Глава 7

Производные Классы

Рассмотрим построение программы, которая имеет дело с людьми, служащими в некоторой фирме. Структура данных в этой программе может быть например такой:

  struct employee {          // служащий
      char*    name;        // имя
      short    age;         // возраст
      short    department;  // подразделение
      int      salary;      //
      employee* next;
      // ...
  };

  struct manager {           // менеджер
      employee emp;          // запись о менеджере как о служащем
      employee* group;       // подчиненные люди
      // ...
  };

  struct manager : employee {
      employee* group;
      // ...
  };

  void f()
  {
      manager m1, m2;
      employee e1, e2;
      employee* elist;
      elist = &m1;     // поместить m1, e1, m2 и e2 в elist
      m1.next = &e1;
      e1.next = &m2;
      m2.next = &e2;
      e2.next = 0;
  }

7.2.2 Функции Члены

Просто структуры данных вроде employee и manager на самом деле не столь интересны и часто не особенно полезны, поэтому рассмотрим, как добавить к ним функции. Например:

  class employee {
      char* name;
      // ...
  public:
      employee* next;
      void print();
      // ...
  };

  class manager : public employee {
      // ...
  public:
      void print();
      // ...
  };

  void manager::print()
  {
      cout << " имя " << name << "\n";
      // ...
  }

  class employee {
      friend void manager::print();
      // ...
  };

  class employee {
  friend class manager;
      // ...
  };

  void manager::print()
  {
      employee::print();    // печатает информацию о служащем
      // ...                // печатает информацию о  менеджере
  }

  void manager::print()
  {
      print();              // печатает информацию о служащем
      // ...                // печатает информацию о  менеджере
  }

7.2.3 Видимость

Класс employee стал открытым (public) базовым классом класса manager в результате описания:

  class manager : public employee {
      // ...
  };

  void clear(manager* p)
  {
      p->next = 0;
  }

  class manager : employee {
      // ...
  };

  struct D : B { ...

  class D : public B { public: ...

  class manager : employee {
      // ...
  public:
      // ...
      employee::name;
      employee::department;
  };

  имя_класса :: имя_члена ;

7.2.4 Указатели

Если производный класс derived имеет открытый базовый класс base, то указатель на derived можно присваивать переменной типа указатель на base не используя явное преобразование типа. Обратное преобразование, указателя на base в указатель на derived, должно быть явным. Например:

  class base { /* ... */ };
  class derived : public base { /* ... */ };

  derived m;
  base* pb = &m;     // неявное преобразование
  derived* pd = pb;  // ошибка: base* не является derived*
  pd = (derived*)pb; // явное преобразование

  class base {
      int m1;
  public:
      int m2;     // m2 - открытый член base
  };

  class derived : base {
      // m2 НЕ открытый член derived
  };

  derived d;
  d.m2 = 2;       // ошибка: m2 из закрытой части класса
  base* pb = &d;  // ошибка: (закрытый base)
  pb->m2 = 2;     // ok
  pb = (base*)&d; // ok: явное преобразование
  pb->m2 = 2;     // ok

7.2.5 Иерархия Типов

Производный класс сам может быть базовым классом. Например:

  class employee { ... };
  class secretary : employee { ... };
  class manager : employee { ... };
  class temporary : employee { ... };
  class consultant : temporary { ... };
  class director : manager { ... };
  class vice_president : manager { ... };
  class president : vice_president { ... };

  class temporary { ... };
  class employee { ... };
  class secretary : employee { ... };

  // не C++:
  class temporary_secretary : temporary : secretary { ... };
  class consultant : temporary : employee { ... };

  class temporary { ... };
  class employee { ... };
  class secretary : employee { ... };

  // Альтернатива:
  class temporary_secretary : secretary
  { temporary temp; ... };
  class consultant : employee
  { temporary temp; ... };

7.2.6 Конструкторы и Деструкторы

Для некоторых производных классов нужны конструкторы. Если у базового класса есть конструктор, он должен вызываться, и если для этого конструктора нужны параметры, их надо предоставить. Например:

  class base {
      // ...
  public:
      base(char* n, short t);
      ~base();
  };

  class derived : public base {
      base m;
  public:
      derived(char* n);
      ~derived();
  };

7.2.7 Поля Типа

7.2.8 Виртуальные Функции

Виртуальные функции преодолевают сложности решения с помощью полей типа, позволяя программисту описывать в базовом классе функции, которые можно переопределять в любом производном классе. Компилятор и загрузчик обеспечивают правильное соответствие между объектами и применяемыми к ним функциями. Например:

  struct employee {
      employee* next;
      char*     name;
      short     department;
      // ...
      virtual void print();
  };

  void employee::print()
  {
      cout << e->name << "\t" << e->department << "\n";
      // ...
  }

  struct manager : employee {
      employee* group;
      short     level;
      // ...
      void print();
  };

  void manager::print()
  {
      employee::print();
      cout << "\tуровень" << level << "\n";
      // ...
  }

  void f(employee* ll)
  {
      for (; ll; ll=ll->next) ll->print();
  }

  main()
  {
      employee e;
          e.name = "Дж.Браун";
          e.department = 1234;
          e.next = 0;
      manager m;
          m.name = "Дж.Смит";
          e.department = 1234;
          m.level = 2;
          m.next = &e;
      f(&m);
  }

  Дж.Смит 1234
          уровень 2
  Дж.Браун 1234

7.3 Альтернативные Интерфейсы

Рассмотрим такое написание класса slist для однократно связанного списка, с помощью которого можно создавать как однородные, так и неоднородные списки объектов тех типов, которые еще должны быть определены. Сначала мы определим тип ent:

  typedef void* ent;

  class slink {
  friend class slist;
  friend class slist_iterator;
      slink* next;
      ent e;
      slink(ent a, slink* p) { e=a; next=p;}
  };

  class slist {
  friend class slist_iterator;
      slink* last;        // last->next - голова списка
  public:
      int insert(ent a);  // добавить в голову списка
      int append(ent a);  // добавить в хвост списка
      ent get();          // вернуться и убрать голову списка
      void clear();       // убрать все звенья

      slist()      { last=0; }
      slist(ent a) { last=new slink(a,0); last->next=last; }
      ~slist()     { clear(); }
  };

7.3.2 Реализация

7.3.3 Как Этим Пользоваться

Фактически класс slist в написанном виде бесполезен. В конечном счете, зачем можно использовать список указателей void*? Штука в том, чтобы вывести класс из slist и получить список тех объектов, которые представляют интерес в конкретной программе. Представим компилятор языка вроде C++. В нем широко будут использоваться списки имен; имя - это нечто вроде

  struct name {
      char* string;
      // ...
  };

  #include "slist.h"
  #include "name.h"

  struct nlist : slist {
      void insert(name* a) { slist::insert(a); }
      void append(name* a) { slist::append(a); }
      name* get()          {}
      nlist(name* a) : (a) {}
  };

7.3.4 Обработка Ошибок

7.3.5 Обобщенные Классы

7.3.6 Ограниченные Интерфейсы

Класс slist - довольно общего характера. Иногда подобная общность не требуется или даже нежелательна. Ограниченные виды списков, такие как стеки и очереди, даже более обычны, чем сам обобщенный список. Такие структуры данных можно задать, не описав базовый класс как открытый. Например, очередь целых можно определить так:

  #include "slist.h"

  class iqueue : slist {
                 //предполагается sizeof(int)<=sizeof(void*)
  public:
      void put(int a) { slist::append((void*)a); }
      int det()       { return int(slist::get()); }
      iqueue()        {}
  };

  #include "slist.h"

  class stack : slist {
  public:
      slist::insert;
      slist::get;
      stack() {}
      stack(ent a) : (a) {}
  };

  #include "stack.h"

  class cp : stack {
  public:
      void push(char* a) { slist::insert(a); }
      char* pop() { return (char*)slist::get(); }
      nlist() {}
  };

7.4 Добавление к Классу

В предыдущих примерах производный класс ничего не добавлял к базовому классу. Для производного класса функции определялись только чтобы обеспечить преобразование типа. Каждый производный класс просто задавал альтернативный интерфейс к общему множеству программ. Этот специальный случай важен, но наиболее обычная причина определения новых классов как производных классов в том, что кто-то хочет иметь то, что предоставляет базовый класс, плюс еще чуть-чуть.
Для производного класса можно определить данные и функции дополнительно к тем, которые наследуются из его базового класса. Это дает альтернативную стратегию обеспечить средства связанного списка. Заметьте, когда в тот slist, который определялся выше, помещается элемент, то создается slink, содержащий два указателя. На их создание тратится время, а ведь без одного из указателей можно обойтись, при условии, что нужно только чтобы объект мог находиться в одном списке. Так что указатель next на следующий можно поместить в сам объект, вместо того, чтобы помещать его в отдельный объект slink. Идея состоит в том, чтобы создать класс olink с единственным полем next, и класс olist, который может обрабатывать указателями на такие звенья olink. Тогда olist сможет манипулировать объектами любого класса, производного от olink. Буква "o" в названиях стоит для того, чтобы напоминать вам, что объект может находиться одновременно только в одном списке olist:

  struct olink {
      olink* next;
  };

  class olist {
      olink* last;
  public:
      void insert(olink* p);
      void append(olink* p);
      olink* get();
      // ...
  };

  class name : public olink {
      // ...
  };

  void f()
  {
      olist ll;
      name nn;
      ll.insert(&nn);              // тип &nn потерян
      name* pn = (name*)ll.get();  // и восстановлен
  }

  class olist : public olist {
      // ...
      name* get() { return (name*)olist::get(); }
  };

7.5 Неоднородные Списки

Вначале было намерение написать администратор экрана на C (а не на C++), чтобы подчеркнуть разделение уровней реализации. Это оказалось слишком утомительным, поэтому пришлось пойти на компромисс: используется стиль C (нет функций членов, виртуальных функций, определяемых пользователем операций и т.п.), однако применяются конструкторы, надлежащим образом описываются и проверяются параметры функций и т.д. Оглядываясь назад, можно сказать, что администратор экрана очень похож на C программу, которую потом модифицировали, чтобы воспользоваться средствами C++ не переписывая все полностью.
Экран представляется как двумерный массив символов, работу с которым осуществляют функции put_point() и put_line(), использующие при ссылке на экран структуру point:

  // файл screen.h

  const XMAX=40, YMAX=24;

  struct point {
      int x,y;
      point() {}
      point(int a, int b) { x=a; y=b; }
  };

  overload put_point;
  extern void put_point(int a, int b);
  inline void put_point(point p) { put_point(p.x,p.y); }

  overload put_line;
  extern void put_line(int, int, int, int);
  inline void put_line(point a, point b)
      { put_line(a.x,a.y,b.x,b.y); }

  extern void screen_init();
  extern void screen_refresh();
  extern void screen_clear();

  #include

  #include "screen.h"
  #include

  enum color { black='*', white=' ' };

  char screen[XMAX][YNAX];

  void screen_init()
  {
      for (int y=0; y=a || a<=b) y0 += dy, eps -= two_a;
      }
  }

  void screen_clear() { screen_init(); }  // очистка

  void screen_refresh()                   // обновление
  {
      for (int y=YMAX-1; 0<=y; y--) {     // сверху вниз
          for (int x=0; x

7.6.2 Библиотека Фигур

Нам нужно определить общее понятие фигуры (shape). Это надо сделать таким образом, чтобы оно использовалось (как базовый класс) всеми конкретными фигурами (например, кругами и квадратами), и так, чтобы любой фигурой можно было манипулировать исключительно через интерфейс, предоставляемый классом shape:

  struct shape {
      shape() { shape_list.append(this); }

      virtual point north() { return point(0,0); } // север
      virtual point south() { return point(0,0); } // юг
      virtual point east() { return point(0,0); }  // восток
      virtual point neast() { return point(0,0); } // северо-восток
      virtual point seast() { return point(0,0); } // юго-восток

      virtual void draw() {};                      // нарисовать
      virtual void move(int, int) {};              // переместить
  };

7.6.3 Прикладная Программа

Прикладная программа чрезвычайно проста. Определяется новая фигура my_shape (на печати она немного похожа на рожицу), а потом пишется главная программа, которая надевает на нее шляпу. Вначале описание my_shape:

  #include "shape.h"

  class myshape : public rectangle {
      line* l_eye;                   // левый глаз
      line* r_eye;                   // правый глаз
      line* mouth;                   // рот
  public:
      myshape(point, point);
      void draw();
      void move(int, int);
  };

  myshape::myshape(point a, point b) : (a,b)
  {
      int ll = neast().x-swest().x+1;
      int hh = neast().y-swest().y+1;
      l_eye = new line(
          point(swest().x+2,swest().y+hh*3/4),2);
      r_eye = new line(
          point(swest().x+ll-4,swest().y+hh*3/4),2);
      mouth = new line(
          point(swest().x+2,swest().y+hh/4),ll-4);
  }

  void myshape::draw()
  {
      rectangle::draw();
      put_point(point(
          (swest().x+neast().x)/2,(swest().y+neast().y)/2));
  }

  void myshape::move()
  {
      rectangle::move();
      l_eye->move(a,b);
      r_eye->move(a,b);
      mouth->move(a,b);
  }

  main()
  {
      shape* p1 = new rectangle(point(0,0),point(10,10));
      shape* p2 = new line(point(0,15),17);
      shape* p3 = new myshape(point(15,10),point(27,18));
      shape_refresh();
      p3->move(-10,-10);
      stack(p2,p3);
      stack(p1,p2);
      shape_refresh();
      return 0;
  }

7.8 Упражнения