Язык программирования C++ для профессионалов
Иерархии классов
Рассмотрим моделирование транспортного потока в городе, цель которого достаточно точно определить время, требующееся, чтобы аварийные движущиеся средства достигли пункта назначения. Очевидно, нам надо иметь представления легковых и грузовых машин, машин скорой помощи, всевозможных пожарных и полицейских машин, автобусов и т.п. Поскольку всякое понятие реального мира не существует изолированно, а соединено многочисленными связями с другими понятиями, возникает такое отношение как наследование. Не разобравшись в понятиях и их взаимных связях, мы не в состоянии постичь никакое отдельное понятие. Также и модель, если не отражает отношения между понятиями, не может адекватно представлять сами понятия. Итак, в нашей программе нужны классы для представления понятий, но этого недостаточно. Нам нужны способы представления отношений между классами. Наследование является мощным способом прямого представления иерархических отношений. В нашем примере, мы, по всей видимости, сочли бы аварийные средства специальными движущимися средствами и, помимо этого, выделили бы средства, представленные легковыми и грузовыми машинами. Тогда иерархия классов приобрела бы такой вид:
- движущееся средство
- легковая машина
- аварийное средство
- грузовая машина
- полицейская машина
- скорой помощи
- пожарная машина
- машина с выдвижной лестницей.
Здесь класс Emergency представляет всю информацию, необходимую для моделирования аварийных движущихся средств, например: аварийная машина может нарушать некоторые правила движения, она имеет приоритет на перекрестках, находится под контролем диспетчера и т.д.
На С++ это можно задать так:
class Vehicle { /*...*/ }; class Emergency { /* */ }; class Car : public Vehicle { /*...*/ }; class Truck : public Vehicle { /*...*/ }; class Police_car : public Car , public Emergency { //... }; class Ambulance : public Car , public Emergency { //... }; class Fire_engine : public Truck , Emergency { //... }; class Hook_and_ladder : public Fire_engine { //... };
Наследование - это отношение самого высокого порядка, которое прямо представляется в С++ и используется преимущественно на ранних этапах проектирования. Часто возникает проблема выбора: использовать наследование для представления отношения или предпочесть ему принадлежность. Рассмотрим другое определение понятия аварийного средства: движущееся средство считается аварийным, если оно несет соответствующий световой сигнал. Это позволит упростить иерархию классов, заменив класс Emergency на член класса Vehicle:
- движущееся средство (Vehicle {eptr})
- легковая машина (Car) грузовая машина (Truck)
- полицейская машина (Police_car) машина скорой помощи (Ambulance)
- пожарная машина (Fire_engine)
- машина с выдвижной лестницей (Hook_and_ladder)
Теперь класс Emergency используется просто как член в тех классах, которые представляют аварийные движущиеся средства:
class Emergency { /*...*/ }; class Vehicle { public: Emergency* eptr; /*...*/ }; class Car : public Vehicle { /*...*/ }; class Truck : public Vehicle { /*...*/ }; class Police_car : public Car { /*...*/ }; class Ambulance : public Car { /*...*/ }; class Fire_engine : public Truck { /*...*/ }; class Hook_and_ladder : public Fire_engine { /*...*/ };
Здесь движущееся средство считается аварийным, если Vehicle::eptr не равно нулю. "Простые" легковые и грузовые машины инициализируются Vehicle::eptr равным нулю, а для других Vehicle::eptr должно быть установлено в ненулевое значение, например:
Car::Car() // конструктор Car { eptr = 0; } Police_car::Police_car() // конструктор Police_car { eptr = new Emergency; }
Такие определения упрощают преобразование аварийного средства в обычное и наоборот:
void f(Vehicle* p) { delete p->eptr; p->eptr = 0; // больше нет аварийного движущегося средства
//...
p->eptr = new Emergency; // оно появилось снова }
Так какой же вариант иерархии классов лучше? В общем случае ответ такой: "Лучшей является программа, которая наиболее непосредственно отражает реальный мир". Иными словами, при выборе модели мы должны стремиться к большей ее"реальности", но с учетом неизбежных ограничений, накладываемых требованиями простоты и эффективности. Поэтому, несмотря на простоту преобразования обычного движущегося средства в аварийное, второе решение представляется непрактичным.
Пожарные машины и машины скорой помощи - это движущиеся средства специального назначения со специально подготовленным персоналом, они действуют под управлением команд диспетчера, требующих специального оборудования для связи. Такое положение означает, что принадлежность к аварийным движущимся средствам - это базовое понятие, которое для улучшения контроля типов и применения различных программных средств должно быть прямо представлено в программе. Если бы мы моделировали ситуацию, в которой назначение движущихся средств не столь определенно, скажем, ситуацию, в которой частный транспорт периодически используется для доставки специального персонала к месту происшествия, а связь обеспечивается с помощью портативных приемников, тогда мог бы оказаться подходящим и другой способ моделирования системы.
Для тех, кто считает пример моделирования движения транспорта экзотичным, имеет смысл сказать, что в процессе проектирования почти постоянно возникает подобный выбор между наследованием и принадлежностью. Аналогичный пример есть в §12.2.5, где описывается свиток (scrollbar) - прокручивание информации в окне.
