ALLDev

Абстрактные классы

Вернемся к примеру наследования, который мы рассматривали раньше. Мы ввели базовый класс   Item, который представляет общие свойства всех единиц хранения в библиотеке. Но существуют ли объекты класса Item? То есть существует ли в действительности "единица хранения" сама по себе? Конечно, каждая книга (класс Book ), журнал (класс Magazine ) и т.д. принадлежат и к классу Item, поскольку они выведены из него, однако объект самого базового класса вряд ли имеет смысл. Базовый класс – это некое абстрактное понятие, описывающее общие свойства других, конкретных объектов.

Тот факт, что в данном случае объекты базового класса не могут существовать сами по себе, обусловлен еще одним обстоятельством. Некоторые методыбазового класса не могут быть реализованы в нем, а должны быть реализованы в порожденных классах. Возьмем, например, тот же метод Name. Его реализация в базовом классе довольно условна, она не имеет особого смысла. Было бы логичнее вообще не реализовывать этот метод в базовом классе, а возложить ответственность за его реализацию на производные классы.

С другой стороны, нам важен факт наличия метода Name во всех производных классах и то, что этот метод виртуален. Именно поэтому мы можем работать с указателями (или ссылками) на объекты базового класса, не зная точно, на какой именно из производных классов этот указатель указывает. Виртуальный механизм во время выполнения программы сам разберется и вызовет нужную реализацию метода Name.

Такая ситуация складывается довольно часто в объектно-ориентированном программировании. (Вспомните пример с различными формами в графическом редакторе: рисование некой обобщенной формы невозможно.) В подобных случаях используется механизм абстрактных классов. Запишем базовый класс  Item немного по-другому:

class Item
{
public:
 . . .
 virtual String Name() const = 0;
};

Теперь мы определили метод Name как чисто виртуальный. Класс, у которого есть хотя бы один чисто виртуальный метод, называется абстрактным .

Если метод объявлен чисто виртуальным, значит, он должен быть определен во всех классах, производных от Item. Наличие чисто виртуального методазапрещает создание объекта типа Item. В программе можно использовать указатели или ссылки на тип Item. Записи

Item it;
Item* itptr = new Item;

не разрешены, и компилятор сообщит об ошибке. Однако можно записать:

Book b;
Item* itptr = &b;
Item& itref = b;

Отметим, что, определив чисто виртуальный метод в классе Book, в следующем уровне наследования его уже не обязательно переопределять (в классах,производных из Book ).

Если по каким-либо причинам в производном классе   чисто виртуальный метод не определен, то этот класс тоже будет абстрактным, и любые попытки создать объект данного класса будут вызывать ошибку. Таким образом, забыть определить чисто виртуальный метод просто невозможно. Абстрактный   базовый класс навязывает определенный интерфейс всем производным из него классам. Собственно, в этом и состоит главное назначение абстрактных классов – в определении интерфейса для всей иерархии классов. Разумеется, это не означает, что в абстрактном классе не может быть определенных методов или атрибутов.

Вообще говоря, класс можно сделать абстрактным, даже если все его методы определены. Иногда это необходимо сделать для того, чтобы быть уверенным в том, что объект данного класса никогда не будет создан. Можно задать один из методов как чисто виртуальный, но, тем не менее, определить его реализацию. Обычно для этих целей выбирается деструктор:

class A
{
public:
 virtual ~A() = 0;
};
A::~A()
{
. . .
}

Класс A – абстрактный, и объект типа A создать невозможно. Однако деструктор его определен и будет вызван при уничтожении объектов производных классов (о порядке выполнения конструкторов и деструкторов см. ниже).

Множественное наследование

В языке Си++ имеется возможность в качестве базовых задать несколько классов. В таком случае производный класс наследует методы и атрибуты всех его родителей. Пример иерархии классов в случае множественного наследования приведен на следующем рисунке.

В данном случае класс C наследует двум классам, A и B.

Множественное наследование – мощное средство языка. Приведем некоторые примеры использования множественного наследования.

Предположим, имеющуюся библиотечную систему решено установить в университете и интегрировать с другой системой учета преподавателей и студентов. В библиотечной системе имеются классы, описывающие читателей и работников библиотеки. В системе учета кадров существуют классы, хранящие информацию о преподавателях и студентах. Используя множественное наследование, можно создать классы студентов-читателей, преподавателей-читателей и студентов, подрабатывающих библиотекарями.

В графическом редакторе для некоторых фигур может быть предусмотрен пояснительный текст. При этом все алгоритмы форматирования и печати пояснений работают с классом Annotation. Тогда те фигуры, которые могут содержать пояснение, будут представлены классами, производными от двух базовых классов:

class Annotation
{
public:
 String GetText(void);
private:
 String annotation;
};
class Shape
{
public:
 virtual void Draw(void);
};
class AnnotatedSquare : public Shape, 
 public Annotation
{
public:
 virtual void Draw();
};

У объекта класса AnnotatedSquare имеется метод GetText, унаследованный от класса Annotation, он определяет виртуальный метод   Draw, унаследованный от класса Shape.

При применении множественного наследования возникает ряд проблем. Первая из них – возможный конфликт имен методов или атрибутов нескольких базовых классов.

class A
{
public:
 void fun();
 int a;
};
class B
{
public:
 int fun();
 int a;
};
class C : public A, public B
{
};

При записи

C* cp = new C;
cp->fun();

невозможно определить, к какому из двух методов fun происходит обращение. Ситуация называется неоднозначной, и компилятор выдаст ошибку. Заметим, что ошибка выдается не при определении класса C, в котором заложена возможность возникновения неоднозначной ситуации, а лишь при попытке вызова метода fun.

Неоднозначность можно разрешить, явно указав, к которому из базовых классов происходит обращение:

cp->A::fun();

Вторая проблема заключается в возможности многократного включения базового класса. В упомянутом выше примере интеграции библиотечной системы и системы кадров вполне вероятна ситуация, при которой классы для работников библиотеки и для студентов были выведены из одного и того же базового класса   Person:

class Person
{
public:
 String name();
};
class Student : public Person
{
. . .
};
class Librarian : public Person
{
. . .
};

Если теперь создать класс для представления студентов, подрабатывающих в библиотеке

class StudentLibrarian : public Student, 
 public Librarian
{
};

то объект данного класса будет содержать объект базового класса   Person дважды (см. рисунок 10.3).

Кроме того, что подобная ситуация отражает нерациональное использование памяти, никаких неудобств в данном случае она не вызывает. Возможную неоднозначность можно разрешить, явно указав класс:

StudentLibrarian* sp;
// ошибка – неоднозначное обращение, 
// непонятно, к какому именно экземпляру 
// типа Person обращаться 
sp->Person::name();
// правильное обращение
sp->Student::Person::name();

Тем не менее, иногда необходимо, чтобы объект базового класса содержался в производном один раз. Для этих целей применяется виртуальное наследование, речь о котором впереди.

Виртуальное наследование

Базовый класс можно объявить виртуальным базовым классом, используя запись:

class Student : virtual Person
{
};
class Librarian : virtual Person
{
};

Гарантировано, что объект виртуального базового класса будет содержаться в объекте выведенного класса (см. рисунок 10.4) один раз. Платой за виртуальность базового класса являются дополнительные накладные расходы при обращениях к его атрибутам и методам наследования.