Парадокс этого совета в том, что он возвращает нас назад к ситуации, в которой все вызовы реализуются через динамическое связывание и требуют несколько большего времени выполнения. Иными словами, соглашения (1) и (2) языка С++, предназначенные для улучшения эффективности, в конце концов, если следовать правилу: "корректность прежде всего", срабатывают против этого!
Неудивительно, что эксперты по С++ не советуют использовать "чересчур много" объектной ориентированности. Уолтер Брайт (Walter Bright), автор одного из самых популярных компиляторов С++, пишет в [Bright 1995]:
| Хорошо известно, что чем больше С++ [механизмов] вы используете в некотором классе, тем медленнее его код. К счастью, есть несколько вещей, позволяющих склонить чашу весов в вашу пользу. Во-первых, не используйте без большой необходимости виртуальные функции [т. е. динамическое связывание], виртуальные базовые классы [отложенные классы], деструкторы и т.п. Другой источник разбухания - это множественное наследование [...]. Если у вас сложная иерархия классов с одной или двумя виртуальными функциями, то попробуйте устранить виртуальный аспект и, быть может, сделать то же самое, используя проверки и ветвления. |
Иными словами: не прибегайте к использованию ОО-методов. ( В том же тексте отстаивается и "группировка всех кодов инициализации" для локализации ссылки - приглашение нарушить элементарные принципы модульного проектирования, которые, как мы видели, предполагают, что каждый класс должен сам отвечать за все, связанное с его инициализацией.)
В этой лекции предложен другой подход: в первую очередь разработчик ОО-ПО должен быть уверен в том, что семантика вызова всегда будет правильной, а это гарантируется динамическим связыванием. Затем можно использовать достаточно изощренные методы компиляции, чтобы порождать статическое связывание или подстановку кода для тех вызовов, которые, как установлено на основе строгого алгоритмического анализа, не требуют динамического связывания.
Ключевые концепции
[x]. С помощью наследования можно определять новые классы как расширение, специализацию и комбинацию ранее определенных классов.
[x]. Класс, наследующий другому классу, называется его наследником, а исходный класс - его родителем. Распространенные на произвольное число уровней (включая ноль) эти понятия становятся понятиями потомка и предка.
[x]. Наследование является ключевым методом как для повторного использования, так и для расширяемости.
[x]. Плодотворное применение наследования требует переопределения (предоставления классу возможности переписать реализацию некоторых компонентов его собственного предка), полиморфизма (возможности связывать ссылку во время выполнения с экземплярами разных классов), динамического связывания (динамического выбора подходящего варианта переопределенного компонента), совместности типов (требования, чтобы всякая сущность могла присоединяться только к экземплярам типов-наследников).
[x]. С точки зрения модулей наследник расширяет набор служб, предоставляемых его родителями. В частности, это полезно для повторно использования.
[x]. С точки зрения типов отношение между наследником и его родителем - это отношение "является". Оно полезно как для повторного использования, так и для расширяемости.
[x]. Функцию без аргументов можно переопределить как атрибут, но не наоборот.
[x]. Методы наследования, в особенности, динамическое связывание, позволяют разрабатывать децентрализованную архитектуру, в которой каждый вариант операции определяется в том же модуле, где описан соответствующий вариант структуры данных.
[x]. Для типизированных языков динамическое связывание можно реализовать с малыми накладными расходами. Связанные с ним оптимизации, в частности, применяемое компилятором статическое связывание и подстановка кода, помогают ОО-программам достичь или превзойти эффективность выполнения традиционных программ.
[x]. Отложенные классы содержат один или более отложенный (не реализованный) компонент. Они описывают частичные реализации абстрактных типов данных.
[x]. Способность эффективных подпрограмм вызывать отложенные позволяет примирить с помощью "классов поведения" повторное использование с расширяемостью.
[x]. Отложенные классы являются основным средством, используемым ОО-методами на стадиях анализа и проектирования.
[x]. Утверждения, применяемые к отложенным компонентам, позволяют точно специфицировать отложенные классы.
[x]. Если семантики динамического и статического связывания различны, то всегда нужно выбирать динамическое связывание. Если же они действуют одинаково, то статическое связывание следует рассматривать как оптимизацию, которую лучше возложить на компилятор. Компилятор может проверить и безопасно применить как эту оптимизацию, так и оптимизацию, связанную с подстановкой кода подпрограммы в точках вызова.
Библиографические замечания
Понятия (единичного) наследования и динамического связывания были введены в языке Симула 67, на который можно найти ссылки в лекции 17 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования". Отложенные процедуры - это тоже изобретение Симулы (под другим именем (виртуальные процедуры) и при других соглашениях).
Отношение "является" изучалось, в основном, с точки зрения приложений искусственного интеллекта в [Brachman 1983].
Формальное изучение наследования и его семантики проведено в [Cardelli 1984].
Соглашение об использовании для переопределения двойного плюса пришло из системы обозначений Business Object Notation, предложенной Nerson'ом и Walden'ом (ссылки в лекции 9 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования").
Конструкция Precursor (аналогичная конструкции super в языке Smalltalk, но с важным отличием, разрешающим ее использовать только для переопределения процедур) является результатом неопубликованной совместной работы с Roger Browne, James McKim, Kim Walden и Steve Tynor.
Упражнения
У14.1 Многоугольники и прямоугольники
Дополните версии классов POLYGON и RECTANGLE, наброски которых приведены в начале лекции. Включите в них подходящие процедуры создания.
У14.2 Многоугольник с малым числом вершин
Инвариант класса POLYGON требует, чтобы у каждого многоугольника было, по крайней мере, три вершины; отметим, что функция perimeter не будет работать для пустого многоугольника. Измените определение этого класса так, чтобы он покрывал и случаи вырожденных многоугольников с числом вершин меньше трех.
У14.3 Геометрические объекты с двумя координатами
Опишите класс TWO_COORD, задающий объекты с двумя вещественными координатами, среди наследников которого были бы классы POINT (ТОЧКА), COMPLEX (КОМПЛЕКСНОЕ_ЧИСЛО) и VECTOR (ВЕКТОР). Будьте внимательны при помещении каждого компонента на подходящий для него уровень иерархии.
У14.4 Наследование без классов