Производные классы

6.7 Свободная память

Если определить функции operator new() и operator delete(), управление памятью для класса можно взять в свои руки. Это также можно, (а часто и более полезно), сделать для класса, служащего базовым для многих производных классов. Допустим, нам потребовались свои функции размещения и освобождения памяти для класса employee ( 6.2.5) и всех его производных классов:

class employee {
  // ...
public:
  void* operator new(size_t);
  void operator delete(void*, size_t);
};

void* employee::operator new(size_t s)
{
  // отвести память в `s' байтов
  // и возвратить указатель на нее
}

void employee::operator delete(void* p, size_t s)
{
  // `p' должно указывать на память в `s' байтов,
  // отведенную функцией employee::operator new();
  // освободить эту память для повторного использования
}

Назначение до сей поры загадочного параметра типа size_t становится очевидным. Это - размер освобождаемого объекта. При удалении простого служащего этот параметр получает значение sizeof( employee ), а при удалении управляющего - sizeof ( manager ). Поэтому собственные функции классы для размещения могут не хранить размер каждого размещаемого объекта. Конечно, они могут хранить эти размеры (подобно функциям размещения общего назначения) и игнорировать параметр size_t в вызове operator delete(), но тогда вряд ли они будут лучше, чем функции размещения и освобождения общего назначения.

Как транслятор определяет нужный размер, который надо передать функции operator delete()? Пока тип, указанный в operator delete(), соответствует истинному типу объекта, все просто; но рассмотрим такой пример:

class manager : public employee {
  int level;
  // ...
};

void f()
{
  employee* p = new manager; // проблема
  delete p;
}

В этом случае транслятор не сможет правильно определить размер. Как и в случае удаления массива, нужна помощь программиста. Он должен определить виртуальный деструктор в базовом классе employee:

class employee {
  // ...
public:
  // ...
  void* operator new(size_t);
  void operator delete(void*, size_t);
  virtual ~employee();
};

Даже пустой деструктор решит нашу проблему:

employee::~employee() { }

Теперь освобождение памяти будет происходить в деструкторе (а в нем размер известен), а любой производный от employee класс также будет вынужден определять свой деструктор (тем самым будет установлен нужный размер), если только пользователь сам не определит его. Теперь следующий пример пройдет правильно:

void f()
{
 employee* p = new manager; // теперь без проблем
 delete p;
}

Размещение происходит с помощью (созданного транслятором) вызова

employee::operator new(sizeof(manager))

а освобождение с помощью вызова

employee::operator delete(p,sizeof(manager))

Иными словами, если нужно иметь корректные функции размещения и освобождения для производных классов, надо либо определить виртуальный деструктор в базовом классе, либо не использовать в функции освобождения параметр size_t. Конечно, можно было при проектировании языка предусмотреть средства, освобождающие пользователя от этой проблемы. Но тогда пользователь "освободился" бы и от определенных преимуществ более оптимальной, хотя и менее надежной системы.

В общем случае, всегда есть смысл определять виртуальный деструктор для всех классов, которые действительно используются как базовые, т.е. с объектами производных классов работают и, возможно, удаляют их, через указатель на базовый класс:

class X {
 // ...
public:
 // ...
 virtual void f(); // в X есть виртуальная функция, поэтому
       // определяем виртуальный деструктор
 virtual ~X();
};

6.7.1 Виртуальные конструкторы

Узнав о виртуальных деструкторах, естественно спросить: "Могут ли конструкторы то же быть виртуальными?" Если ответить коротко - нет. Можно дать более длинный ответ: "Нет, но можно легко получить требуемый эффект".

Конструктор не может быть виртуальным, поскольку для правильного построения объекта он должен знать его истинный тип. Более того, конструктор - не совсем обычная функция. Он может взаимодействовать с функциями управления памятью, что невозможно для обычных функций. От обычных функций-членов он отличается еще тем, что не вызывается для существующих объектов. Следовательно нельзя получить указатель на конструктор.

Но эти ограничения можно обойти, если определить функцию, содержащую вызов конструктора и возвращающую построенный объект. Это удачно, поскольку нередко бывает нужно создать новый объект, не зная его истинного типа. Например, при трансляции иногда возникает необходимость сделать копию дерева, представляющего разбираемое выражение. В дереве могут быть узлы выражений разных видов. Допустим, что узлы, которые содержат повторяющиеся в выражении операции, нужно копировать только один раз. Тогда нам потребуется виртуальная функция размножения для узла выражения.

Как правило "виртуальные конструкторы" являются стандартными конструкторами без параметров или конструкторами копирования, параметром которых служит тип результата:

class expr {
   // ...
public:
   expr();  // стандартный конструктор
   virtual expr* new_expr() { return new expr(); }
};

Виртуальная функция new_expr() просто возвращает стандартно инициализированный объект типа expr, размещенный в свободной памяти. В производном классе можно переопределить функцию new_expr() так, чтобы она возвращала объект этого класса:

class conditional : public expr {
   // ...
public:
  conditional();  // стандартный конструктор
  expr* new_expr() { return new conditional(); }
};

Это означает, что, имея объект класса expr, пользователь может создать объект в "точности такого же типа":

void user(expr* p1, expr* p2)
{
   expr* p3 = p1->new_expr();
   expr* p4 = p2->new_expr();
   // ...
 }

Переменным p3 и p4 присваиваются указатели неизвестного, но подходящего типа.

Тем же способом можно определить виртуальный конструктор копирования, называемый операцией размножения, но надо подойти более тщательно к специфике операции копирования:

class expr {
    // ...
    expr* left;
    expr* right;
 public:
    // ...
       // копировать `s' в `this'
    inline void copy(expr* s);
       // создать копию объекта, на который смотрит this
    virtual expr* clone(int deep = 0);
 };

Параметр deep показывает различие между копированием собственно объекта (поверхностное копирование) и копированием всего поддерева, корнем которого служит объект (глубокое копирование). Стандартное значение 0 означает поверхностное копирование.

Функцию clone() можно использовать, например, так:

void fct(expr* root)
{
  expr* c1 = root->clone(1);  // глубокое копирование
  expr* c2 = root->clone();   // поверхностное копирование
  // ...
}

Являясь виртуальной, функция clone() способна размножать объекты любого производного от expr класса.

Настоящее копирование можно определить так:

void expr::copy(expression* s, int deep)
{
  if (deep == 0) { // копируем только члены
     *this = *s;
  }
  else { // пройдемся по указателям:
     left = s->clone(1);
     right = s->clone(1);
     // ...
  }
}

Функция expr::clone() будет вызываться только для объектов типа expr (но не для производных от expr классов), поэтому можно просто разместить в ней и возвратить из нее объект типа expr, являющийся собственной копией:

expr* expr::clone(int deep)
{
  expr* r = new expr();  // строим стандартное выражение
  r->copy(this,deep);    // копируем `*this' в `r'
  return r;
}

Такую функцию clone() можно использовать для производных от expr классов, если в них не появляются члены-данные (а это как раз типичный случай):

class arithmetic : public expr {
  // ...
  // новых членов-данных нет =>
  // можно использовать уже определенную функцию clone
};

С другой стороны, если добавлены члены-данные, то нужно определять собственную функцию clone():

class conditional : public expression {
   expr* cond;
public:
   inline void copy(cond* s, int deep = 0);
   expr* clone(int deep = 0);
   // ...
};

Функции copy() и clone() определяются подобно своим двойникам из expression:

expr* conditional::clone(int deep)
{
  conditional* r = new conditional();
  r->copy(this,deep);
  return r;
}

void conditional::copy(expr* s, int deep)
{
  if (deep == 0) {
     *this = *s;
  }
  else {
     expr::copy(s,1);  // копируем часть expr
     cond = s->cond->clone(1);
  }
}

Определение последней функции показывает отличие настоящего копирования в expr::copy() от полного размножения в expr::clone() (т.е. создания нового объекта и копирования в него). Простое копирование оказывается полезным для определения более сложных операций копирования и размножения. Различие между copy() и clone() эквивалентно различию между операцией присваивания и конструктором копирования и эквивалентно различию между функциями _draw() и draw(). Отметим, что функция copy() не является виртуальной. Ей и не надо быть таковой, поскольку виртуальна вызывающая ее функция clone(). Очевидно, что простые операции копирования можно также определять как функции-подстановки.

6.7.2 Указание размещения

По умолчанию операция new создает указанный ей объект в свободной памяти. Как быть, если надо разместить объект в определенном месте? Этого можно добиться переопределением операции размещения. Рассмотрим простой класс:

class X {
// ...
public:
X(int);
 // ...
};

Объект можно разместить в любом месте, если ввести в функцию размещения дополнительные параметры:

// операция размещения в указанном месте:
void* operator new(size_t, void* p) { return p; }

и задав эти параметры для операции new следующим образом:

char buffer[sizeof(X)];

void f(int i)
{
  X* p = new(buffer) X(i); // разместить X в buffer
  // ...
}

Функция operator new(), используемая операцией new, выбирается согласно правилам сопоставления параметров. Все функции operator new() должны иметь первым параметром size_t. Задаваемый этим параметром размер неявно передается операцией new.

Определенная нами функция operator new() с задаваемым размещением является самой простой из функций подобного рода. Можно привести другой пример функции размещения, выделяющей память из некоторой заданной области:

class Arena {
   // ...
   virtual void* alloc(size_t) = 0;
   virtual void free(void*) = 0;
};

void operator new(size_t sz, Arena* a)
{
  return a->alloc(sz);
}

Теперь можно отводить память для объектов произвольных типов из различных областей (Arena):

extern Arena* Persistent; // постоянная память
extern Arena* Shared;     // разделяемая память

void g(int i)
{
  X* p = new(Persistent) X(i); // X в постоянной памяти
  X* q = new(Shared) X(i);     // X в разделяемой памяти
  // ...
}

Если мы помещаем объект в область памяти, которая непосредственно не управляется стандартными функциями распределения свободной памяти, то надо позаботиться о правильном уничтожении объекта. Основным средством здесь является явный вызов деструктора:

void h(X* p)
{
  p->~X();     // вызов деструктора
  Persistent->free(p); // освобождение памяти
}

Заметим, что явных вызовов деструкторов, как и глобальных функций размещения специального назначения, следует, по возможности, избегать. Бывают случаи, когда обойтись без них трудно, но новичок должен трижды подумать, прежде чем использовать явный вызов деструктора, и должен сначала посоветоваться с более опытным коллегой.