EffectiveC++条款35：继承与面向对象——考虑virtual函数以外的其他选择

• 假设现在有这样的一个程序&＃xff1a;
  • 正在写一个视频游戏软件&＃xff0c;现在为游戏内的任务设计一个继承体系
  • 现在我们定义一个函数healthValue()&＃xff0c;用来表示人物的健康状态&＃xff0c;其返回一个整数
  • 由于不同的人可能会以不同的方式计算他们的健康指数&＃xff0c;因此我们可能会想到将healthValue()函数定义为virtual。如下所示

class GameCharacter {public://返回人物的健康指数&＃xff0c;派生类可以重新定义它virtual int healthValue() const;};

• 上面这个设计方案虽然可行&＃xff0c;但是从某个角度来说却成了它的弱点。本文将讨论有没有别的方法来避免使用virtual函数

• 此手法主张的做法&＃xff1a;
  • 将healthValue()函数声明为public&＃xff0c;并且改为non-virtual函数
  • 再设计一个private virtual函数&＃xff0c;将healthValue()原本的功能移至该函数中&＃xff0c;然后在healthValue()函数中调用该函数
• 代码如下&＃xff1a;

class GameCharacter {public://派生类不应该重新定义它int healthValue()const {//... //事前工作int retVal &＃61; doHealthValue();//.. //事后工作return retVal;}private://返回人物的健康指数&＃xff0c;派生类可以重新定义它virtual int doHealthValue()const {}};

• 注意事项&＃xff1a;成员函数在类中进行定义就会变为inline&＃xff0c;但是此处不是&＃xff0c;此处只是为了演示代码而已

NVI手法特点

• 令客户通过public non-virtual成员函数间接调用private virtual函数&＃xff0c;称为non-virtual interface&＃xff08;NVI&＃xff09;手法。它是所谓Template Method设计模式的一个独特表现形式。我们把这个non-virtual 函数称为virtual函数的外覆器
• NVI手法的优点&＃xff1a;我们可以在non-virtual函数中做一些其他事情。例如&＃xff1a;
  • 事前工作&＃xff1a;可以进行锁定互斥器、制造运转日志记录项、验证class约束条件、验证函数先决条件等等
  • 事后工作&＃xff1a;可以进行互斥器解锁、验证函数的事后条件、再次验证class约束条件等等
• 这些优点是在客户端直接调用virtual函数的情况中做不到的

• NVI手法可以在派生类中重新定义private virtual函数&＃xff1a;
  • 重新定义virtual函数&＃xff1a;表示某些事“如何”被完成
  • 调用virtual函数&＃xff1a;表示它合适被完成
  • 这两件事情互不干扰。因此NVI手法允许在派生类中重新定义virtual函数&＃xff0c;从而赋予它们“如何实现机能”的控制能力

class GameCharacter {//同上private:virtual int doHealthValue()const {std::cout <<"Base" <healthValue(); //打印&＃xff1a;BaseGameCharacter *p2 &＃61; new Hero;p2->healthValue(); //打印&＃xff1a;Derivedreturn 0;}

• 关于virtual函数的访问级别&＃xff1a;
  • 在NVI手法下其实virtual函数不一定得是private的
  • 在有些情况下&＃xff0c;要求派生类在virtual函数中调用基类的virtual函数&＃xff08;参阅条款27&＃xff09;&＃xff0c;那么当virtual函数在基类中为private之后&＃xff0c;派生类就不可以访问了。因此&＃xff0c;在这种情况下&＃xff0c;virtual函数可以设置为protected
  • 在NVI手法下&＃xff0c;virtual函数不要设置为public&＃xff0c;因为设置为public之后&＃xff0c;就与NVI手法的初衷相反了&＃xff0c;失去了封装性

• 上面介绍的NVI方法虽然可以避免客户端直接调用virtual函数&＃xff0c;但是在non-virtual函数中还是调用了virtual函数&＃xff0c;这种方法还是没有免去定义virtual函数的情况
• 现在我们进行另一种设计&＃xff0c;要求每个人物的构造函数接受一个指针&＃xff0c;指向一个健康计算函数&＃xff0c;我们可以调用该函数进行实际计算。代码如下&＃xff1a;

class GameCharacter;//默认的&＃xff0c;计算健康指数int defaultHealthCala(const GameCharacter& gc);class GameCharacter {public://函数指针别名typedef int(*HealthCalcFunc)(const GameCharacter& gc);//构造函数explicit GameCharacter(HealthCalaFunc hcf &＃61; defaultHealthCalc):healthFunc(hcf) {}int healthValue() {//通过函数指针调用函数return healthFunc(*this);}private:HealthCalcFunc healthFunc; //函数指针};

优点

• ①同一个人物类型之间可以有不同的健康计算函数。例如&＃xff1a;

class GameCharacter { //同上 };class EvilBadGuy :public GameCharacter {explicit EvilBadGuy(HealthCalaFunc hcf &＃61; defaultHealthCalc):GameCharacter(hcf) {}//..};int loseHealthQuickly(const GameCharacter&);int loseHealthSlowly(const GameCharacter&);int main(){EvilBadGuy ebg1(loseHealthQuickly);EvilBadGuy ebg2(loseHealthQuickly);return 0;}

• ②已定义的对象&＃xff0c;在运行期间可以更改健康指数计算函数。例如&＃xff0c;可以在类中再添加一个成员函数&＃xff0c;用来更改当前计算健康指数的函数指针

此种方法的争议

• ①当全局函数可以根据class的public接口来取得信息并且加以计算&＃xff0c;那么这种方法是没有问题的。但是如果计算需要访问到class的non-public信息&＃xff0c;那么全局函数就不可以使用了。这个争议将持续到本文的结束
• ②解决上面的问题&＃xff0c;唯一方法就是&＃xff1a;弱化class的封装。例如将这个全局函数定义为class的friend&＃xff0c;或者为其某一部分提供public访问函数
• 因此&＃xff0c;这些争议对于“以函数指针替换virtual函数”其是否利大于弊&＃xff1f;取决于你的是继续需求

• “二”中介绍使用全局函数替换成员函数&＃xff0c;这种成员函数太过死板&＃xff0c;因为“健康指数计算”不必非得是个函数&＃xff0c;还可以是其他类型的东西&＃xff08;例如函数模板、函数对象等&＃xff09;&＃xff0c;只要其能计算“健康指数”即可&＃xff0c;我们可以使用C&＃43;&＃43;标准库中的function模板来取代全局函数
• function模板语法参阅&＃xff1a;https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/95184168
• 例如&＃xff1a;

class GameCharacter;int defaultHealthCala(const GameCharacter& gc);class GameCharacter {public://其余部分同上//只是将函数指针改为了function模板&＃xff0c;其接受一个const GameCharacter&参数&＃xff0c;并返回inttypedef std::tr1::function HealthCalcFunc;explicit GameCharacter(HealthCalcFunc hcf &＃61; defaultHealthCalc):healthFunc(hcf) {}int healthValue() {return healthFunc(*this);}private:HealthCalcFunc healthFunc;};

使用场景

• function模板的语法知识就不再介绍了。现在我们可以不单单调用全局函数来计算“人物的健康指数”&＃xff0c;还可以设计很多种方式来计算
• 现在我们可以自己定义其他方式来计算健康指数。例如&＃xff1a;

class GameCharacter { //同上};class EvilBadGuy :public GameCharacter {public:explicit EvilBadGuy(HealthCalcFunc hcf &＃61; defaultHealthCalc):GameCharacter(hcf) {}//..};class EyeCandyCharacter :public GameCharacter {//构造函数类似EvilBadGuy};//计算健康指数函数short calcHealth(const GameCharacter&);//函数对象&＃xff0c;用来计算健康指数struct HealthCalculator {int operator()(const GameCharacter&)const {}};//其提供一个成员函数&＃xff0c;用以计算健康class GameLevel {public:float health(const GameCharacter&)const;};int main(){//人物1&＃xff0c;其使用calcHealth()函数来计算健康指数EvilBadGuy ebg1(calcHealth);//人物2&＃xff0c;其使用HealthCalculator()函数对象来计算健康指数EyeCandyCharacter ecc1(HealthCalculator());//人物2&＃xff0c;其使用GameLevel类的health()成员函数来计算健康指数GameLevel currentLevel;EvilBadGuy ebg2(std::tr1::bind(&GameLevel::health, currentLevel, _1));return 0;}

 

• 将普通函数替换为function模板&＃xff0c;为我们提供了更多可调用物

• 在古典的Strategy设计模式中&＃xff0c;会将用来计算健康的函数设计为一个继承体系&＃xff0c;并且有virtual函数&＃xff0c;这些函数用来计算健康
• UML图如下&＃xff0c;意义如下&＃xff1a;
  • GameCharacter是一个继承体系的根类&＃xff0c;其派生类有EvilBadGuy、EyeCandyCharacter
  • HealthCalcFunc是一个继承体系的根类&＃xff0c;其派生类有SlowHealthLoser、FastHealthLoser
  • 每一个GameCharacter对象都内含一个指针&＃xff0c;指向于一个来自HealthCalcFunc继承体系中的对象

• 下面是代码&＃xff1a;

class GameCharacter;class HealthCalcFunc { //计算健康指数的类public:virtual int calc(const GameCharacter& gc)const {}};HealthCalcFunc defaultHealthCalc;class GameCharacter {public:explicit GameCharacter(HealthCalcFunc* hcf &＃61; &defaultHealthCalc):pHealthCalc(hcf) {}int healthValue() {return pHealthCalc->calc(*this);}private:HealthCalcFunc* pHealthCalc;};

• 这个模式也具有弹性&＃xff0c;例如为HealthCalcFunc类添加派生类&＃xff0c;那么就可以纳入新的计算方法

• ①使用non-virtual interface&＃xff08;NVI&＃xff09;手法&＃xff0c;那是Template Method设计模式的一种特殊形式。它以public non-virtual成员函数包裹较低访问性&＃xff08;private或protected&＃xff09;的virtual函数
• ②将virtual函数替换为“函数指针成员变量”&＃xff0c;这是Strategy设计模式的一种分解表现形式
• ③以tr1::function成员变量替换virtual函数&＃xff0c;因而允许使用任何可调用物搭配一个兼容于需求的签名式。这也是Strategy设计模式的某种形式
• ④将继承体系内的virtual函数替换为另一个继承体系内的virtual函数。这是Strategy设计模式的传统实现手法

• virtual函数的替代方案包括NVI手法及Strategy设计模式的多种形式。NVI手法自身是一个特殊形式的Template Method设计模式
• 将机能从成员函数移到class外部函数&＃xff0c;带来的一个缺点是&＃xff1a;非成员函数无法访问class的non-public成员
• tr1::function对象的行为就像一般函数指针。这样的对象可接纳“与给定之目标签名式兼容”的所有可调用物