";

// ...

break;

}

}

и воспользоваться ею для того, чтобы напечатать список служащих: 

void f()

{

for (; ll; ll=ll->next) print_employee(ll);

}

Это прекрасно работает, особенно в небольшой программе, написанной одним человеком, но имеет тот коренной недостаток, что неконтролируемым компилятором образом зависит от того, как программист работает с типами. В больших программах это обычно приводит к ошибкам двух видов. Первый - это невыполнение проверки поля типа, второй - когда не все случаи case помещаются в переключатель switch как в предыдущем примере. Оба избежать достаточно легко , когда программу сначала пишут на бумаге $, но при модификации нетривиальной программы, особенно написанной другим человеком, очень трудно избежать и того, и другого. Часто от этих сложностей становится труднее уберечься из-за того, что функции вроде print() часто бывают организованы так, чтобы пользоваться общность классов, с которыми они работают. 

Например: 

void print_employee(employee* e)

{

cout << e->name << "\t" << e->department << "\n";

// ...

if (e->type == M) {

manager* p = (manager*)e;

cout << " уровень " << p->level << "\n";

// ...

}

}

Отыскание всех таких операторов if, скрытых внутри большой функции, которая работает с большим числом производных классов, может оказаться сложной задачей, и даже когда все они найдены, бывает нелегко понять, что же в них делается. 

Виртуальные Функции 

Виртуальные функции преодолевают сложности решения с помощью полей типа, позволяя программисту описывать в базовом классе функции, которые можно переопределять в любом производном классе. Компилятор и загрузчик обеспечивают правильное соответствие между объектами и применяемыми к ним функциями. 

Например: 

struct employee {

employee* next;

char* name;

short department;

// ...

virtual void print();

};

Ключевое слово virtual указывает, что могут быть различные варианты функции print() для разных производных классов, и что поиск среди них подходящей для каждого вызова print() является задачей компилятора. Тип функции описывается в базовом классе и не может переписываться в производном классе. Виртуальная функция должна быть определена для класса, в котором она описана впервые. 

Например: 

void employee::print()

{

cout << e->name << "\t" << e->department << "\n";

// ...

}

Виртуальная функция может, таким образом, использоваться даже в том случае, когда нет производных классов от ее класса, и в производном классе, в котором не нужен специальный вариант виртуальной функции, ее задавать не обязательно. Просто при выводе класса соответствующая функция задается в том случае, если она нужна. 

Например: 

struct manager : employee {

employee* group;

short level;

// ...

void print();

};

void manager::print()

{

employee::print();

cout << "\tуровень" << level << "\n";

// ...

}

Функция print_employee() теперь не нужна, поскольку ее место заняли функции члены print(), и теперь со списком служащих можно работать так: 

void f(employee* ll)

{

for (; ll; ll=ll->next) ll->print();

}

Каждый служащий будет печататься в соответствии с его типом. Например: 

main()

{

employee e;

e.name = "Дж.Браун";

e.department = 1234;

e.next = 0;

manager m;

m.name = "Дж.Смит";

e.department = 1234;

m.level = 2;

m.next = &e;

f(&m);

}

выдаст 

Дж.Смит 1234

уровень 2

Дж.Браун 1234

Заметьте, что это будет работать даже в том случае, если f() была написана и откомпилирована еще до того, как производный класс manager был задуман! Очевидно, при реализации этого в каждом объекте класса employee сохраняется некоторая информация о типе. Занимаемого для этого пространства (в текущей реализации) как раз хватает для хранения указателя. Это пространство занимается только в объектах классов с виртуальными функциями, а не во всех объектах классов и даже не во всех объектах производных классов. Вы платите эту пошлину только за те классы, для которых описали виртуальные функции. 

Вызов функции с помощью операции разрешения области видимости ::, как это делается в manager::print(), гарантирует, что механизм виртуальных функций применяться не будет. Иначе manager::print() подвергалось бы бесконечной рекурсии. Применение уточненного имени имеет еще один эффект, который может оказаться полезным: если описанная как virtual функция описана еще и как inline (в чем ничего необычного нет), то там, где в вызове применяется :: может применяться inline-подстановка. Это дает программисту эффективный способ справляться с теми важными специальными случаями, когда одна виртуальная функция вызывает другую для того же объекта. Поскольку тип объекта был определен при вызове первой виртуальной функции, обычно его не надо снова динамически определять другом вызове для того же объекта.