了解C++的封裝、繼承和多態(tài)

近期重新看了一下C++，一是感覺(jué)清晰了許多，二是覺(jué)得若是換個(gè)角度看的話，會(huì)有不一樣的體會(huì)，并且也容易記住C++中的一些特性。本文就試圖將集合論中的相關(guān)知識(shí)引入到C++的封裝、繼承、多態(tài)上，讓我們對(duì)它有個(gè)新的認(rèn)識(shí)。

一、封裝

C語(yǔ)言中，代碼之間的關(guān)系都是函數(shù)式的調(diào)用。這里面牽扯到對(duì)數(shù)據(jù)的操作，若操作的都是局部變量，那一切都太平了。但若是幾個(gè)函數(shù)操作同一個(gè)非局部變量，考慮到模塊化，那么就要將變量和操作變量的函數(shù)整合在一起，這就是C++中的封裝。

C++里面引入了class的概念，目的是封裝數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)上的操作，使其成為一個(gè)獨(dú)立的模塊。若是將這個(gè)獨(dú)立的模塊（代碼和數(shù)據(jù)）想象成集合，那個(gè)class A的集合為：

此時(shí)若再引入一個(gè)class B，則有下面四種可能性，情況三、四實(shí)際上類似。

情況一，只需要封裝就足夠了。處理情況二、三、四時(shí)，為了考慮代碼共享，需要引入繼承機(jī)制。

二、繼承

我們先考慮情況二，由于A和B有公共代碼（成員函數(shù)或者是成員變量），故通?？紤]將公共的部分定義為class C，然后由A、B去繼承它。

對(duì)于情況三、四，我們不需要演變，直接讓A繼承B，或者B繼承A即可。

若此時(shí)引入class D，那么情況就會(huì)復(fù)雜很多。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以情況二為擴(kuò)展，考慮添加class D后的某一種。后續(xù)你會(huì)發(fā)現(xiàn)，情況三、四類似。

此時(shí)，最合理的方式是引入四個(gè)類，class E， class F， class G， class H。E為基類，F(xiàn)、G、H為一級(jí)子類、A、B、D為二級(jí)子類。

但是，這種解決方案有問(wèn)題：

1.若是再添加class I，class J，那復(fù)雜度就可想而知了。

2.雖然代碼冗余是消除了，但是引入了四個(gè)類，也著實(shí)有點(diǎn)多，更嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致“類泛濫”。

為了能統(tǒng)一解決添加的類D，我們將圖四拆分成D和A，以及D和B的關(guān)系。這樣就轉(zhuǎn)化為圖2中的一種：情況二。

圖6中，class H表示D和A的公共部分，class G表示D和B的公共部分。此種解法雖然有代碼冗余，但簡(jiǎn)單了許多，事實(shí)上，我們很多時(shí)候處理類，就是這么處理的。

在這種情況下，若是添加class I，class J，都可以轉(zhuǎn)化為新添加類和已有類之間的單獨(dú)關(guān)系，即圖2中的四種情況。

同時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)，我們無(wú)法在類的繼承結(jié)構(gòu)中完全消除代碼冗余，原因是多個(gè)類的情況下，實(shí)在是比較復(fù)雜。

當(dāng)我們?cè)谑褂眠@些包含繼承結(jié)構(gòu)的類的時(shí)候，考慮圖2的情況三，若B繼承自A，那么實(shí)際上B也可以當(dāng)A用的，這很好理解，本來(lái)A就是B的一部分。但若是想讓A代表B呢（實(shí)際上就是B對(duì)象，只是用的時(shí)候當(dāng)A用），為了完美解決這個(gè)問(wèn)題，就要引入多態(tài)了。

三、多態(tài)

由前面的分析可知，類之間的關(guān)系都可以簡(jiǎn)化為圖2的情況。圖2的情況三中，A當(dāng)B用（實(shí)際上只有B對(duì)象）又分為以下三種情況。第三種情況有點(diǎn)別扭，可能是需求決定的吧。

1.使用B中的A部分。直接使用A操作即可。

2.使用B中的非A部分。需要將A轉(zhuǎn)化為B才可使用。

3.B覆蓋定義A的公共接口或者成員變量。當(dāng)B作為A使用的時(shí)候，A中的公共接口或者成員變量是在非A中的，實(shí)現(xiàn)這一機(jī)制的就是多態(tài)。

C++中，基類定義虛函數(shù)，子類可以重新實(shí)現(xiàn)它，以實(shí)現(xiàn)多態(tài)。令人奇怪的是，沒(méi)有虛成員變量的概念，我覺(jué)得可能有以下幾個(gè)原因：

1.沒(méi)必要提供虛成員變量。父類的成員變量屬于存儲(chǔ)空間，可以直接用。不像函數(shù)，屬于代碼無(wú)法直接替換。

2.可能編譯器要實(shí)現(xiàn)這個(gè)會(huì)比較復(fù)雜吧。

3.封裝的概念是少暴露成員變量，只暴露接口。因此，好的類的設(shè)計(jì)是沒(méi)有公共的成員變量的，也就不存在虛成員變量一說(shuō)了。但是，從完整性的角度而言，應(yīng)該提供虛成員變量的。