《C++ 沉思录》阅读笔记——代理类

Andrew Koenig 和 Barbara Moo 堪称C++研究领域的”第一神仙眷侣”，看他们的书非常有条理性。这次要解释的是C++中的另一个常见问题。

找出一种优美的控制内存分配的方法来绑定不同子类对象到容器中。多么复杂的一句话，莫慌，其实很简单，跟着步伐来看。

首先假设我们要设计一系列交通工具的类，一般来说我们会定义一个交通工具的基类，里面存放所有交通工具都有的成员和属性，比如这样：

class Vehicle {
public:
    virtual double weight() const = 0;
    virtual void start() = 0;
    // ......
};

 

然后会有一些交通工具继承关系，比如这样：

class RoadVehicle : public Vehicle { /* ...... */ };
class AutoVehicle : public RoadVehicle { /* ...... */ };
class Aircraft    : public Vehicle { /* ...... */ };
class Helicopter  : public Aircraft { /* ...... */ };

 

现在我们要定义一个容器，来保存不同类型的交通工具。

这个要求看起来简单，但没有想象中那么容易。化繁为简，比如我们用一个数组来保存不同的交通工具，首先我可能会这么写：

Vehicle parking_lot[1000];

 

仔细一想，这么写好像不对，为什么呢？因为 Vehicle 里面有纯虚函数，所以 Vehicle 是个抽象类，抽象类是不会有对象的，所以这么定义是肯定不行的。一般分析也就到这里为止了，但继续想一下，如果我把 Vehicle 中的所有纯虚函数去掉，那么这种定义好像就是OK的，语法上不会有问题，但是有另一个问题，比如下面这样的赋值：

Helicopter x = /* ...... */
parking_lot[num_vehicles++] = x;

 

这样的赋值会导致 Helicopter 对象被转换成一个Vehicle对象，它将丢失自己的 Helicopter 属性，这可不是我们想要的，这就好像把一个 double 数转换成整型放进×××数组里，丢失了自己的小数部分。

看到这里，马上有人会提出，那么在 parking_lot 中存储 Vehicle 的指针不就可以了吗？我们一起来看看：

Vehicle *parking_lot[1000];    // 指针数组

 

然后我们重复上面的赋值操作：

Helicopter x = /* ...... */
parking_lot[num_vehicles++] = &x;

 

看起来一切OK，但是有经验的程序员（比如说我，：））一眼就看出这里很危险，为什么危险呢？因为存储指针本身就是一件危险的事情，具体说来，这里的 x 看起来是一个局部变量，如果 x 被释放掉了，那么 parking_lot 数组里的指针立马成了悬垂指针，指向什么内容就不知道了。一个富有责任心的程序员是铁定不会这么干的。

那我们是不是就没折了呢？也不是，既然放指针不行，那么我复制一下这个对象算了，如下：

Helicopter x = /* ...... */
parking_lot[num_vehicles++] = new Helicopter(x);

 

虽然浪费了些时间和内存，但是这么做看起来确实可以，自己分配了内存当然要由自己来释放，所以我们继续规定在 delete 这个 parking_lot 的时候，我们也释放其中所指向的对象。如果这么干只有自己管理内存这么一个负担的话，我想我还能接受，但是这里有一个不那么明显的问题。就是我们放入 parking_lot 中的对象，必须要是已知类型的对象，一说到这里有的看官就立马明白了我的意思了，也就是说对于那些编译时类型未知的对象，这里就没办法保存了，举个例子，比如我需要在 parking_lot[p] 中放 parking_lot[q] 的对象，该怎么办呢？我们并不知道 parking_lot[q] 的对象类型，所以我们没办法复制这个对象，同时，我们不能让 parking_lot 中有两个指针指向同一个对象，因为我们在删除这个容器时会把里面的对象也删掉，如果有两个指针指向同一个对象那么就会删除两次。当然，你可以用别的方法来避免，但这还是让我无法忍受了。

对于编译时的未知对象，聪明的程序员已经想到办法解决了。为什么我们要知道它们是什么？只要它们自己知道自己是什么，然后告诉我们就OK了呗！good boy！说明白些，就是我们可以让继承自 Vehicle 的类来告诉别人他们到底是什么，一个简单的办法就是在 Vehicle 中定义的 copy 的纯虚函数，然后继承自 Vehicle 的类都设计自己的 copy 函数，用来把自己复制一份返回给调用者，这样调用者就不用知道这些乱七八糟的交通工具是什么了。我们来继续修改代码：

class Vehicle {
public:
    virtual double weight() const = 0;
    virtual void start() = 0;
    virtual Vehicle *copy() const = 0;
    // ......
};

 

然后我们修改 Helicopter 类，增加一个 copy 函数：

Vehicle *Helicopter::copy() const
{
    return new Helicopter(*this);
}

 

这样我们就再也不需要知道x的类型或者是 parking_lot[q] 的类型了，直接调用 x.copy() 函数或者 parking_lot[q]->copy() 函数就OK了。

parking_lot[num_vehicles++] = x.copy();
parking_lot[p] = parking_lot[q]->copy();

 

我们完美的解决了上面提到的第二个问题，但程序员从来都是追求完美的，那么我们有办法解决这个显示处理内存分配的问题吗？这也是程序员幸福的地方，别的领域追求完美是极其困难的，但代码总能让我们欣喜。《C++ 沉思录》里提到了一个非常深刻的概念——“用类来表示概念”，到底是个什么意思呢？就是说我们设计类，不光可以是一个具体的事物，同样，也可以是一个概念，比如，你可以用类来表示人，男人，女人等等，同样你可以用类来表示家庭，人是具体的，而家庭只是一个概念，家庭里肯定有有人，所以把控了家庭这个概念，也就把控了人（不要跟我抬杠说有些人没有家庭，举个例子而已，亲！）。

具体表现在代码上就是我们通过定义一个代理类，来表达这些不同的交通工具，这个代理类应该可以代表不同的交通工具，同时它需要帮助我管理内存，而且需要能够实例化，因为这样我就不用再纠结上面那个 Vehicle 是抽象类没办法定义容器的问题，所以，这个代理类的作用是让我能够定义代理类的容器，同时不需要我来考虑内存的管理问题，而且要支持编译时类型未知的情况。

代理类只是一个管理交通工具的管理者，它不是一个具体的东西，就跟大明星的经纪人一样。那看来它必须保存一个明星，也就是得有一个指向交通工具的指针，同时它需要上台面，那么它需要真实的构造函数，同时它需要能够放进容器，所以它需要一个默认构造函数：

class VechicleProxy {
public:
    VechicleProxy();
    VechicleProxy(const Vehicle &);
    ~VechicleProxy();
    VechicleProxy(const VechicleProxy &);
    VechicleProxy &operator=(const VechicleProxy &);
private:
    Vehicle *p;
};

 

上面多加了几个构造函数和赋值操作符，也不难理解，毕竟是一个真实的类嘛。其中以 const Vehicle& 为参数的复制构造函数就提供了为任意交通工具做代理的能力。一切看起来OK，但是在默认构造函数里我们能够为 p 指针赋值什么呢？好像只能赋为0了。这个零指针也就是说通常说的空代理。那么让我们来完成这个代理类的成员函数吧：

VechicleProxy::VechicleProxy(): p(0) { }
VechicleProxy::VechicleProxy(const Vehicle &BigStar): p(BigStar.copy()) {}
VechicleProxy::~VechicleProxy() { delete p; }
VechicleProxy::VechicleProxy(const VechicleProxy &v): p(v.p ? v.p->copy() : 0) {}
VechicleProxy::operator=(const VechicleProxy &v)
{
    if (this != &v)
    {
        delete p;
        p = (v.p ? v.p->copy() : 0);
    }
    return *this;
}

 

这里没有什么多余的秘密了，仔细点都OK。写到这里我们终于可以定义一个完美的 parking_lot 了。

VehicleProxy parking_lot[1000]；
Helicopter x;
parking_lot[num_vehicles++] = x;

 

总结一下：

当我们使用继承和容器的时候，通常需要处理两个问题：内存的分配和编译时类型未知对象的绑定。使用一个被成为代理类的东西，我们把复杂的继承层次压缩到了一起，让这个类能够代表所有的子类型，用类来表示概念的武器果然犀利。