《C++ Primer》第15章 面向对象程序设计（一）

参考资料：

• 《C++ Primer》第5版
• 《C++ Primer 习题集》第5版

15.1 OOP：概述（P526）

**面向对象程序设计（object-oriented programming）**的核心思想是数据抽象、继承和动态绑定。

继承

通过继承（inheritance）联系在一起的类构成一种层次关系，在层次关系根部有一个基类（base class），从基类继承而来的类称为派生类（derived class）。基类负责定义在层次关系中所有类的共同成员，每个派生类定义各自独有的成员。

我们定义一个名为 Quote 的类，表示按原价销售的数据，并将它作为层次关系的基类。Quote 派生出另一个名为 Bulk_quote 的类，表示可以打折销售的书籍：

class Quote {
public:
	string isbn() const;
	virtual double net_price(size_t n) const;
};

class Bulk_quote :public Quote {
public:
	double net_price(size_t n) const override;
};

在 C++ 语言中，基类将类型相关的函数（如 isbn ）与派生类不做改变直接继承的函数（如 net_price ）区分对待。对于某些函数，基类希望它的派生类各自定义适合自身的版本，此时基类就将这些函数声明成虚函数（virtual function）

派生类必须通过使用类派生列表（class derivation list）明确指出它从哪些类继承而来。类派生列表的形式是：首先是一个冒号，后面紧跟以逗号分隔的基类列表，每个基类前面可以有访问说明符。派生类必须对所有重新定义的虚函数进行声明，派生类可以选择在这样的函数之前加上 virtual 关键字，但不是必须的。C++11 新标准允许派生类显式注明使用哪个成员函数改写基类的虚函数，方式是在函数的形参列表增加 override 关键字。

动态绑定

通过动态绑定（dynamic binding），我们能用同一段代码分别处理 Quote 和 Bulk_quote 的对象：

double print_total(ostream &os,
		const Quote &item, size_t n) {
	// 调用Quote::net_price或者Bulk_quote::net_price
	double ret = item.net_price(n);
	os << "ISBN: " << item.isbn()
		<< " # sold: " << n << "total due: " << ret << endl;
	return ret;
}

对于上面的函数，由于其 item 形参是基类 Quote 的一个引用，所以我们既能使用 Quote 对象，也能使用 Bulk_quote 对象调用该函数；因为 print_total 使用引用类型调用 net_price ，所以实际传入 print_total 的对象类型将决定执行 net_price 的哪个版本。

在上述过程中，函数的运行版本由实参决定，即在运行时选择函数版本，所以动态绑定有时也称为运行时绑定。

15.2 定义基类和派生类（P527）

15.2.1 定义基类（P528）

我们首先完成 Quote 类的定义：

class Quote {
public:
	Quote() = default;
	Quote(string &book, double sales_price):
		bookNo(book), price(sales_price) { }
	string isbn() const { return bookNo; }
	virtual double net_price(size_t n) const 
		{ return n * price; }
	virtual ~Quote() = default;
private:
	string bookNo;     // 书籍的ISBN编号
protected:
	double price = 0.0;    // 书籍的原价
};

基类通常都应该定义一个虚析构函数，即使该函数不执行任何实际操作。

成员函数与继承

当我们使用引用或指针调用虚函数时，该调用将被动态绑定。除构造函数外的任何非静态成员函数都可以是虚函数，关键字 virtual 只能出现在类内部的声明语句之前。如果基类将一个函数声明成虚函数，则该函数在派生类中隐式地也是虚函数。

成员函数如果没有被声明成虚函数，则解析过程发生在编译时而非运行时。

访问控制和继承

派生类继承定义在基类中的成员，但派生类的成员函数不一定有权访问从基类继承而来的成员。有些时候，我们希望基类中的某些成员可以被派生类访问，而不能被其他用户访问，用 protected 访问说明符可以达到这个效果。

我们希望 Quote 的派生类定义各自的 net_price 函数，因此派生类需要访问 Quote 的 price 成员，所以我们将 price 定义成 protected 的。

15.2.2 定义派生类（P529）

class Bulk_quote :public Quote {
public:
	Bulk_quote() = default;
	Bulk_quote(const string &book, double p,
		size_t qty, double disc):
		Quote(book, p), min_qty(qty), discount(disc) { }
	double net_price(size_t n) const override;
private:
	size_t min_qty = 0;    // 适用折扣的最小购买量
	double discount = 0.0;    // 折扣额
};

double Bulk_quote::net_price(size_t n) const {
	if (n >= min_qty) {
		return n * (1 - discount) * price;
	}
	else {
		return n * price;
	}
}

Bulk_quote 从 Quote 继承了 isbn 函数和 bookNo 、price 等数据成员，还定义了自己版本 net_price ，同时增加了两个新的数据成员 min_qty 和 discount 。

我们可以将公有派生类型的对象绑定到基类的引用或指针上。

派生类中的虚函数

如果派生类没有覆盖基类中的虚函数，则派生类会直接继承其在基类中的版本。

派生类对象及派生类向基类的类型转换

一个派生类对象包含多个组成部分：一个含有派生类自己定义的（非静态）成员的子对象，以及一个与基类对应的子对象，如果有多个基类，则这样的子对象也有多个。C++ 标准没有规定派生类的对象在内存中如何分布，但我们这样认为：

因为派生类对象中含有基类的部分，所以我们可以把派生类的对当成基类对象来使用：

Quote item;
Bulk_quote bulk;
Quote *p = &item;
p = &bulk;
Quote &r = bulk;

这种转换称为**派生类向基类（derived-to-base）**的转换，编译器会隐式地执行这种转换。

派生类构造函数

尽管派生类对象中含有从基类继承而来的成员，但派生类并不能直接初始化这些成员，而是必须使用基类的构造函数来初始化它的基类部分。

每个类控制自己的成员初始化过程

Bulk_quote 的构造函数先执行 Quote 的构造函数，然后再初始化自己定义的 min_qty 和 discount 成员。

派生类使用基类的成员

继承与静态成员

如果基类定义了一个静态成员，则在整个继承体系中只存在该成员的唯一定义。假设某静态成员是可访问的，则我们既能通过基类使用它，也能通过派生类使用它：

void Derived::f(const Derived &derived_obj) {
	Base::statmem();    // 正确，Base定义了statmem
	Derived::statmem();    // 正确，Derived继承了statmem
	derived_obj.statmem();    // 通过Derived访问
	statmem();    // 通过this访问
}

派生类的声明

派生类的声明和其他类相同，声明中包含类名但不包含它的派生列表：

class Bulk_quote : public Quote;    // 错误，派生类列表不能出现在这里
class Bulk_quote;

被用作基类的类

如果我们想将某个类用作基类，则该类必须已经定义而非仅仅声明。

一个类可以同时基类和派生类：

class Base { /* ... */ };
class D1: public Base { /* ... */ };
class D2: public D1 { /* ... */ };

在这个继承关系中，Base 是 D1 的直接基类（direct base），同时是 D2 的间接基类（indirect base）。

防止继承的发生

有时我们会定义这样一种类，不希望其他类继承它。C++11 新标准提供了一种防止继承的方法，即在类名后面跟一个关键字 final ：

class NoDerived final { /* ... */ };    // NoDerived不能作为基类
class Bad : NoDerived { /* ... */ };    // 错误，NoDerived是final的

15.2.3 类型转换与继承（P534）

理解基类和派生类之间的类型转换是理解 C++ 语言面向对象编程的关键所在。

可以将积累的指针或引用绑定到派生类对象有一层极为重要的意义：当时使用基类的指针或引用时，实际上我们并不清楚这个指针或引用所绑定对象的真实类型。

静态类型和动态类型

当我们使用存在继承关系的类型时，必须将一个变量或表达式的静态类型（static type）和动态类型（dynamic type）区分开来。静态类型在编译时总是已知的，而动态类型直到运行时才可知。

例如，当 print_total 调用 net_price 时：

double ret = item.net_price(n);

item 的静态类型是 Quote& ，它的动态类型依赖于 item 绑定的实参。如果我们传递给 print_total 一个 Bulk_quote 对象，那么 item 的静态类型将与它的动态类型不一致。

不存在基类向派生类的隐式类型转换

不存在基类向派生类的自动类型转换：

Quote base;
Bulk_quote *bulkP = &base;    // 错误
Bulk_quote &bulkR = base;    // 错误

即使一个基类指针或引用绑定在一个派生类对象上，我们也不能执行从基类向派生类的转换：

Bulk_quote bulk;
Quote *itemP = &bulk;
Bulk_quote *bulkP = itemP;    // 错误

编译器只能通过检查指针或引用的静态类型来推断转换是否合法。如果基类中至少包含一个虚函数，我们可以使用 dynamic_cast 请求一个类型转换，该转换的安全性检查将在运行时执行：

Bulk_quote *bulkP = dynamic_cast<Bulk_quote*>(itemP);    // 正确

如果已知某个基类向派生类的转换是安全的，则我们可以使用 static_cast 来强制覆盖编译器的检查工作。

对象之间不存在类型转换

派生类向基类的自动类型转换只对指针或引用有效，在派生类类型和基类类型之间不存在这样的转换。

Bulk_quote bulk;
Quote item(bulk);    // 使用Quote::Quote(const Quote&)
item = bulk;    // 使用Quote::operator=(const Quote&)

当我们用一个派生类对象为一个基类对象初始化或赋值时，派生类对象中只有基类部分会被拷贝、移动、赋值，它的派生类部分会被忽略掉。

15.3 虚函数（P536）

我们知道，使用基类的引用或指针调用一个虚函数成员时，会执行动态绑定。由于我们直到运行时在确定到底调用哪个版本的虚函数，所以在调用前所有虚函数都必须有定义。

对虚函数的调用可能在运行时才被解析

需要强调的是，动态绑定只有当我们通过指针或引用调用虚函数才会发生。如果我们用一个普通对象调用虚函数，在编译时就会将调用的版本确定下来。

派生类中的虚函数

一旦某个函数被声明称虚函数，则在所有派生类中它都是虚函数。

一个派生类的函数如果覆盖了某个继承而来的虚函数，则它的形参类型必须与被它覆盖的基类函数完全一致。同样，派生类中虚函数的返回类型也必须与基类函数相同。该规则存在一个例外，当类的虚函数返回类型是类本身的指针或引用时，上述规则无效。

final和override说明符

如果派生类中定义了一个函数，该函数与基类中虚函数的名字相同但形参列表不同，这仍然是合法行为，编译器认为这个新函数与基类中的函数是相互独立的。在 C++11 新标准中，我们可以使用 override 关键字说明派生类中的虚函数，如果我们用 override 标记了某个函数，但该函数没有覆盖已存在的虚函数，此时编译器将报错：

class B {
	virtual void f1(int) const;
	virtual void f2();
	void f3();
};
class D1 : public B {
	void f1(int) const override;
	void f2(int) override;    // B没有形如f2(int)的虚函数
	void f3() override;    // f3不是虚函数
	void f4() override;    // B中没有名为f3的函数
};

我们还能把某个函数指定为 final ，一旦某个函数被标记为 final ，则任何覆盖该函数的行为都将引发错误：

class B {
	virtual void f1(int) const final;
};
class D1 : public B {
	void f1(int) const override;    // 无法覆盖final函数
};

override 和 final 都出现在形参列表、const 、引用修饰符、尾置返回类型之后。

虚函数与默认实参

虚函数也可以有默认实参，但在函数调用中，默认实参的值由静态类型决定。

如果虚函数使用默认实参，则基类和派生类中定义的默认实参最好一致。

回避虚函数的机制

在某些情况下，我们不希望对虚函数的调用进行动态绑定，而是强制执行某一特定版本。使用作用域运算符可以达成这一目的：

double undiscounted = baseP->Quote::net_price(42);

上面的调用将在编译时完成解析。

15.4 抽象基类（P540）

假设我们希望扩展前面书店程序的定义，令其支持多种打折策略。每种打折策略都需要一个购买量和一个折扣值，我们可以定义的一个新类 Disc_quote 来支持不同的折扣策略，表示特定打折策略的类将继承自 Disc_quote 并定义自己的 net_price 函数。

Disc_quote 类的 net_price 是没有任何意义的，所以直接继承 Quote 中的 net_price 即可。

由于 Disc_quote 不代表任何一种具体的打折策略，所以我们不希望用户创建 Disc_quote 类型的对象。

纯虚函数

我们可以将 Disc_quote 的 net_price 函数定义成纯虚（pure virtual）函数，明确告诉用户这个函数没有实际意义。和普通虚函数不同，纯虚函数无需定义，在函数体的位置书写 =0 就能将一个虚函数声明成纯虚函数，其中，=0 只能出现在类内部的虚函数声明处：

class Disc_quote :public Quote {
public:
	Disc_quote() = default;
	Disc_quote(const string &book, double price,
		size_t qty, double disc) :
		Quote(book, price), quantity(qty),
		discount(disc) { }
	double net_price(size_t) const = 0;
protected:
	size_t quantity = 0;    // 折扣适用的购买量
	double discount = 0.0;    // 表示折扣的小数值
};

我们也可以为纯虚函数提供定义，但函数体必须定义在类的外部。

含有纯虚函数的类是抽象基类

含有（或未经覆盖直接继承）纯虚函数的类是抽象基类（abstract base class）。抽象基类负责定义接口，后续的派生类可以覆盖该接口。

我们不能直接创建一个抽象基类的对象：

Disc_quote discounted;    // 错误

派生类构造函数值初始化它的直接基类

我们重新实现 Bulk_quote ：

class Bulk_quote :public Disc_quote {
public:
	Bulk_quote() = default;
	Bulk_quote(const string &book, double p,
		size_t qty, double disc):
			Disc_quote(book, p, qty, disc) { }
	double net_price(size_t n) const override;
};

这个版本的 Bulk_quote 的直接基类是 Disc_quote ，间接基类是 Quote 。