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類的封裝與繼承

作者: 時間:2009-12-14 來源:網(wǎng)絡 收藏


1 從過程到對象――類概念的引入
真實世界是由“對象”組成的,無論是動物、植物、工廠還是機器等,都是根據(jù)它們的特征,細分出來的對象類別。盡管在軟件設計時,更多時候我們面對的是經(jīng)過高度抽象化的模型,但最終需要解決的還是真實世界中的問題。因此,如果能夠在軟件設計中按照對象來進行建模,將更加契合真實世界的情況,有利于解決高度復雜的實際問題。典型的過程化程序設計語言,如,其程序設計更傾向于面向過程,以函數(shù)為基本單位。這在自頂向下設計方法深入人心的今天,往往有些力不從心,因為它很難恰如其分地模擬真實世界。
對于C++語言來說,設計的基本單位是類。類是邏輯上相關的函數(shù)與數(shù)據(jù)的封裝,它是對所要處理的問題的抽象描述。引入了類概念的面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言C++具有更高的代碼集成度,從而更適合用于大型復雜程序的開發(fā)。而由類產(chǎn)生的基類、、派生、模板等概念,更是極大地豐富了軟件工程師解決問題的手段。如此強大的概念,如若使用不當,必然帶來許多意想不到的隱患。為此MISRA C++:2008中專門討論了與類使用相關的問題,簡單舉例如下。
規(guī)則10-1-3(強制): 同一層級的某個基類不允許既是虛基類又是非虛基類。
這是因為,如果一個基類在多重層次中既是虛類型,又是非虛類型,則在派生出來的相應對象中將至少有2個該基類的子對象拷貝。這可能與開發(fā)人員的理解不一致。為了更好說明這個問題,請看下面的程序:

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/173524.htm


上述程序中,由于B1、B2是對A的public virtual,而B3是對A的public繼承。因此,對于C而言,將保有A的2個子對象拷貝,造成不必要的冗繁,并隱含造成開發(fā)人員誤解的危險因素。所以,雖然這段程序在語法上是沒有錯誤的,但是出于程序安全性角度的考慮,這種使用方法被MISRA C++:2008所禁止。
我們知道,通過將數(shù)據(jù)(屬性)和函數(shù)(行為)封裝在稱為對象的包中,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和函數(shù)的緊密聯(lián)系,構成對象對信息的隱藏性。這樣,盡管對象知道怎樣通過定義好的接口實現(xiàn)相互的通信,但是對象通常并不知道其他對象是怎樣實現(xiàn)的,對象的細節(jié)隱藏在對象的內(nèi)部。而同一類對象則具有相同的特點,新建立的對象通過繼承現(xiàn)有類的特征而派生出來,同時可以包含各自獨有的特點。
也就是說,“類”很好地解決了2個問題:程序模塊化封裝的實現(xiàn),以及合理提高代碼的利用率。對于軟件設計者之外的用戶而言,每一個對象都是給出了特定接口的“黑盒子”;而對于特定的數(shù)據(jù)結構,經(jīng)過單一定義之后,就可以借用繼承主體、修改細節(jié)的手段,來實現(xiàn)重復利用。如此高效的統(tǒng)籌兼顧,源于“類”這個嶄新概念的引入。然而這種高效也需要嚴格的規(guī)范來保證,否則會帶來意想不到的隱患。為此MISRA C++:2008從類、派生類、成員訪問的控制、特殊的成員函數(shù)以及模板這幾個方面進行了詳細的討論,并出于安全角度考慮,提出了一系列規(guī)則。下面就結合MISRA C++:2008中的相關規(guī)則,對這2個問題作進一步闡述。


2 統(tǒng)――數(shù)據(jù)與代碼的封裝
對象的獨立性是通過封裝實現(xiàn)的,這是指將抽象得到的數(shù)據(jù)成員和代碼成員相結合,形成一個統(tǒng)一的有機整體,也就是說,將數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的行為進行有機的結合、統(tǒng)一。
通過封裝,一部分成員作為類與外部的接口,其他成員則被很好地隱蔽起來,以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)訪問權限的合理控制,使程序中不同部分之間的相互影響減小到最低。這樣可以達到增強安全性和簡化程序編寫工作的目的。但是在進行封裝時,疏忽一些細節(jié)可能會得到與程序設計者初衷相去甚遠的結果,看下面的例子。
規(guī)則9-3-1(強制): 常量類型的成員函數(shù)不允許返回非常量類型的指針或?qū)︻悢?shù)據(jù)的引用。
當對象被聲明為常量型的類時,只有該類的常量成員函數(shù)能被人們調(diào)用。當調(diào)用常量成員函數(shù)時,人們一般認為將不會改變對象的狀態(tài)。然而,當常量類型的函數(shù)返回1個指向類數(shù)據(jù)的非常量指針或者對類數(shù)據(jù)的引用時,理論上將允許改變對象的狀態(tài)。這是程序設計者不希望看到的。
作為保護數(shù)據(jù)、實現(xiàn)模塊化編程的手段,一個完全無法被外部訪問的“封裝”是沒有意義的。因此在利用封裝來限制對對象的修改操作時,必須留出必要的“接口”。這些接口通常必須以對象的成員函數(shù)的形式給出,否則可能會破壞封裝的效果。再看下面的例子。
規(guī)則9-3-2(強制): 成員函數(shù)不允許返回對于類數(shù)據(jù)的非常量的旬柄。
利用類的成員函數(shù)構建類的訪問接口時,可以就對象狀態(tài)是如何被修改的保留更多的控制能力,同時可以實現(xiàn)在對類進行維護時不會受到用戶的影響。返回類數(shù)據(jù)的句柄,將使得用戶可以不經(jīng)過類的接口而對類的狀態(tài)進行修改,從而破壞了封裝。


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關鍵詞: 繼承 C語言

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