Управляющие классы
Концепция абстрактного класса дает эффективное средство для разделения интерфейса и его реализации. Мы применяли эту концепцию и получали постоянную связь между интерфейсом, заданным абстрактным типом, и реализацией, представленной конкретным типом. Так, невозможно переключить абстрактный итератор с одного класса-источника на другой, например, если исчерпано множество (класс set), невозможно перейти на потоки.
Далее, пока мы работаем с объектами абстрактного типа с помощью указателей или ссылок, теряются все преимущества виртуальных функций. Программа пользователя начинает зависеть от конкретных классов реализации. Действительно, не зная размера объекта, даже при абстрактном типе нельзя разместить объект в стеке, передать как параметр по значению или разместить как статический. Если работа с объектами организована через указатели или ссылки, то задача распределения памяти перекладывается на пользователя (§13.10).
Существует и другое ограничение, связанное с использованием абстрактных типов. Объект такого класса всегда имеет определенный размер, но классы, отражающие реальное понятие, могут требовать память разных размеров.
Есть распространенный прием преодоления этих трудностей, а именно, разбить отдельный объект на две части: управляющую, которая определяет интерфейс объекта, и содержательную, в которой находятся все или большая часть атрибутов объекта. Связь между двумя частями реализуется с помощью указателя в управляющей части на содержательную часть. Обычно в управляющей части кроме указателя есть и другие данные, но их немного. Суть в том, что состав управляющей части не меняется при изменении содержательной части, и она настолько мала, что можно свободно работать с самими объектами, а не с указателями или ссылками на них.
управляющая часть содержательная часть
Простым примером управляющего класса может служить класс string из §7.6. В нем содержится интерфейс, контроль доступа и управление памятью для содержательной части. В этом примере управляющая и содержательная части представлены конкретными типами, но чаще содержательная часть представляется абстрактным классом.
Теперь вернемся к абстрактному типу set из §13.3. Как можно определить управляющий класс для этого типа, и какие это даст плюсы и минусы? Для данного класса set можно определить управляющий класс просто перегрузкой операции ->:
class set_handle { set* rep; public: set* operator->() { return rep; }
set_handler(set* pp) : rep(pp) { } };
Это не слишком влияет на работу с множествами, просто передаются объекты типа set_handle вместо объектов типа set& или set*, например:
void my(set_handle s) { for (T* p = s->first(); p; p = s->next()) { // ... } // ... }
void your(set_handle s) { for (T* p = s->first(); p; p = s->next()) { // ... } // ... }
void user() { set_handle sl(new slist_set); set_handle v(new vector_set v(100));
my(sl); your(v);
my(v); your(sl); }
Если классы set и set_handle разрабатывались совместно,легко реализовать подсчет числа создаваемых множеств:
class set { friend class set_handle; protected: int handle_count; public: virtual void insert(T*) = 0; virtual void remove(T*) = 0;
virtual int is_member(T*) = 0;
virtual T* first() = 0; virtual T* next() = 0;
set() : handle_count(0) { } };
Чтобы подсчитать число объектов данного типа set, в управляющем классе нужно увеличивать или уменьшать значение счетчика set_handle:
class set_handle { set* rep; public: set* operator->() { return rep; }
set_handle(set* pp) : rep(pp) { pp->handle_count++; } set_handle(const set_handle& r) : rep(r.rep) { rep->handle_count++; }
set_handle& operator=(const set_handle& r) { rep->handle_count++; if (--rep->handle_count == 0) delete rep; rep = r.rep; return *this; }
~set_handle() { if (--rep->handle_count == 0) delete rep; } };
Если все обращения к классу set обязательно идут через set_handle, пользователь может не беспокоиться о распределении памяти под объекты типа set.
На практике иногда приходится извлекать указатель на содержательную часть из управляющего класса и пользоваться непосредственно им. Можно, например, передать такой указатель функции, которая ничего не знает об управляющем классе. Если функция не уничтожает объект, на который она получила указатель, и если она не сохраняет указатель для дальнейшего использования после возврата, никаких ошибок быть не должно. Может оказаться полезным переключение управляющего класса на другую содержательную часть:
class set_handle { set* rep; public: // ...
set* get_rep() { return rep; }
void bind(set* pp) { pp->handle_count++; if (--rep->handle_count == 0) delete rep; rep = pp; } };
Создание новых производных от set_handle классов обычно не имеет особого смысла, поскольку это - конкретный тип без виртуальных функций. Другое дело - построить управляющий класс для семейства классов, определяемых одним базовым. Полезным приемом будет создание производных от такого управляющего класса. Этот прием можно применять как для узловых классов, так и для абстрактных типов.
Естественно задавать управляющий класс как шаблон типа:
template<class T> class handle { T* rep; public: T* operator->() { return rep; } // ... };
Но при таком подходе требуется взаимодействие между управляющим и "управляемым" классами. Если управляющий и управляемые классы разрабатываются совместно, например, в процессе создания библиотеки, то это может быть допустимо. Однако, существуют и другие решения (§13.10).
За счет перегрузки операции -> управляющий класс получает возможность контроля и выполнения каких-то операций при каждом обращении к объекту. Например, можно вести подсчет частоты использования объектов через управляющий класс:
template<class T> class Xhandle { T* rep; int count; public: T* operator->() { count++; return rep; }
// ... };
Нужна более сложная техника, если требуется выполнять операции как перед, так и после обращения к объекту. Например, может потребоваться множество с блокировкой при выполнении операций добавления к множеству и удаления из него. Здесь, по сути, в управляющем классе приходится дублировать интерфейс с объектами содержательной части:
class set_controller { set* rep; // ... public:
lock(); unlock();
virtual void insert(T* p) { lock(); rep->insert(p); unlock(); } virtual void remove(T* p) { lock(); rep->remove(p); unlock(); }
virtual int is_member(T* p) { return rep->is_member(p); }
virtual T* first() { return rep->first(); } virtual T* next() { return rep->next(); }
// ... };
Писать функции- переходники для всего интерфейса утомительно (а значит могут появляться ошибки), но не трудно и это не ухудшает характеристик программы.
Заметим, что не все функции из set следует блокировать. Как показывает опыт автора, типичный случай, когда операции до и после обращения к объекту надо выполнять не для всех, а только для некоторых функций-членов. Блокировка всех операций, как это делается в мониторах некоторых операционных систем, является избыточной и может существенно ухудшить параллельный режим выполнения.
Переопределив все функции интерфейса в управляющем классе, мы получили по сравнению с приемом перегрузки операции ->, то преимущество, что теперь можно строить производные от set_controller классы. К сожалению, мы можем потерять и некоторые достоинства управляющего класса, если к производным классам будут добавляться члены, представляющие данные. Можно сказать, что программный объем, который разделяется между управляемыми классами уменьшается по мере роста программного объема управляющего класса.
