条款41: 区分继承和模板

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小牛编辑

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2023-12-01

条款41: 区分继承和模板

考虑下面两个设计问题：

· 作为一位立志献身计算机科学的学生，你想设计一个类来表示对象的堆栈。这将需要多个不同的类，因为每个堆栈中的元素必须是同类的，即，它里面包含的必须只是同种类型的对象。例如，会有一个类来表示int的堆栈，第二个类来表示string的堆栈，第三个类来表示string的堆栈的堆栈，等等。你也许对设计一个最小的类接口（参见条款18）很感兴趣，所以会将对堆栈的操作限制在：创建堆栈，销毁堆栈，将对象压入堆栈，将对象弹出堆栈，以及检查堆栈是否为空。设计中，你不会借助标准库中的类（包括stack ---- 参见条款49），因为你渴望亲手写这些代码。重用（Reuse）是一件美事，但当你的目标是探究事情的工作原理时，那就只有挖地三尺了。

· 作为一位爱猫的宠物迷，你想设计一个类来表示猫。这也将需要多个不同的类，因为每个品种的猫都会有点不同。和所有对象一样，猫可以被创建和销毁，但，正如所有猫迷所知道的，猫所做的其它事不外乎吃和睡。然而，每一种猫吃和睡都有各自惹人喜爱的方式。

这两个问题的说明听起来很相似，但却导致完全不同的两种设计。为什么？

答案涉及到"类的行为" 和 "类所操作的对象的类型"之间的关系。对于堆栈和猫来说，要处理的都是各种不同的类型（堆栈包含类型为T的对象，猫则为品种T），但你必须问自己这样一个问题：类型T影响类的行为吗？如果T不影响行为，你可以使用模板。如果T影响行为，你就需要虚函数，从而要使用继承。

下面的代码通过定义一个链表来实现Stack类，假设堆栈的对象类型为T：

class Stack {
public:
Stack();
~Stack();

void push(const T& object);
T pop();

bool empty() const; // 堆栈为空?

private:
struct StackNode { // 链表节点
T data; // 此节点数据
StackNode *next; // 链表中下一节点

// StackNode构造函数，初始化两个域
StackNode(const T& newData, StackNode *nextNode)
: data(newData), next(nextNode) {}
};

StackNode *top; // 堆栈顶部

Stack(const Stack& rhs); // 防止拷贝和
Stack& operator=(const Stack& rhs); // 赋值(见条款27)
};

于是，Stack对象将构造如下所示的数据结构：

Stack对象 top--> data+next--> data+next--> data+next--> data+next
------------------------------------------------------------------------------------
StackNode对象

链表本身是由StackNode对象构成的，但那只是Stack类的一个实现细节，所以StackNode被声明为Stack的私有类型。注意StackNode有一个构造函数，用来确保它所有的域都被正确初始化。即使你闭着眼睛都可以写出一个链表，但也不要忽视了C++的一些新特性，如struct中的构造函数。

下面看看你对Stack成员函数的实现。和许多原型（prototype）的实现（离制作成软件产品相差太远）一样，这里没有错误检查，因为在原型世界里，没有东西会出错。

Stack::Stack(): top(0) {} // 顶部初始化为null

void Stack::push(const T& object)
{
top = new StackNode(object, top); // 新节点放在
} // 链表头部

T Stack::pop()
{
StackNode *topOfStack = top; // 记住头节点
top = top->next;

T data = topOfStack->data; // 记住节点数据
delete topOfStack;

return data;
}

Stack::~Stack() // 删除堆栈中所有对象
{
while (top) {
StackNode *toDie = top; // 得到头节点指针
top = top->next; // 移向下一节点
delete toDie; // 删除前面的头节点
}
}

bool Stack::empty() const
{ return top == 0; }

这些代码毫无吸引人之处。实际上，唯一有趣的一点在于：即使对T一无所知，你还是能够写出每个成员函数。（上面的代码中实际上有个假设，即，假设可以调用T的拷贝构造函数；但正如条款45所说明的，这是一个绝对合理的假设）不管T是什么，对构造，销毁，压栈，出栈，确定栈是否为空等操作所写的代码不会变。除了 "可以调用T的拷贝构造函数" 这一假设外，stack的行为在任何地方都不依赖于T。这就是模板类的特点：行为不依赖于类型。

将stack类转化成一个模板就很简单了，即使是Dilbert的老板都会写：

template<class T> class Stack {

... // 完全和上面相同

};

但是，猫呢？为什么猫不适合模板？

重读上面的说明，注意这一条："每一种猫吃和睡都有各自惹人喜爱的方式"。这意味着必须为每种不同的猫实现不同的行为。不可能写一个函数来处理所有的猫，所能做的只能是制定一个函数接口，所有种类的猫都必须实现它。啊哈！衍生一个函数接口的方法只能是去声明一个纯虚函数（参见条款36）：

class Cat {
public:
virtual ~Cat(); // 参见条款14

virtual void eat() = 0; // 所有的猫吃食
virtual void sleep() = 0; // 所有的猫睡觉
};

Cat的子类 ---- 比如，Siamese和BritishShortHairedTabby ---- 当然得重新定义继承而来的eat和sleep函数接口：

class Siamese: public Cat {
public:
void eat();
void sleep();

...

};

class BritishShortHairedTabby: public Cat {
public:
void eat();
void sleep();

...

};

好了，现在知道了为什么模板适合Stack类而不适合Cat类，也知道了为什么继承适合Cat类。唯一剩下的问题是，为什么继承不适合Stack类。想知道为什么，不妨试着去声明一个Stack层次结构的根类 ---- 所有其它的堆栈类都从这个唯一的类继承：

class Stack { // a stack of anything
public:
virtual void push(const ??? object) = 0;
virtual ??? pop() = 0;

...

};

现在问题很明显了。该为纯虚函数push和pop声明什么类型呢？记住，每一个子类必须重新声明继承而来的虚函数，而且参数类型和返回类型都要和基类的声明完全相同。不幸的是，一个int堆栈只能压入和弹出int对象，而一个Cat堆栈只能压入和弹出Cat对象。Stack类要怎样声明它的纯虚函数才能使用户既可以创建出int堆栈又可以创建出Cat堆栈呢？冷酷而严峻的事实是，做不到。这就是为什么说继承不适合创建堆栈。

但也许你做事喜欢偷偷摸摸。或许你认为自己可以通过使用通用(void*)指针来骗过编译器。但事实证明，现在这种情况下，通用指针也帮不上忙。因为你无法避开这一条件：派生类虚函数的声明永远不能和它在基类中的声明相抵触。但是，通用指针可以帮助解决另外一个不同的问题，它和模板所生成的类的效率有关。详细介绍参见条款42。

讲完了堆栈和猫，下面将本条款得到的结论总结如下：

· 当对象的类型不影响类中函数的行为时，就要使用模板来生成这样一组类。
· 当对象的类型影响类中函数的行为时，就要使用继承来得到这样一组类。

真正消化了以上两点的含义，你就可以在设计中游刃于继承或模板之间。