Lesson 15：类的高级主题

来源、版次与标准边界

“Lesson 15：类的高级主题”以 SB Creative 出版社书页核定高桥麻奈著、第 5 版、2017 年 6 月 14 日发行、ISBN 978-4-7973-9259-3；出版社页面标 596 页。CiNii Books 书目与 16 课目录记录正文 xxiii+571 页，日本国会图书馆书目记录 571 页。页数口径存在前置页差异，因此本课程不拿页码充当目录证据。

“Lesson 15：类的高级主题”的中文说明、示例、交互、练习和答案均为独立教学重写。公开资料只确认 16 个 Lesson 标题；本页列出的细分概念是课程教学映射，不冒充原书逐级小节。技术规则参考 ISO C++ 标准入口复核，但 2017 年教材的 Visual Studio 2017 语境不会被静默升级为 C++23；现代写法只能明确标为迁移说明。

围绕“怎样让开放的多态接口扩展新类型，同时避免不安全向下转换和所有权混乱？”，本页要求保留“抽象接口、动态类型、派发轨迹、转换检查、多重继承路径、所有权和析构日志。”。若故障“未经验证把基类指针强制转换为错误派生类型”无法在同一输入下制造首个分岔，应拒绝当前解释，而不是追加随机样例。

为什么多态的核心是调用者不再列举类型

若每新增一种图形都要修改中央 switch(type)，调用者其实依赖所有具体类型。多态把变化点移入派生实现：调用者只认识 Shape 接口，新增 Circle、Rectangle 时，渲染循环无需增加类型分支。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0;
    virtual std::string name() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

Shape 不提供通用面积算法，只规定每个具体图形必须回答什么。接口的价值不是“所有函数都 virtual”，而是让调用者围绕共同契约编程。

纯虚函数形成必须实现的槽位

声明尾部 = 0 的 virtual 函数是纯虚函数。含至少一个未实现纯虚函数的类是抽象类，不能直接创建对象；派生类只有实现所有纯虚接口后才能实例化。

class Circle final : public Shape {
public:
    explicit Circle(double radius) : radius_(radius) {}
 
    double area() const override {
        return 3.141592653589793 * radius_ * radius_;
    }
 
    std::string name() const override {
        return "circle";
    }
 
private:
    double radius_;
};

final 可禁止继续派生，适合不准备作为扩展点的具体类。纯虚接口也可以有受保护辅助实现，但调用者依赖的仍是公开契约。

基类指针容器保留异构动态类型

类与指针共同承载运行时多态：不同派生类大小不同，不能按值放进 vector<Shape>；可以存储拥有语义明确的智能指针。

#include <memory>
#include <vector>
 
std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(2.0));
shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>(3.0, 4.0));
 
for (const auto& shape : shapes) {
    std::cout << shape->name() << ": " << shape->area() << '\n';
}

unique_ptr 说明容器独占对象，离开作用域自动通过 virtual destructor 清理。循环中的引用只借用智能指针，不复制所有权。若使用裸指针，接口必须另行说明谁拥有对象以及借用期多长。

调用链由接口、动态类型和虚表共同选择

shape->area() 的静态类型是 Shape*，编译器先验证 Shape 声明了 area；运行时根据对象动态类型进入 Circle::area 或 Rectangle::area。调用者不需要知道实现字段，但每个实现都必须保持 Shape 对面积的语义约定，例如非负、单位一致、无隐藏状态修改。

动态分派有一次间接调用成本，但真正选择依据应是扩展与契约需求。为了避免一个 virtual 调用而恢复中央类型 switch，通常会牺牲开放性和可维护性；是否优化要以测量为证据。

向下转换暴露派生专属依赖

有时调用者拿到 Shape* 却想调用 Circle 专属方法。dynamic_cast<Circle*> 会在运行时检查动态类型，失败返回 nullptr；引用形式失败会抛 std::bad_cast。

if (auto* circle = dynamic_cast<Circle*>(shape.get())) {
    circle->setRadius(4.0);
}

偶尔用于边界适配可以接受，但大量 dynamic_cast 链说明基类接口缺少共同操作、访问者/变体更合适，或调用者本就不该处理所有类型。下转成功也不改变所有权，circle 仍只是借用指针。

多重继承组合多个基类契约

一个类可以继承多个基类。最容易理解的用途是组合多个几乎无状态的接口，例如 Printable 与 Serializable；具体类分别实现两套契约。

class Printable {
public:
    virtual void print(std::ostream&) const = 0;
    virtual ~Printable() = default;
};
 
class Serializable {
public:
    virtual std::string serialize() const = 0;
    virtual ~Serializable() = default;
};
 
class Report : public Printable, public Serializable {
    // 分别实现两套接口
};

两个基类若有同名成员，调用可能歧义，需要限定来源或在派生类提供统一 override。若基类都保存状态，构造、复制、布局和不变量组合会更复杂。

菱形继承可能产生两份共同基类

若 Scanner 与 Printer 都继承 Device，而 Copier 同时继承 Scanner、Printer，普通多重继承会让 Copier 含两份 Device 子对象。访问 Device 成员时产生歧义，状态也可能不一致。

虚继承可让共同基类只有一份，但把最派生类变成负责构造虚基类的一方，并增加布局与理解成本。遇到有状态菱形时应先问组合是否更简单，而不是立即加 virtual inheritance。

接口隔离比一个万能抽象类更稳

若 Shape 同时要求绘制、序列化、数据库保存和网络同步，每个派生类会被迫实现无关功能。把能力拆为小接口，调用者只依赖真正需要的一个；某个类可用多重继承组合接口，但不继承大块共享状态。

接口拆分也要避免碎片化。边界应对应稳定调用角色，例如 Drawable、Serializable，而不是每个函数一个基类。判断标准是调用者是否能仅凭该接口完成一项完整职责。

构造与析构期间不要依赖最终覆盖

基类构造期间派生部分尚未构造，基类析构期间派生部分已开始销毁。此时调用 virtual 不会像完整对象阶段那样分派到最终派生实现；依赖该行为会访问未建立或已销毁状态。

构造应直接建立本层不变量，需要派生信息时由派生构造参数传给基类；析构只释放本层直接责任。不要用 virtual hook 让未完成对象参与业务流程。

先预测四种类型关系

对 Shape* 指向 Circle、Shape& 绑定 Rectangle、Shape 按值副本、dynamic_cast<Circle*> 四种情况，分别写静态类型、动态类型、所有权和可调用接口。多态只决定实现选择，不自动决定谁释放、是否可空或能否下转。

三步建立开放多态边界

正式节点与章专属证据

• 多态：在“Lesson 15：类的高级主题”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 1 个节点必须能回到“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。
• 抽象类：在“Lesson 15：类的高级主题”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 2 个节点必须能回到“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。
• 纯虚函数：在“Lesson 15：类的高级主题”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 3 个节点必须能回到“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。
• 多重继承：在“Lesson 15：类的高级主题”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 4 个节点必须能回到“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。
• 类与指针：在“Lesson 15：类的高级主题”中核对输入、状态变化、失败模式和可复现证据；第 5 个节点必须能回到“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。

先用输入合同检查本页正式节点，再在相同初值下逐步比较正常和失败轨迹，最后只启用“未经验证把基类指针强制转换为错误派生类型”完成反例与复位。三个交互都必须能独立重置，且重置后再次满足“调用者只依赖抽象接口，动态对象生命周期覆盖全部虚调用且析构路径完整。”。

小结

• 动态多态让调用者依赖基类契约而非列举具体类型，新增派生实现不修改核心调用循环
• 纯虚函数定义必须实现的槽位，抽象类不能直接实例化；基类应有 virtual destructor
• 多态集合要保留动态身份并表达所有权，通常使用 unique_ptr<Interface>
• dynamic_cast 提供受检查下转，但频繁下转常说明接口或类型建模需要重构
• 多重继承适合组合小型接口；有状态菱形会产生重复基类、歧义和构造责任，应优先评估组合

名词解释