【C++】《C++ Primer 》第十五章

第十五章 面向对象程序设计

一、OOP：概述

• 面向对象程序设计(OOP)的核心思想是数据抽象、继承和动态绑定。
  • 通过使用数据抽象，可以将类的接口和实现分离。
  • 使用继承，可以定义相似的类型并对其相似关系建模。
  • 使用动态绑定，可以在一定程度上忽略相似类型的区别，而以统一的方式使用它们的对象。
• 继承(inheritance)：
  • 通过继承联系在一起的类构成一种层次关系。通常在层次关系的根部有一个基类(base class)。
  • 其他类直接或者间接从基类继承而来，这些继承得到的类成为派生类(derived class)。
  • 基类负责定义在层次关系中所有类共同拥有的成员，而每个派生类定义各自特有的成员。
  • 对于某些函数，基类希望它的派生类各自定义适合自身的版本，此时基类就将这些函数声明为虚函数(virtual function)。

class Quote {
public:
    std::string isbn() const;
    virtual double net_price(std::size_t n) const;
};

class BulkQuote : public Quote {
public:
    double net_price(std::size_t n) const override; // C++11
};

• 动态绑定(dynamic binding)，即运行时绑定：
  • 使用同一段代码可以分别处理基类和派生类的对象。
  • 函数的允许版本由实参决定，即在运行时选择函数的版本。

// 计算并打印销售给定数量的某种书籍所得的费用
double print_total(ostream &os, const Quote &item, size_t n) {
    double ret = item.net_price();
    os << "ISBN: " << item.isbn() << " # sold: " << n << " total due: " << ret << endl;
    return ret;
}

print_total(cout, basic, 20);   // 调用Quote的net_price
print_total(cout, bluk, 20); // 调用BulkQuote的net_price

二、定义基类和派生类

1. 定义基类

• 基类通常都应该定义一个虚析构函数，即使该函数不执行任何实际操作也是如此。
• 基类通过在其成员函数的声明语句之前加上关键字virtual使得该函数执行动态绑定。任何构造函数之外的非静态函数都可以是虚函数。
• 关键字virtual只能出现在类内部的声明语句之前而不能用于类外部的函数定义。如果基类把一个函数声明为虚函数，则该函数在派生类隐式地也是隐函数。
• 如果成员函数没有被声明为虚函数，则解析过程发生在编译时而非运行时。
• 访问控制：
  • protected: 基类和其派生类还有友元可以访问
  • private: 只有基类本身和友元可以访问

2. 定义派生类

• 派生类必须通过派生列表(class derivation list)明确指出它是从哪个基类继承而来。形式：冒号。后面紧跟以逗号分隔的基类列表，每个基类前面可以是public、protected、private中的一个。
• C++11允许派生类显式地注明它将使用哪个成员函数改写基类地虚函数，即在函数地形参列表之后加上一个override关键字。
• 派生类钩构造函数：派生类必须使用基类的构造函数去初始化它地基类部分。
• 静态成员：如果基类定义了一个静态成员，则在整个继承体系中只存在该成员的唯一定义。
• 派生类的声明：声明中不包含它的派生列表。
• C++11提供了一种防止继承的方法，在类后面跟一个关键字final。

3. 类型转换和继承

• 理解基类和派生类之间的类型转换是理解C++语言OOP的关键所在。
• 可以将基类的指针或引用绑定到派生类对象上。基类的指针或引用的静态类型可能与其动态类型不一致。
• 不存在从基类向派生类的隐式类型转换。
• 派生类向基类的自动类型转换只对指针或引用类型有效，对象之间不存在类型转换。
• 当我们用一个派生类对象为一个基类对象初始化或赋值时，只有该派生类对象中的基类部分会被拷贝、移动或者赋值，它的派生类部分将被忽略掉。

三、虚函数

• 使用虚函数可以执行动态绑定，但是动态绑定只有当我们通过指针或引用调用虚函数时才会发生，因为只有这种情况下对象的动态类型才有可能与静态类型不同。
• OOP的核心思想是多态性(polymorphism)。把具有继承关系的多个类型称为多态类型。引用或指针的静态类型与动态类型不同这一事实正是C++语言支持多态性的根本所在。
• 基类中的虚函数在派生类中隐含地也是一个虚函数。当派生类覆盖了某个虚函数时，该函数在基类中的形参必须与派生类中的形参严格匹配。
• C++11允许派生类显式地注明它将使用哪个成员函数改写基类的虚函数，即在函数的形参列表之后加一个override关键字。
• 如果我们想覆盖某个虚函数，但不小心把形参列表弄错了，这个时候就不会覆盖基类中的虚函数。加上override可以明确程序员的意图，让编译器帮忙确认参数列表是否有出错。
• 如果虚函数使用默认实参，则基类和派生类中定义的默认实参最好一致。
• 某些情况下，如果希望对虚函数的调用不要进行动态绑定，而是强迫其执行虚函数的某个特定版本。使用作用域运算符可以实现这一目的。
• 通常情况下，只有成员函数(或友元)中的代码才需要使用作用域运算符来回避虚函数的机制。使用场景：当一个派生类的虚函数调用它覆盖的基类的虚函数版本时。

四、抽象基类

• 纯虚函数(pure virtual)：清晰地告诉用户当前地函数是没有实际意义的。纯虚函数无需定义，只用在函数体的位置前书写 =0 就可以将一个虚函数说明为纯虚函数。
• 含有纯虚函数的类就是抽象基类(abstract base class)。它不能创建抽象基类的对象。

五、访问控制与继承

• 受保护的成员：
  • protected说明符可以看做是public和private中和后的产物。
  • 和私有成员类似，受保护的成员对于类的用户来说是不可访问的。
  • 和公有成员类似，受保护的成员对于派生类和友元来说是可访问的。
  • 派生类的成员和友元只能通过派生类对象来访问基类的受保护成员。派生类对于一个基类对象中的受保护成员没有任何访问特权。

class Base {
protected:
    int prot_mem;   //
};

class Sneaky: public: Base {
    friend void clobber(SneaKy&);   // 能访问Sneaky::port_mem
    friend void clobber(Base&); // 不能访问Base::port_mem
    int j;
};

// 正确：clobber能访问Sneaky对象的private和protected成员
void clobber(Sneaky &s) { s.j = s.prot_mem = 0; }

// 错误：clobber不能访问Base的protected成员
void clobber(Base &b) { b.prot_mem = 0;}

• 某个类对其继承而来的成员的访问权限受到两个因素影响：在基类中该成员的访问说明符；在派生类的派生列表中的访问说明符；
• 派生访问说明符：
  • 对于派生类的成员(及其友元)能否访问其直接基类的成员没有说明影响。
  • 它的目的是控制派生类用户对于基类成员的访问权限。比如struct Priv_Drev: private Base{}意味着在派生类Priv_Drev中，从Base继承而来的部分都是private的。
• 友元关系不能继承。每个类负责控制各自成员的访问权限。
• 改变个别成员的可访问性：使用using。
• 区别：默认情况下，使用class关键字定义的派生类是私有继承的；使用struct关键字定义的派生类是公有继承的。

六、继承中的类作用域

• 每个类定义自己的作用域，在这个作用域内我们使用定义类的成员。当存在继承关系时，派生类的作用域嵌套在其基类的作用域之内。
• 派生类的成员将隐藏同名的基类成员。
• 除了覆盖继承而来的虚函数之外，派生类最好不要重用其他定义在基类中的名字。

七、构造函数和拷贝函数

1. 虚析构函数

• 基类通常应该定义一个虚析构函数，这样就能动态分配继承体系中的对象了。
• 如果基类的析构函数不是虚函数，则delete一个指向派生类对象的基类指针将产生未定义的行为。
• 一个例外：通常如果一个类需要析构函数，那么它同样需要拷贝和赋值操作。但是基类的析构函数是一个例外，应该该析构函数为了成为虚函数而令其内容为空，显然无法推断该基类还需要赋值运算符或拷贝构造函数。
• 虚析构函数将阻止合成移动操作。

2. 合成拷贝控制与继承

• 基类或派生类的合成拷贝控制成员的行为和其他合成的构造函数、赋值运算符或析构函数类似；它们对类本身的成员依次进行初始化、赋值或销毁的操作。

3. 派生类的拷贝控制成员

• 当派生类定义了拷贝或移动操作时，该操作负责拷贝或移动包括基类部分成员在内的整个对象。
• 派生类析构函数：派生类析构函数先执行，然后执行基类的析构函数。

4. 继承的构造函数

• C++11中，派生类可以重用其直接基类定义的构造函数。
• 语法：

class A: public B {
public:
    using A::A; // 继承B的构造函数
    double get(int) const;
};

• 继承的构造函数的特点：
  • 一个构造函数的using声明不会改变该构造函数的访问级别。
  • 一个using声明语句不能指定explicit或constexpr。如果基类的构造函数是explicit或constexpr，则继承的构造函数也拥有相同的属性。
  • 当一个基类构造函数含有默认实参时，这些实参并不会被继承。
  • 如果基类含有几个构造函数，则除了两个例外情况，大多数时候派生类会继承所有这些构造函数。
    • 第一个例外：派生类可以继承一部分构造函数，而为其他构造函数定义自己的版本。
    • 第二个例外：默认、拷贝和移动构造函数不会被继承。

八、容器和继承

• 当使用容器存放继承体系中的对象时，通常必须采用间接存储的方式。
• 当派生类对象被赋值给基类对象时，其中的派生类部分将被"切掉"，因此容器和存在继承关系的类型无法兼容。
• 希望在容器中存放具有继承关系的对象时，实际上存放的通常是基类的指针(更好的选择是智能指针)。
• 对于C++面向对象的编程来说，一个悖论是我们无法直接使用对象进行面向对象编程。相反，必须使用指针和引用。因为指针会增加程序的复杂性，所以经常定义一些辅助的类来处理这些复杂的情况。

九、文本查询程序再探