Производные классы

6.2.4 Поля типа

Чтобы производные классы были не просто удобной формой краткого описания, в реализации языка должен быть решен вопрос: к какому из производных классов относится объект, на который смотрит указатель base*? Существует три основных способа ответа:

1. Обеспечить, чтобы указатель мог ссылаться на объекты только одного типа;
2. Поместить в базовый класс поле типа, которое смогут проверять функции;
3. использовать виртуальные функции.

Указатели на базовые классы обыкновенно используются при проектировании контейнерных классов (множество, вектор, список и т.д.). Тогда в случае [1] мы получим однородные списки, т.е. списки объектов одного типа. Способы [2] и [3] позволяют создавать разнородные списки, т.е. списки объектов нескольких различных типов (на самом деле, списки указателей на эти объекты). Способ [3] - это специальный надежный в смысле типа вариант способа [2]. Особенно интересные и мощные варианты дают комбинации способов [1] и [3].

Вначале обсудим простой способ с полем типа, т.е. способ [2]. Пример с классами manager/employee можно переопределить так:

struct employee {
   enum empl_type { M, E };
   empl_type type;
   employee* next;
   char*     name;
   short     department;
   // ...
         };

         struct manager : employee {
  employee* group;
  short     level;
  // ...
        };

Имея эти определения, можно написать функцию, печатающую данные о произвольном служащем:

void print_employee(const 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 << "level" << p->level << '\n';
    // ...
    break;
  }
}

Напечатать список служащих можно так:

void f(const employee* elist)
       {
         for (; elist; elist=elist->next) print_employee(elist);
       }

Это вполне хорошее решение, особенно для небольших программ, написанных одним человеком, но оно имеет существенный недостаток: транслятор не может проверить, насколько правильно программист обращается с типами. В больших программах это приводит к ошибкам двух видов. Первый - когда программист забывает проверить поле типа. Второй - когда в переключателе указываются не все возможные значения поля типа. Этих ошибок достаточно легко избежать в процессе написания программы, но совсем нелегко избежать их при внесении изменений в нетривиальную программу, а особенно, если это большая программа, написанная кем-то другим. Еще труднее избежать таких ошибок потому, что функции типа print() часто пишутся так, чтобы можно было воспользоваться общностью классов:

void print(const employee* e)
{
  cout << e->name << '\t' << e->department << '\n';
  // ...
  if (e->type == M) {
     manager* p = (manager*) e;
     cout << "level" << p->level << '\n';
     // ...
  }
}

Операторы if, подобные приведенным в примере, сложно найти в большой функции, работающей со многими производными классами. Но даже когда они найдены, нелегко понять, что происходит на самом деле. Кроме того, при всяком добавлении нового вида служащих требуются изменения во всех важных функциях программы, т.е. функциях, проверяющих поле типа. В результате приходится править важные части программы, увеличивая тем самым время на отладку этих частей.

Иными словами, использование поля типа чревато ошибками и трудностями при сопровождении программы. Трудности резко возрастают по мере роста программы, ведь использование поля типа противоречит принципам модульности и упрятывания данных. Каждая функция, работающая с полем типа, должна знать представление и специфику реализации всякого класса, являющегося производным для класса, содержащего поле типа.

6.2.5 Виртуальные функции

С помощью виртуальных функций можно преодолеть трудности, возникающие при использовании поля типа. В базовом классе описываются функции, которые могут переопределяться в любом производном классе. Транслятор и загрузчик обеспечат правильное соответствие между объектами и применяемыми к ним функциями:

class employee {
  char* name;
  short department;
  // ...
  employee* next;
  static employee* list;
public:
  employee(char* n, int d);
  // ...
  static void print_list();
  virtual void print() const;

        };

Служебное слово virtual (виртуальная) показывает, что функция print() может иметь разные версии в разных производных классах, а выбор нужной версии при вызове print() - это задача транслятора. Тип функции указывается в базовом классе и не может быть переопределен в производном классе. Определение виртуальной функции должно даваться для того класса, в котором она была впервые описана (если только она не является чисто виртуальной функцией). Например:

void employee::print() const
{
   cout << name << '\t' << department << '\n';
   // ...
}

Мы видим, что виртуальную функцию можно использовать, даже если нет производных классов от ее класса. В производном же классе не обязательно переопределять виртуальную функцию, если она там не нужна. При построении производного класса надо определять только те функции, которые в нем действительно нужны:

class manager : public employee {
    employee* group;
    short     level;
    // ...
 public:
    manager(char* n, int d);
    // ...
    void print() const;
 };

Место функции print_employee() заняли функции-члены print(), и она стала не нужна. Список служащих строит конструктор employee. Напечатать его можно так:

void employee::print_list()
 {
   for ( employee* p = list; p; p=p->next) p->print();
 }

Данные о каждом служащем будут печататься в соответствии с типом записи о нем. Поэтому программа

int main()
{
   employee e("J.Brown",1234);
   manager m("J.Smith",2,1234);
   employee::print_list();
}

напечатает

J.Smith 1234
        level 2
J.Brown 1234

Обратите внимание, что функция печати будет работать даже в том случае, если функция employee_list() была написана и оттранслирована еще до того, как был задуман конкретный производный класс manager! Очевидно, что для правильной работы виртуальной функции нужно в каждом объекте класса employee хранить некоторую служебную информацию о типе. Как правило, реализации в качестве такой информации используют просто указатель. Этот указатель хранится только для объектов класса с виртуальными функциями, и не хранится для объектов всех классов, и даже не для всех объектов производных классов. Дополнительная память отводится только для классов, в которых описаны виртуальные функции. Заметим, что при использовании поля типа, для него все равно нужна дополнительная память.

Если в вызове функции явно указана операция разрешения области видимости ::, например, в вызове manager::print(), то механизм вызова виртуальной функции не действует. Иначе подобный вызов привел бы к бесконечной рекурсии. Уточнение имени функции дает еще один положительный эффект: если виртуальная функция является подстановкой (в этом нет ничего необычного), то в вызове с операцией :: происходит подстановка тела функции. Это эффективный способ вызова, который можно применять в важных случаях, когда одна виртуальная функция обращается к другой с одним и тем же объектом. Пример такого случая - вызов функции manager::print(). Поскольку тип объекта явно задается в самом вызове manager::print(), нет нужды определять его в динамике для функции employee::print(), которая и будет вызываться.