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More Effective C++:不使用多態性數組

編輯:關於C++

類繼承的最重要的特性是你可以通過基類指針或引用來操作派生類。這樣的指針或引用具有行為的多態性,就好像它們同時具有多種形態。C++允許你通過基類指針和引用來操作派生類數組。不過這根本就不是一個特性,因為這樣的代碼根本無法如你所願地那樣運行。

假設你有一個類BST(比如是搜索樹對象)和繼承自BST類的派生類BalancedBST:

class BST { ... };
class BalancedBST: public BST { ... };

在一個真實的程序裡,這樣的類應該是模板類,但是在這個例子裡並不重要,加上模板只會使得代碼更難閱讀。為了便於討論,我們假設BST和BalancedBST只包含int類型數據。

有這樣一個函數,它能打印出BST類數組中每一個BST對象的內容:

void printBSTArray(ostream& s,
const BST array[],
int numElements)
{
 for (int i = 0; i < numElements; ) {
  s << array[i]; //假設BST類
 } //重載了操作符<<
}

當你傳遞給該函數一個含有BST對象的數組變量時,它能夠正常運行:

BST BSTArray[10];
...
printBSTArray(cout, BSTArray, 10); // 運行正常

然而,請考慮一下,當你把含有BalancedBST對象的數組變量傳遞給printBSTArray函數時,會產生什麼樣的後果:

BalancedBST bBSTArray[10];
...
printBSTArray(cout, bBSTArray, 10); // 還會運行正常麼?

你的編譯器將會毫無警告地編譯這個函數,但是再看一下這個函數的循環代碼:

for (int i = 0; i < numElements; ) {
 s << array[i];
}

這裡的array[I]只是一個指針算法的縮寫:它所代表的是*(array)。我們知道array是一個指向數組起始地址的指針,但是array中各元素內存地址與數組的起始地址的間隔究竟有多大呢?它們的間隔是i*sizeof(一個在數組裡的對象),因為在array數組[0]到[I]間有I個對象。編譯器為了建立正確遍歷數組的執行代碼,它必須能夠確定數組中對象的大小,這對編譯器來說是很容易做到的。參數array被聲明為BST類型,所以array數組中每一個元素都是BST類型,因此每個元素與數組起始地址的間隔是be i*sizeof(BST)。

至少你的編譯器是這麼認為的。但是如果你把一個含有BalancedBST對象的數組變量傳遞給printBSTArray函數,你的編譯器就會犯錯誤。在這種情況下,編譯器原先已經假設數組中元素與BST對象的大小一致,但是現在數組中每一個對象大小卻與BalancedBST一致。派生類的長度通常都比基類要長。我們料想BalancedBST對象長度的比BST長。如果如此的話,printBSTArray函數生成的指針算法將是錯誤的,沒有人知道如果用BalancedBST數組來執行printBSTArray函數將會發生什麼樣的後果。不論是什麼後果都是令人不愉快的。

如果你試圖刪除一個含有派生類對象的數組,將會發生各種各樣的問題。以下是一種你可能的不正確的做法。

//刪除一個數組, 但是首先記錄一個刪除信息
void deleteArray(ostream& logStream, BST array[])
{
 logStream << "Deleting array at address "
 << static_cast(array) << '
';
 delete [] array;
}
BalancedBST *balTreeArray = // 建立一個BalancedBST對象數組
new BalancedBST[50];
...
deleteArray(cout, balTreeArray); // 記錄這個刪除操作

這裡面也掩藏著你看不到的指針算法。當一個數組被刪除時,每一個數組元素的析構函數也會被調用。當編譯器遇到這樣的代碼:

delete [] array;

它肯定象這樣生成代碼:

// 以與構造順序相反的順序來
// 解構array數組裡的對象
for ( int i = 數組元素的個數 1; i >= 0;--i)
{
 array[i].BST::~BST(); // 調用 array[i]的
} // 析構函數

因為你所編寫的循環語句根本不能正運行,所以當編譯成可執行代碼後,也不可能正常運行。語言規范中說通過一個基類指針來刪除一個含有派生類對象的數組,結果將是不確定的。這實際意味著執行這樣的代碼肯定不會有什麼好結果。多態和指針算法不能混合在一起來用,所以數組與多態也不能用在一起。

值得注意的是如果你不從一個具體類(concrete classes)(例如BST)派生出另一個具體類(例如BalancedBST),那麼你就不太可能犯這種使用多態性數組的錯誤。正如我在後面將介紹的條款33所解釋的,不從具體類派生出具體類有很多好處。

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