c++ 容器、继承层次、句柄类

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一、容器与继承

在容器中保存有继承关系的对象，如果定义成保存基类对象，则派生类将被切割，如果定义成保存派生类对象，则保存基类对象又成问题（基类对象将被强制转换成派生类对象，而派生类中定义的成员未被初始化）。

唯一的可行的选择是容器中保存对象的指针。但是需要用户管理对象和指针。C++中一个通用的技术是包装类(cover)或句柄类(handle)。用句柄类存储和管理类指针。

句柄类大体上完成两方面的工作：

a,管理指针，这与智能指针的功能类似。

b,实现多态，利用动态绑定，是得指针既可以指向基类，也可以指向派生类。

包装了继承层次的句柄有两个重要的设计考虑因素：

1）像对任何保存指针的类一样，必须确定对复制控件做些什么。包装了继承层次的句柄通常表现得像一个智能指针或者像一个值。

2）名柄类决定句柄接口屏蔽还是不屏蔽继承层次，如果不屏蔽继承层次，用户必须了解和使用基本层次中的对象(objects in theunderlying hierarchy)。

下面通过一个我自己写的一个简单的例子来说明这个问题：

这个例子大体思路是：程序包括一个基类，一个派生类，还有一个句柄类。

其中，基类有2个私有成员，数值m_base和程序名字name。派生类有一个新的私有成员，m_der。

派生类和基类有虚函数compute。,基类的compute它计算基类成员m_base平方。派生类的compute计算m_base平方和m_der之和。

句柄类有两个数据成员，分别是指向引用计数的指针和指向基类（或者是其派生类的指针）。

#include <iostream>
#include <string>
#include <exception>
#include <stdexcept>
using namespace std;

//基类
class Base
{
public:
    Base(int a_=1, string na="Base"):m_base(a_),name(na) {}
    Base(const Base &rhs)//复制构造
    {
        m_base = rhs.m_base;
        name = rhs.name;
    }
    //clone函数来返回一个自身的副本
    virtual Base* clone() const
    {
        return new Base(*this);
    }
    const string getName() const//返回对象名字
    {
        return name;
    }
   virtual int compute()const// 返回整数成员的平方
   {
       return m_base*m_base;
   }
private:
    int m_base;
    string name;
};

// 派生类
class Derived:public Base
{
public:
    Derived(int a=2,string na="Derived", int b=2):Base(a,na),m_der(b) {}
    Derived(const Derived &rhs):Base(rhs) //copy constructor
    {
        m_der = rhs.m_der;
    }
    Derived* clone() const
    {
        return new Derived(*this);
    }

    int compute()const//返回成员平方和加上派生类新成员
    {
        return Base::compute() + m_der;
    }
private:
    int m_der;
};

//句柄类
class Handle
{
public:
    //默认构造函数 1
    //指针置0，不与任何对象关联，计数器初始化为1
    Handle():pBase(0),use(new int(1)) {}
    //析构函数
    ~Handle()
    {
        des_use();
    }
    //接受Base对象 item的构造函数,注意引用。 2
    Handle(const Base &item):pBase(item.clone()),use(new int(1)) {}
    //复制控制函数：管理计数器和指针。 3
    Handle(const Handle &ha):pBase(ha.pBase),use(ha.use)
    {
        ++*use;
    }
    //赋值操作符
    Handle& operator=(const Handle& rhs)
    {
        ++*rhs.use;//右操作数的引用计数+1
        des_use();//处理左操作数
        //复制右操作数
        pBase = rhs.pBase;
        use = rhs.use;
        //返回左操作数的引用
        return *this;
    }
    //重载箭头操作符
    const Base* operator->() const
    {
        if(pBase)
            return pBase;
        else
            throw logic_error("unbound Handle");
    }
    //重载解引用操作符
    const Base &operator*() const
    {
        if(pBase)
            return *pBase;
        else
            throw logic_error("unbound Handle");
    }
    // 输出引用计数
    void print_use()
    {
        cout<<pBase->getName()<<" use count "<<*use<<endl;
    }
private:
    //指向引用计数
    int *use;
    //指向基类的指针，也可以用来指向派生类
    Base *pBase;
    void des_use()
    {
        if(--*use == 0)
        {
            cout<<pBase->getName()<<" delete\n";
            delete pBase;
            delete use;
        }
    }
};


int main()
{
    Handle h1(Base(2,"Base"));
    h1.print_use();
    cout<<"Base compute:"<<(*h1).compute()<<endl;
    Handle h2(h1);
    h2.print_use();
    cout<<"Base compute:"<<h2->compute()<<endl;
    cout<<"*------------------------------------------*\n";
    Handle h3(Derived(3, "derive", 3));
    h1 = h3;
    h1.print_use();
    cout<<"Derive compute:"<<(*h1).compute()<<endl;
    return 0;
}

二、句柄类

句柄类Handle 有3个构造函数：默认构造函数，复制构造函数，和接收基类Base对象的构造函数。第2个构造函数复制Base类对象保证只有句柄对象

存在副本就存在。其中第2个构造函数的要难。我们希望句柄的用户创建自己的对象，在这些对象上关联句柄。构造函数将分配适当类型的新对象并将

形参复制到新分配的对象中，这样句柄类Handle将拥有对象并 能保证 在关联到该对象的最后一个Handle 对象消失之前不会删除该对象。

复制未知类型。 句柄类经常需要在不知道对象确切类型时分配已知对象的新副本，解决这个问题的通用方法是定义虚操作进行复制，通常命名为clone。

如上面代码中，为了支持句柄类，需要从基类开始，从继承层次的每个类中增加clone，并且基类必须把这个函数定义为虚函数，每个类必须重新定义

这个虚函数，因为函数的存在是为了生成类对象的新副本，所以定义返回类型为类本身，如下面的代码。

//clone函数来返回一个自身的副本
    virtual Base* clone() const
    {
        return new Base(*this);
    }

返回类本身类型，且为虚函数。

//接受Base对象 item的构造函数
    Handle(const Base &item):pBase(item.clone()),use(new int(1)) {}

这个clone函数必须为虚函数，因为句柄类经常需要在不知道对象的确切类型时分配已知对象的新副本，我们知道，c++ 动态绑定只对 虚函数，且在指针或者引用

时才发生。要解决  复制未知类型 问题只能通过定义一个函数其参数是基类的引用，然后调用一个克隆自身的函数，当这个函数为虚函数时就能发生动态绑定，从而

在不知道 对象本身类型时 我们可以 为这个对象分配一个新副本 并指向它。

整个程序代码运行效果如下：

int main()
{
    Handle h1(Base(2,"Base"));
    h1.print_use();
    cout<<"Base compute:"<<(*h1).compute()<<endl;
    Handle h2(h1);
    h2.print_use();
    cout<<"Base compute:"<<h2->compute()<<endl;
    cout<<"*------------------------------------------*\n";
    Handle h3(Derived(3, "derive", 3));
    h1 = h3;
    h1.print_use();
    cout<<"Derive compute:"<<(*h1).compute()<<endl;
    return 0;
}

从main函数里我们可以看出，句柄类Handle 首先构造一个存储基类对象的句柄，然后再调用3创建新对象，这个句柄依然指向基类对象，所以引用计数为2.

然后再构造句柄h3 其构造对象为派生类对象，再把h2 赋值给h1，此时h1句柄 指向了派生了对象的句柄。

我们可以利用 STL 的容器 保存因继承关联的对象，就是利用上面的句柄类。具体不在详述。

参考资料<c++ primer>