C++单类定义多接口

Posted on 2018-03-06

~~Edit~~

最近做ThoughtWorks的面试题，第一遍用最简单的方法实现了，面试官说没有OO设计，于是乎想炫一波OO设计，结果才发现，原来C++还差的很远。先来说说这个多接口的坑。还会有另外的笔记阐述：

运算符重载与拷贝构造函数
菱形继承
函数中的按引用调用与返回
以后想到再加

C++中的接口

接口是面向对象很重要的概念。按照《敏捷软件开发-原则、模式与实践》一书所述，所有软件高层不应依赖于低层，而应依赖于抽象出的接口。这就是依赖倒置原则(DIP)。Java中的接口用interface定义，C++中没有提供专门的关键字。而是用纯虚函数来表示接口。形如：

class interface
{
public:
    virtual void func() = 0;
}

接口是不能实例化的，因为包含了纯虚函数。

单类定义多接口

在Java中很容易做到，只需class A implement IA, IB{}即可。在C++中可否这么做呢？很容易就想到C++中的多继承，如下：

class IA {
public:
    virtual void funcA() = 0;
}
class IB {
public:
    virtual void funcB() = 0;
}
class C : public IA, public IB {
    void funcA();
    void funcB();
}

按照最初的设想，我希望能够：

C* c = new C();
IA* pA = (IA*)c;
IB* pB = (IB*)pA;
pA->funcA(); // 调用A函数
pB->funcB(); // 调用B函数

但我发现，现实与理想差得很远。pB->funcB()调用的其实也是funcA()。原因与多继承内存分布与类型转换有关。
在发生多继承时，一个C对象中内存分布如下，盗用陈浩的博客C++ 对象的内存布局中的图：

Base1* pA = (Base1*)derive;
Base2* pB = (Base2*)derive;

当发生向上类型转换时，编译器均能很好的工作，不用依赖于各种强制转换，也可以识别到正确的函数。但是如果发生非正常的类型转换时，就会遇到问题。例如前文所述的将Base1型指针直接转型到Base2就会出问题。可参考这一篇博文：当C++多继承遇上类型转换。文中提到了三个解决方案，我尝试了前两个，分别用static_cast和dynamic_cast均不能解决。奇怪的是，dynamic_cast的解决方案看起来在网上确是颇有一些支持者，看下面的链接：

在我自己的code中，dynamic_cast之后的结果是虽然没有抛出bad cast异常，但是转换的结构是NULL。

解决方案

上面提到的方案，都不成功，但最终我还是找到了能解决的办法，尽管看起来不像想象中优雅。

方案一：采用菱形继承

根据查阅的各种网站资料，这样的继承会增加内存布局，以及调用的复杂度。但确实能解决上面多接口转型的问题。具体代码如下：

class IBase
class IA : virtual public IBase {}
class IB : virtual public IBase {}
class C : public IA, public IB {}
IA* pA = new C();
IBase* base = (IBase*)pA;
IB* pB = dynamic_cast<IB*>(base);

这样的做法，让人如鲠在喉，一个简单的调用，搞的这么复杂。转来转去，可读性极差，而且dynamic_cast还有性能问题。
而且这里还会遇到source type is not polymorphic的问题，解决方法使添加虚析构函数。

class IBase {
    virtual ~IBase(){};
}
class IA : virtual public IBase {}
class IB : virtual public IBase {}
class C : public IA, public IB {}
IA* pA = new C();
IBase* base = (IBase*)pA;
IB* pB = dynamic_cast<IB*>(base);

方案二：采用单接口

这一方案，是受了下面的链接的启发：Implementing multiple interfaces in a single C++ class

As you found out, you cannot implement two interfaces with one single C++ class directly. However, you could simply define a new Slice interface derived from the two other Slice interfaces, and then implement this new Slice interface with a single C++ class.

作者说C++中直接定义多接口并不是一个好的实现，定义一个虚接口类来继承两个虚接口，实现类直接继承自这个虚类。代码如下:

class IA {}
class IB {}
class IAB : public IA, public IB {}
class C : public IAB {}

这样转型起来就方便多了

C* c = new C();
IA* pA = (IA*)c;
IB* pB = (IB*)pA; // 仍会出错，不能直接转
IB* pB2 = (IB*)(IAB*)pA; // 可以工作

但其实上层的代码，应该依赖于IAB，而不应该也不能够只依赖于IA, IB，而对IAB一无所知。

总结

在设计接口的时候，不要指望用多继承来模仿Java里的多接口定义。
尽量避免在多继承的时候，需要在没有继承关系(IA & IB)之间进行指针转型。虽然菱形继承+dynamic_cast可以做到，但是可读性和性能会下降。
可以用方案二中的方法来实现近似的多接口定义。这是一个相对简介有效的方法。