與其它的面向對象編程語言類似,在C++中,定義一個新的class即定義了一個新的類型。一個C++開發者的職業生涯的大多數時間都將用在“不斷豐富充實他們的類型系統”上。這意味著他不僅僅是一個class的設計者,更是一個類型的設計者。函數和運算符重載、內存的分配和釋放控制、對象初始化和終止定義——一切都由設計人員手工完成。我們知道,語言設計人員在設計內建數據類型時傾注了大量心血,而一個class設計人員也要花費同樣的精力。
能否設計出優秀的class對于設計人員來說是一項嚴峻的考驗,因為設計出好的數據類型本身就是一項艱巨的任務。優秀的類型擁有自然的語法、直觀的語義,并且還有一套或多套高效的實現。在C++中,如果定義class的工作做得一團糟,那么期望達到上面的目標就是天方夜譚。甚至class的成員函數的聲明方式也會影響到它的性能。
那么,如何把class設計得更高效呢?首先,你必須要了解你所面對的問題。幾乎所有的class設計都將面對下面的問題,它們的答案可以對設計起到一定的約束作用:
l 新類型的對象應如何創建和刪除?class中與之相關的函數包括:構造函數和析構函數,以及class中其它的內存分配和釋放函數(operator new、operator new[]、operator delete、operator delete[],參見第八章)。如果你自己手動編寫它們,這個問題的解決方式將會影響到這些函數。
l 對象初始化與對象賦值有怎樣的不同?這個問題的答案決定著構造函數與賦值運算符之間的區別。不要混淆初始化和賦值的概念,這一點很重要,因為二者所面對的函數調用類型是不同的。
l 新類型在通過傳值方式傳遞對象時意味著什么?請牢記,一個類型是通過拷貝構造函數來定義傳值操作的實現方式的。
l 新類型對合法數值有哪些限制?通常情況下,對于某個class的數據成員而言,只有一些特定的數值組合是合法的。這些組合決定了class應遵循哪些定律。而這些定律又決定了在數據成員中你應該進行哪些錯誤檢查,尤其是構造函數、賦值運算符、以及“設定”函數(即setter)。它們還會影響到函數會拋出什么樣的異常,同時在某些情況下還有可能影響到函數所拋出異常的細節。
l 新類型是否適用于繼承?如果新的class由現有的class繼承而來,那么新的class應遵循現有class(即父類)設計方案的限制。尤其是要確定父類的成員函數是否為虛函數(參見條目34和36)。如果期望讓其它的class可以繼承當前的class,就需要考慮當前class的成員函數是否應為虛函數,尤其是它的析構函數(參見條目7)。
l 新類型允許進行哪些類型轉換?新的類型存在于各式各樣的類型之間,那么是否應該提供新類型與其它類型的類型轉換功能呢?如果你期望讓T1的一個對象將類型隱式轉換為T2。可以通過在T1類中放置一個類型轉換函數(比如operator T2),或者在T2類中放置一個有單一參數的非explicit構造函數。如果你期望T1僅允許顯式類型轉換,就需要編寫函數來執行這一轉換,但是這一函數不應是類型轉換運算符,也不應是單一參數的非explicit構造函數。(條目15中有隱式/顯式轉換函數的示例。)
l 哪些運算符和函數對新類型是有意義的?這個問題的答案取決于你會為你的class聲明哪些函數。一些函數將成為成員函數,另一些則不是(參見條目23、24、46)。
l 應明確拒絕哪些標準函數?通過將它們聲明為private的可達到這一目的(參見條目6)。
l 誰可以訪問新類型中的數據成員?這一問題可以幫助我們確定哪些成員應為public的,哪些是protected的,以及哪些是private的。同時,也可以幫助我們確定哪些class和/或函數應該是友元,還有嵌套的class是否有意義。
l 新類型中有哪些“未聲明的接口”?如果你充分考慮了新類型中性能、異常安全(參見條目29)、資源使用(比如互斥鎖、動態內存)等問題,系統將許諾給你什么呢?我們說你在這些領域所作出的努力,將確保你的class的實現中相應的約束條件能夠得以嚴格實施。
l 新類型有多通用?可能你想做的并不僅僅是定義一個新類型。而是定義一族新類型。如果真是這樣,需要你定義的就不是一個新的class了,你需要定義一個新的類模板(class template)。
l 你真的需要一個新類型嗎?如果你創建新的派生類僅僅為了為現有的類添加新的功能,那么通過簡單地定義一個或多個非成員函數或者模板可能會更好的達到目標。
完整地回答以上的問題列表并不是一件簡單的事情,因此定義高效的class就是一項嚴峻的挑戰。然而,如果成功完成了這一挑戰,那么由用戶自定義的class生成的類型至少可以像內建數據類型一樣好用。一切都是值得的。
時刻牢記
l class設計就是類型的設計。在定義一個新的類型之前,要確保將本條目討論的所有問題考慮周全。