C++编程指南续（10-11）

十、类的继承与组合

对象（Object）是类（Class）的一个实例（Instance）。如果将对象比作房子，那么类就是房子的设计图纸。所以面向对象设计的重点是类的设计，而不是对象的设计。

对于C++程序而言，设计孤立的类是比较容易的，难的是正确设计基类及其派生类。本章仅仅论述“继承”（Inheritance）和“组合”（Composition）的概念。

注意，当前面向对象技术的应用热点是COM和CORBA，这些内容超出了C++教材的范畴，请阅读COM和CORBA相关论著。

10.1 继承

如果A是基类，B是A的派生类，那么B将继承A的数据和函数。例如：

class A

{

public:

void  Func1(void);

void  Func2(void);

};

class B : public A

{

public:

void  Func3(void);

void  Func4(void);

};

main()

{

B  b;

b.Func1(); // B从A继承了函数Func1

b.Func2(); // B从A继承了函数Func2

b.Func3();

b.Func4();

}

这个简单的示例程序说明了一个事实：C++的“继承”特性可以提高程序的可复用性。正因为“继承”太有用、太容易用，才要防止乱用“继承”。我们应当给“继承”立一些使用规则。

【规则10-1-1】如果类A和类B毫不相关，不可以为了使B的功能更多些而让B继承A的功能和属性。不要觉得“白吃白不吃”，让一个好端端的健壮青年无缘无故地吃人参补身体。

【规则10-1-2】若在逻辑上B是A的“一种”（a kind of ），则允许B继承A的功能和属性。例如男人（Man）是人（Human）的一种，男孩（Boy）是男人的一种。那么类Man可以从类Human派生，类Boy可以从类Man派生。

class Human

{

…

};

class Man : public Human

{

…

};

class Boy : public Man

{

…

};

注意事项

【规则10-1-2】看起来很简单，但是实际应用时可能会有意外，继承的概念在程序世界与现实世界并不完全相同。

例如从生物学角度讲，鸵鸟（Ostrich）是鸟（Bird）的一种，按理说类Ostrich应该可以从类Bird派生。但是鸵鸟不能飞，那么Ostrich::Fly是什么东西？

class Bird

{

public:

virtual void Fly(void);

…

};

class Ostrich : public Bird

{

…

};

例如从数学角度讲，圆（Circle）是一种特殊的椭圆（Ellipse），按理说类Circle应该可以从类Ellipse派生。但是椭圆有长轴和短轴，如果圆继承了椭圆的长轴和短轴，岂非画蛇添足？

所以更加严格的继承规则应当是：若在逻辑上B是A的“一种”，并且A的所有功能和属性对B而言都有意义，则允许B继承A的功能和属性。

10.2 组合

【规则10-2-1】若在逻辑上A是B的“一部分”（a part of），则不允许B从A派生，而是要用A和其它东西组合出B。

例如眼（Eye）、鼻（Nose）、口（Mouth）、耳（Ear）是头（Head）的一部分，所以类Head应该由类Eye、Nose、Mouth、Ear组合而成，不是派生而成。如示例10-2-1所示。

class Eye {   public: void  Look(void); };	class Nose {   public: void  Smell(void); };
class Mouth {   public: void  Eat(void); };	class Ear {   public: void  Listen(void); };
// 正确的设计，虽然代码冗长。 class Head { public: void Look(void) {  m_eye.Look();  } void Smell(void) {  m_nose.Smell();  } void Eat(void) {  m_mouth.Eat();  } void Listen(void) {  m_ear.Listen();  } private: Eye   m_eye; Nose   m_nose; Mouth   m_mouth; Ear   m_ear; };

示例10-2-1 Head由Eye、Nose、Mouth、Ear组合而成

如果允许Head从Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成，那么Head将自动具有Look、 Smell、Eat、Listen这些功能。示例10-2-2十分简短并且运行正确，但是这种设计方法却是不对的。

// 功能正确并且代码简洁，但是设计方法不对。

class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear

{

};

示例10-2-2  Head从Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成

一只公鸡使劲地追打一只刚下了蛋的母鸡，你知道为什么吗？

因为母鸡下了鸭蛋。

很多程序员经不起“继承”的诱惑而犯下设计错误。“运行正确”的程序不见得是高质量的程序，此处就是一个例证。

十一、 其它编程经验

11.1 使用const提高函数的健壮性

看到const关键字，C++程序员首先想到的可能是const常量。这可不是良好的条件反射。如果只知道用const定义常量，那么相当于把火药仅用于制作鞭炮。const更大的魅力是它可以修饰函数的参数、返回值，甚至函数的定义体。

const是constant的缩写，“恒定不变”的意思。被const修饰的东西都受到强制保护，可以预防意外的变动，能提高程序的健壮性。所以很多C++程序设计书籍建议：“Use const whenever you need”。

11.1.1 用const修饰函数的参数

如果参数作输出用，不论它是什么数据类型，也不论它采用“指针传递”还是“引用传递”，都不能加const修饰，否则该参数将失去输出功能。

const只能修饰输入参数：

如果输入参数采用“指针传递”，那么加const修饰可以防止意外地改动该指针，起到保护作用。

例如StringCopy函数：

void StringCopy(char *strDestination, const char *strSource);

其中strSource是输入参数，strDestination是输出参数。给strSource加上const修饰后，如果函数体内的语句试图改动strSource的内容，编译器将指出错误。

如果输入参数采用“值传递”，由于函数将自动产生临时变量用于复制该参数，该输入参数本来就无需保护，所以不要加const修饰。

例如不要将函数void Func1(int x) 写成void Func1(const int x)。同理不要将函数void Func2(A a) 写成void Func2(const A a)。其中A为用户自定义的数据类型。

对于非内部数据类型的参数而言，象void Func(A a) 这样声明的函数注定效率比较底。因为函数体内将产生A类型的临时对象用于复制参数a，而临时对象的构造、复制、析构过程都将消耗时间。

为了提高效率，可以将函数声明改为void Func(A &a)，因为“引用传递”仅借用一下参数的别名而已，不需要产生临时对象。但是函数void Func(A &a) 存在一个缺点：“引用传递”有可能改变参数a，这是我们不期望的。解决这个问题很容易，加const修饰即可，因此函数最终成为void Func(const A &a)。

以此类推，是否应将void Func(int x) 改写为void Func(const int &x)，以便提高效率？完全没有必要，因为内部数据类型的参数不存在构造、析构的过程，而复制也非常快，“值传递”和“引用传递”的效率几乎相当。

问题是如此的缠绵，我只好将“const &”修饰输入参数的用法总结一下，如表11-1-1所示。

对于非内部数据类型的输入参数，应该将“值传递”的方式改为“const引用传递”，目的是提高效率。例如将void Func(A a) 改为void Func(const A &a)。

对于内部数据类型的输入参数，不要将“值传递”的方式改为“const引用传递”。否则既达不到提高效率的目的，又降低了函数的可理解性。例如void Func(int x) 不应该改为void Func(const int &x)。

表11-1-1 “const &”修饰输入参数的规则

11.1.2 用const修饰函数的返回值

如果给以“指针传递”方式的函数返回值加const修饰，那么函数返回值（即指针）的内容不能被修改，该返回值只能被赋给加const修饰的同类型指针。

例如函数

const char * GetString(void);

如下语句将出现编译错误：

char *str = GetString();

正确的用法是

const char *str = GetString();

如果函数返回值采用“值传递方式”，由于函数会把返回值复制到外部临时的存储单元中，加const修饰没有任何价值。

例如不要把函数int GetInt(void) 写成const int GetInt(void)。

同理不要把函数A GetA(void) 写成const A GetA(void)，其中A为用户自定义的数据类型。

如果返回值不是内部数据类型，将函数A GetA(void) 改写为const A & GetA(void)的确能提高效率。但此时千万千万要小心，一定要搞清楚函数究竟是想返回一个对象的“拷贝”还是仅返回“别名”就可以了，否则程序会出错。见6.2节“返回值的规则”。

函数返回值采用“引用传递”的场合并不多，这种方式一般只出现在类的赋值函数中，目的是为了实现链式表达。

例如

class A

{…

A & operate = (const A &other); // 赋值函数

};

A a, b, c; // a, b, c 为A的对象

…

a = b = c; // 正常的链式赋值

(a = b) = c; // 不正常的链式赋值，但合法

如果将赋值函数的返回值加const修饰，那么该返回值的内容不允许被改动。上例中，语句 a = b = c仍然正确，但是语句 (a = b) = c 则是非法的。

11.1.3 const成员函数

任何不会修改数据成员的函数都应该声明为const类型。如果在编写const成员函数时，不慎修改了数据成员，或者调用了其它非const成员函数，编译器将指出错误，这无疑会提高程序的健壮性。

以下程序中，类stack的成员函数GetCount仅用于计数，从逻辑上讲GetCount应当为const函数。编译器将指出GetCount函数中的错误。

class Stack

{

public:

void Push(int elem);

int Pop(void);

int GetCount(void)  const; // const成员函数

private:

int m_num;

int m_data[100];

};

int Stack::GetCount(void)  const

{
++ m_num; // 编译错误，企图修改数据成员m_num

Pop(); // 编译错误，企图调用非const函数

return m_num;

}

const成员函数的声明看起来怪怪的：const关键字只能放在函数声明的尾部，大概是因为其它地方都已经被占用了。

11.2 提高程序的效率

程序的时间效率是指运行速度，空间效率是指程序占用内存或者外存的状况。

全局效率是指站在整个系统的角度上考虑的效率，局部效率是指站在模块或函数角度上考虑的效率。

【规则11-2-1】不要一味地追求程序的效率，应当在满足正确性、可靠性、健壮性、可读性等质量因素的前提下，设法提高程序的效率。

【规则11-2-2】以提高程序的全局效率为主，提高局部效率为辅。

【规则11-2-3】在优化程序的效率时，应当先找出限制效率的“瓶颈”，不要在无关紧要之处优化。

【规则11-2-4】先优化数据结构和算法，再优化执行代码。

【规则11-2-5】有时候时间效率和空间效率可能对立，此时应当分析那个更重要，作出适当的折衷。例如多花费一些内存来提高性能。

【规则11-2-6】不要追求紧凑的代码，因为紧凑的代码并不能产生高效的机器码。

11.3 一些有益的建议

【建议11-3-1】当心那些视觉上不易分辨的操作符发生书写错误。

我们经常会把“＝＝”误写成“＝”，象“||”、“&&”、“<=”、“>=”这类符号也很容易发生“丢1”失误。然而编译器却不一定能自动指出这类错误。

【建议11-3-2】变量（指针、数组）被创建之后应当及时把它们初始化，以防止把未被初始化的变量当成右值使用。

【建议11-3-3】当心变量的初值、缺省值错误，或者精度不够。

【建议11-3-4】当心数据类型转换发生错误。尽量使用显式的数据类型转换（让人们知道发生了什么事），避免让编译器轻悄悄地进行隐式的数据类型转换。

【建议11-3-5】当心变量发生上溢或下溢，数组的下标越界。

【建议11-3-6】当心忘记编写错误处理程序，当心错误处理程序本身有误。

【建议11-3-7】当心文件I/O有错误。

【建议11-3-8】避免编写技巧性很高代码。

【建议11-3-9】不要设计面面俱到、非常灵活的数据结构。

【建议11-3-10】如果原有的代码质量比较好，尽量复用它。但是不要修补很差劲的代码，应当重新编写。

【建议11-3-11】尽量使用标准库函数，不要“发明”已经存在的库函数。

【建议11-3-12】尽量不要使用与具体硬件或软件环境关系密切的变量。

【建议11-3-13】把编译器的选择项设置为最严格状态。

【建议11-3-14】如果可能的话，使用PC-Lint、LogiScope等工具进行代码审查。

总结：C++的编程指南就讲到这些了，明天给大家发点实际面试的试题，多做做试题，工资就有谈判的资格。