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C++程序的设计机制1:NVI机制

在C++的程序设计中有一些设计开发的典型机制需要整理讨论,在此抛砖引玉,为自己做积累,请高人也多多指教。

1.简介

在标准C++库中我们可以看到这样的一个现象:

6个公有虚函数,并且都是std::exception::what()和其重载。

142个非公有虚函数。

这样设计的目的何在呢,为什么“多此一举”的把虚函数设置为非公有呢?

这就是NVI机制要求的:将虚函数声明为非公有,而将公有函数都声明为非虚——虚拟和公有选其一。

2.机制分析

程序员常常将基类中的虚函数公有化,来提供一个接口的定义(virtual的功劳)同时提供其实现(具体的一个实现)。

  1: class Base{
  2: public:
  3:     virtual void Foo(int){
  4:         cout<< "Bases Foo!" << endl;
  5:     };
  6: };问题就出在“同时”——一个定义了接口的形式,一个定义了默认的一个实现,显然这样的设计没有将接口定义和实现分来。在这个时候,我们可以使用模板方法模式的思想:

  1: class Base{
  2: public:
  3:     void Foo(){
  4:         DoFoo1();
  5:         DoFoo2();
  6:     }//use DoFooX()
  7: private:
  8:     virtual void DoFoo1(){
  9:         cout << "Bases DoFoo1" <<endl;
 10:     }
 11:     virtual void DoFoo2(){
 12:         cout << "Bases DoFoo2" <<endl;
 13:     }
 14: };
 15:
 16: class Derived: public Base{
 17: private:
 18:     virtual void DoFoo1(){
 19:         cout << "Deriveds DoFoo1" << endl;
 20:     };
 21: };函数Foo定义了接口的形式,而DoFooX()函数则实现了对Foo函数的行为定制,实现了接口定义和实现的分离,我们举一个例子来说明好处:如果我们希望在Foo中做一下CS(Critical Section)的加锁解锁控制:

若我们完成这样的接口与实现分离,那么我们的实现是在基类的接口处添加所需流程即可,子类不需要修改:

  1: class Base{
  2: public:
  3:     void Foo(){
  4:         cout << "Locking" << endl;
  5:         DoFoo1();
  6:         DoFoo2();
  7:         cout << "Unlocking" << endl;
  8:     }//use DoFooX()
  9: private:
 10:     virtual void DoFoo1(){
 11:         cout << "Bases DoFoo1" <<endl;
 12:     }
 13:     virtual void DoFoo2(){
 14:         cout << "Bases DoFoo2" <<endl;
 15:     }
 16:
 17: };
 18:
 19: class Derived: public Base{
 20: private:
 21:     virtual void DoFoo1(){
 22:         cout << "Deriveds DoFoo1" << endl;
 23:     };
 24: };若不实现接口与实现分离,则从基类到子类都需要修改:

  1: class Base{
  2: public:
  3:     virtual void Foo(){
  4:         cout << "Locking" << endl;
  5:         cout << "Bases Foo" << endl;
  6:         cout << "Unlocking" << endl;
  7:     }
  8: };
  9:
 10: class Derived: public Base{
 11: public:
 12:     virtual void Foo(){
 13:         cout << "Locking" << endl;
 14:         cout << "Deriveds Foo" << endl;
 15:         cout << "Unlocking" << endl;
 16:     };
 17: };注意,当且仅当子类需要调用基类的虚函数时才将虚函数设置为protected(否则没有权限),并且NVI机制不适用于析构函数,对于析构函数,如果设为公有则应该设置为虚拟(在允许多态删除的基类中),否则设置为私有或者protected的非虚拟形式(不含多态删除的基类中)。

带来的风险:

首先是FBC问题(Fragile Base Class ),下边是一个例子:

  1: class Set {
  2:     std::set<int> s_;
  3:   public:
  4:     void add (int i) {
  5:       s_.insert (i);
  6:       add_impl (i); // Note virtual call.
  7:     }
  8:     void addAll (int * begin, int * end) {
  9:       s_.insert (begin, end);   //  --------- (1)
 10:       addAll_impl (begin, end); // Note virtual call.
 11:     }
 12:   private:
 13:     virtual void add_impl (int i) = 0;
 14:     virtual void addAll_impl (int * begin, int * end) = 0;
 15: };
 16: class CountingSet : public Set {
 17:   private:
 18:     int count_;
 19:     virtual void add_impl (int i) {
 20:       count_++;
 21:     }
 22:     virtual void addAll_impl (int * begin, int * end) {
 23:       count_ += std::distance(begin,end);
 24:     }
 25: };如果此时我们在父类中修改了addAll函数,改为将从begin到end的数字都调用一遍add函数,那么,子类的功能就紊乱了——子类计数就会多记录一倍(因为在子类中,add_impl每次都会计数一个,并且addAll_impl也会整体计数一次)。所以,为了防止出现FBC,一般一个公有非虚函数调用一个私有虚函数。

其次是性能上的考虑,毕竟多了一层函数调用。对此,参考文献2指出:“a word about efficiency: No, none is lost in practice because if the public function is a one-line passthrough declared inline, all compilers I know of will optimize it away entirely, leaving no overhead. (Indeed, some compilers will always make such a function inline and eliminate it, whether you personally really wanted it to or not, but that’s another story.)”

3.总结

将NVI机制放在脑子中吧,如果你还是不明白,一个故事化的讲述或许更加合适你。

1. 《Effective C++》Item 35 Consider Alternatives To Virtual Functions

2.http://www.gotw.ca/publications/mill18.htm

3.http://www.parashift.com/c++-faq-lite/strange-inheritance.html#faq-23.3

4.http://www.parashift.com/c++-faq-lite/strange-inheritance.html#faq-23.4

5.http://en.wikibooks.org/wiki/More_C%2B%2B_Idioms/Non-Virtual_Inte易做图ce

 

补充:软件开发 , C++ ,
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