Effective C++ 2e Item39

条款39: 避免 "向下转换" 继承层次

在当今喧嚣的经济时代，关注一下我们的金融机构是个不错的主意。所以，看看下面这个有关银行帐户的协议类(Protocol class )（参见条款34）：

class Person { ... };

class BankAccount {
public:
  BankAccount(const Person *primaryOwner,
              const Person *jointOwner);
  virtual ~BankAccount();

  virtual void makeDeposit(double amount) = 0;
  virtual void makeWithdrawal(double amount) = 0;

  virtual double balance() const = 0;

  ...

};

很多银行现在提供了多种令人眼花缭乱的帐户类型，但为简化起见，我们假设只有一种银行帐户，称为存款帐户：

class SavingsAccount: public BankAccount {
public:
  SavingsAccount(const Person *primaryOwner,
                 const Person *jointOwner);
  ~SavingsAccount();

  void creditInterest();                // 给帐户增加利息

  ...

};

这远远称不上是一个真正的存款帐户，但还是那句话，现在什么年代？至少，它满足我们现在的需要。

银行想为它所有的帐户维持一个列表，这可能是通过标准库（参见条款49）中的list类模板实现的。假设列表被叫做allAccounts：

list<BankAccount*> allAccounts;         // 银行中所有帐户

和所有的标准容器一样，list存储的是对象的拷贝，所以，为避免每个BankAccount存储多个拷贝，银行决定让allAccounts保存BankAccount的指针，而不是BankAccount本身。

假设现在准备写一段代码来遍历所有的帐户，为每个帐户计算利息。你会这么写：

// 不能通过编译的循环（如果你以前从没
// 见过使用 "迭代子" 的代码，参见下文）
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  (*p)->creditInterest();      // 错误!

}

但是，编译器很快就会让你认识到：allAccounts包含的指针指向的是BankAccount对象，而非SavingsAccount对象，所以每次循环，p指向的是一个BankAccount。这使得对creditInterest的调用无效，因为creditInterest只是为SavingsAccount对象声明的，而不是BankAccount。

如果"list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin()" 在你看来更象电话线中的噪音，而不是C++，那很显然，你以前无缘见识过C++标准库中的容器类模板。标准库中的这一部分通常被称为标准模板库（STL），你可以在条款49和M35初窥其概貌。但现在你只用知道，变量p工作起来就象一个指针，它将allAccounts中的元素从头到尾循环一遍。也就是说，p工作起来就好象它的类型是BankAccount**而列表中的元素都存储在一个数组中。

上面的循环不能通过编译很令人泄气。的确，allAccounts是被定义为保存BankAccount*，但要知道，上面的循环中它事实上保存的是SavingsAccount*，因为SavingsAccount是仅有的可以被实例话的类。愚蠢的编译器！对我们来说这么显然的事情它竟然笨得一无所知。所以你决定告诉它：allAccounts真的包含的是SavingsAccount*：

// 可以通过编译的循环，但很糟糕
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  static_cast<SavingsAccount*>(*p)->creditInterest();

}

一切问题迎刃而解！解决得很清晰，很漂亮，很简明，所做的仅仅是一个简单的转换而已。你知道allAccounts指针保存的是什么类型的指针，迟钝的编译器不知道，所以你通过一个转换来告诉它，还有比这更合理的事吗？

在此，我要拿圣经的故事做比喻。转换之于C++程序员，就象苹果之于夏娃。

这种类型的转换 ---- 从一个基类指针到一个派生类指针 ---- 被称为 "向下转换"，因为它向下转换了继承的层次结构。在刚看到的例子中，向下转换碰巧可以工作；但正如下面即将看到的，它将给今后的维护人员带来恶梦。

还是回到银行的话题上来。受到存款帐户业务大获成功的激励，银行决定再推出支票帐户业务。另外，假设支票帐户和存款帐户一样，也要负担利息：

class CheckingAccount: public BankAccount {
public:
  void creditInterest();    // 给帐户增加利息

  ...

};

不用说，allAccounts现在是一个包含存款和支票两种帐户指针的列表。于是，上面所写的计算利息的循环转瞬间有了大麻烦。

第一个问题是，虽然新增了一个CheckingAccount，但即使不去修改循环代码，编译还是可以继续通过。因为编译器只是简单地听信于你所告诉它们（通过static_cast）的一切：*p指向的是SavingsAccount*。谁叫你是它的主人呢？这会给今后维护带来第一个恶梦。维护期第二个恶梦在于，你一定想去解决这个问题，所以你会写出这样的代码：

for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  if (*p 指向一个 SavingsAccount)
    static_cast<SavingsAccount*>(*p)->creditInterest();
  else
    static_cast<CheckingAccount*>(*p)->creditInterest();

}

任何时候发现自己写出 "如果对象属于类型T1，做某事；但如果属于类型T2，做另外某事" 之类的代码，就要扇自己一个耳光。这不是C++的做法。是的，在C，Pascal，甚至Smalltalk中，它是很合理的做法，但在C++中不是。在C++中，要使用虚函数。

记得吗？对于一个虚函数，编译器可以根据所使用对象的类型来保证正确的函数调用。所以不要在代码中随处乱扔条件语句或开关语句；让编译器来为你效劳。如下所示：

class BankAccount { ... };      // 同上

// 一个新类，表示要支付利息的帐户
class InterestBearingAccount: public BankAccount {
public:
  virtual void creditInterest() = 0;

  ...

};

class SavingsAccount: public InterestBearingAccount {

  ...                           // 同上

};

class CheckingAccount: public InterestBearingAccount {

  ...                           // as above

};

用图形表示如下：

                         BankAccount
                                  ^
                                 
                 InterestBearingAccount
                                 /
                                / 
                               /   
     CheckingAccount   SavingsAccount

因为存款和支票账户都要支付利息，所以很自然地想到把这一共同行为转移到一个公共的基类中。但是，如果假设不是所有的银行帐户都需要支付利息（以我的经验，这当然是个合理的假设），就不能把它转移到BankAccount类中。所以，要为BankAccount引入一个新的子类InterestBearingAccount，并使SavingsAccoun和CheckingAccount从它继承。

存款和支票账户都要支付利息的事实是通过InterestBearingAccount的纯虚函数creditInterest来体现的，它要在子类SavingsAccount和CheckingAccount中重新定义。

有了新的类层次结构，就可以这样来重写循环代码：

// 好一些，但还不完美
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  static_cast<InterestBearingAccount*>(*p)->creditInterest();

}

尽管这个循环还是包含一个讨厌的转换，但代码已经比过去健壮多了，因为即使又增加InterestBearingAccount新的子类到程序中，它还是可以继续工作。

为了完全消除转换，就必须对设计做一些改变。一种方法是限制帐户列表的类型。如果能得到一列InterestBearingAccount对象而不是BankAccount对象，那就太好了：

// 银行中所有要支付利息的帐户
list<InterestBearingAccount*> allIBAccounts;

// 可以通过编译且现在将来都可以工作的循环
for (list<InterestBearingAccount*>::iterator p =
        allIBAccounts.begin();
     p != allIBAccounts.end();
     ++p) {

  (*p)->creditInterest();

}

如果不想用上面这种 "采用更特定的列表" 的方法，那就让creditInterest操作使用于所有的银行帐户，但对于不用支付利息的帐户来说，它只是一个空操作。这个方法可以这样来表示：

class BankAccount {
public:
  virtual void creditInterest() {}

  ...

};

class SavingsAccount: public BankAccount { ... };
class CheckingAccount: public BankAccount { ... };
list<BankAccount*> allAccounts;
// 看啊，没有转换!
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  (*p)->creditInterest();

}

要注意的是，虚函数BankAccount::creditInterest提供一个了空的缺省实现。这可以很方便地表示，它的行为在缺省情况下是一个空操作；但这也会给它本身带来难以预见的问题。想知道内幕，以及如何消除这一危险，请参考条款36。还要注意的是，creditInterest是一个（隐式的）内联函数，这本身没什么问题；但因为它同时又是一个虚函数，内联指令就有可能被忽略。条款33解释了为什么。

正如上面已经看到的，"向下转换" 可以通过几种方法来消除。最好的方法是将这种转换用虚函数调用来代替，同时，它可能对有些类不适用，所以要使这些类的每个虚函数成为一个空操作。第二个方法是加强类型约束，使得指针的声明类型和你所知道的真的指针类型之间没有出入。为了消除向下转换，无论费多大工夫都是值得的，因为向下转换难看、容易导致错误，而且使得代码难于理解、升级和维护（参见条款M32）。

至此，我所说的都是事实；但，不是全部事实。有些情况下，真的不得不执行向下转换。

例如，假设还是面临本条款开始的那种情况，即，allAccounts保存BankAccount指针，creditInterest只是为SavingsAccount对象定义，要写一个循环来为每个帐户计算利息。进一步假设，你不能改动这些类；你不能改变BankAccount，SavingsAccount或allAccounts的定义。（如果它们在某个只读的库中定义，就会出现这种情况）如果是这样的话，你就只有使用向下转换了，无论你认为这个办法有多丑陋。

尽管如此，还是有比上面那种原始转换更好的办法。这种方法称为 "安全的向下转换"，它通过C++的dynamic_cast运算符（参见条款M2）来实现。当对一个指针使用dynamic_cast时，先尝试转换，如果成功（即，指针的动态类型(见条款38)和正被转换的类型一致），就返回新类型的合法指针；如果dynamic_cast失败，返回空指针。

下面就是加上了 "安全向下转换" 的例子：

class BankAccount { ... };          // 和本条款开始时一样

class SavingsAccount:               // 同上
  public BankAccount { ... };

class CheckingAccount:              // 同上
  public BankAccount { ... };

list<BankAccount*> allAccounts;     // 看起来应该熟悉些了吧...

void error(const string& msg);      // 出错处理函数;
                                    // 见下文

// 嗯，至少转换很安全
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  // 尝试将*p安全转换为SavingsAccount*；
  // psa的定义信息见下文
  if (SavingsAccount *psa =
        dynamic_cast<SavingsAccount*>(*p)) {
    psa->creditInterest();
  }

  // 尝试将它安全转换为CheckingAccount
  else if (CheckingAccount *pca =
             dynamic_cast<CheckingAccount*>(*p)) {
    pca->creditInterest();
  }

  // 未知的帐户类型
  else {
    error("Unknown account type!");
  }
}

这种方法远不够理想，但至少可以检测到转换失败，而用dynamic_cast是无法做到的。但要注意，对所有转换都失败的情况也要检查。这正是上面代码中最后一个else语句的用意所在。采用虚函数，就不必进行这样的检查，因为每个虚函数调用必然都会被解析为某个函数。然而，一旦打算进行转换，这一切好处都化为乌有。例如，如果某个人在类层次结构中增加了一种新类型的帐户，但又忘了更新上面的代码，所有对它的转换就会失败。所以，处理这种可能发生的情况十分重要。大部分情况下，并非所有的转换都会失败；但是，一旦允许转换，再好的程序员也会碰上麻烦。

上面if语句的条件部分，有些看上去象变量定义的东西，看到它你是不是慌张地擦了擦眼镜？如果真这样，别担心，你没看错。这种定义变量的方法是和dynamic_cast同时增加到C++语言中的。这一特性使得写出的代码更简洁，因为对psa或pca来说，它们只有在被dynamic_cast成功初始化的情况下，才会真正被用到；使用新的语法，就不必在（包含转换的）条件语句外定义这些变量。（条款32解释了为什么通常要避免多余的变量定义）如果编译器尚不支持这种定义变量的新方法，可以按老方法来做：

for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
     p != allAccounts.end();
     ++p) {

  SavingsAccount *psa;        // 传统定义
  CheckingAccount *pca;       // 传统定义

  if (psa = dynamic_cast<SavingsAccount*>(*p)) {
    psa->creditInterest();
  }

  else if (pca = dynamic_cast<CheckingAccount*>(*p)) {
    pca->creditInterest();
  }

  else {
    error("Unknown account type!");
  }
}

当然，从处理事情的重要性来说，把psa和pca这样的变量放在哪儿定义并不十分重要。重要之处在于：用if-then-else风格的编程来进行向下转换比用虚函数要逊色得多，应该将这种方法保留到万不得已的情况下使用。运气好的话，你的程序世界里将永远看不到这样悲惨荒凉的景象。