乌托邦式的接口和实现分离技术.docx
《乌托邦式的接口和实现分离技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《乌托邦式的接口和实现分离技术.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
乌托邦式的接口和实现分离技术
乌托邦式的接口和实现分离技术
发布时间：
2007-04-2908:
00:
00 来源：
作者：
点击：
281
《ImperfectC++》中展示了一种叫“螺栓”的技术，然而，这本书中的讨论并不足够深入。
当然，我也相信Matthew是故意的，从而让我们这些“三道贩子”（Matthew自称是二道贩子）也能够获得一点点成就感。
考虑这样一个接口设计：
structIRefCount;
structIReader:
publicIRefCount;
在Reader中实现接口：
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞classReader:
publicIReader;
在上述的继承结构中，IRefCount是一个结构性的类，用来实现引用计数，实际上它和领域逻辑部分IReader没有什么关系。
我们打算在IRefCount的基础上，建立了一套工具来管理对象生命周期和帮助实现异常安全的代码（例如，smartpointer）。
现在来考虑Reader的实现，Reader除了需要实现IReader的接口，还必须实现IRefCount的接口。
这一切看起来似乎顺理成章，让我们继续看下面的设计＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞:
structIWriter:
publicIRefCount;
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞classWriter:
publicIWriter;
现在来考虑Writer的实现，和Reader一样，Writer除了要实现IWriter的接口外，同时还需要实现IRefCount的接口。
现在，我们来看看IRefCount是如何定义的:
structIRefCount{
virtualvoidadd（）=0;
virtualvoidrelease（）=0;
virtualintcount（）const=0;
virtualvoiddispose（）=0;
virtual~IRefCount（）{}
};
在Reader中的IRefCount的实现：
virtualvoidadd（）{++m_ref_count;}
virtualvoidrelease（）{--m_ref_count;}
virtualintcount（）const{returnm_ref_count;}
virtualvoiddispose（）{deletethis;}
…
intm_ref_count;
同样，在Writer的实现中，也包含了一模一样的代码，这违背了DRY原则（Don’tRepeatYourself）。
况且，随着系统中的类增加，大家都意识到，需要将这部分代码复用。
一个能够工作的做法是把IRefCount的实现代码直接放到IRefCount中去实现，通过继承，派生类就不必再次实现IRefCount了。
我们来看一下dispose的实现：
virtualvoiddispose（）{deletethis;}
这里，采用了delete来销毁对象，这就意味着Reader必须在堆上分配，才可能透过IRefCount正确管理对象的生命周期，没关系，我们还可以overridedispose方法，在Reader如下实现dispose:
virtualvoiddispose（）{}
但是，这样又带来一个问题，Reader不能被分配在堆上了！
如果你够狠，当然，你也可以这么解决问题:
classHeapReader:
IReader;
classStackReader:
HeapReader{virtualvoiddispose（）{}};
问题是，StackReader是一个HeapReader吗？
为了代码复用，我们完全不管什么概念了。
当然，如果你和我一样，看重维护概念,那么这么实现吧：
classHeapReader:
IReader;
classStackReader:
IReader;
这样一来，IReader的实现将被重复，又违背了DRY原则，等着被将来维护的工程师诅咒吧！
或许，那个维护工程师就是3个月后的你自己。
如果这样真的能够解决问题，那么也还是可以接受的，很快，我们有了一个新的接口:
structIRWiter:
IReader,IWriter;
classRWiter:
publicIRWiter;
考虑一下IRefCount的语义：
它用来记录对所在对象的引用计数。
很显然，我从IReader和IWriter中的任意一个分支获得的IRefCount应该都是获得一样的引用计数效果。
但是现在，这个继承树存在两个IRefCount的实例，我们不得不在RWiter当中重新重载一遍。
这样，从IReader和IWriter继承来的两个实例就作废了，而且，我们可能还浪费了8个字节。
为了解决这个问题，我们还可以在另一条危险的道路上继续前进,那就是虚拟继承:
structIReader:
virtualpublicIRefCount;
structIWriter:
virtualpublicIRefCount;
还记得大师们给予的忠告吗--“不要在虚基类中存放数据成员”。
“这样有什么问题吗，我们不必对大师盲目崇拜”，你一定也听过这样的建议。
如果大师们不能说服这些人，那么我也不能。
于是，我们进一步在所有的接口中提供默认实现，包括IReader和IWriter.
现在的问题是:
structIRWiter:
IReader,IWriter;
还是
structIRWiter:
virtualIReader,virtualIWriter?
如果你没有选择virtual，那么IRWiter被派生后，那么派生类的继承树中可能存在多个IReader实现，如果这个派生类要求只能提供一份IReader的语义怎么办？
除了重新实现接口还能怎样？
反过来，如果我们选择了virtual继承，那么派生类需要多个实现怎么办？
真是个麻烦事。
“这是典型的过度设计，我们为什么要考虑这么多？
”你可以这么说，但事实上，即使是一个数百文件的小型系统，也完全可能迫使你作出选择。
虽然，我们仍然有办法作出挽救措施，但是也只是苟延残喘而已。
正如我前面所说，这是一个危险的道路，聪明如你，是断然不会让自己陷入这样的泥潭的。
让我们离开虚拟继承，先回到重复代码的问题上来。
有没有更好的解决办法呢？
还好，在C++的世界里，我们有神奇的template,让我们来消除重复的代码：
template＜typenameBase＞
classImpReader:
publicBase{
constraint（is_base_derive（IReader,Base））
ImplementationIReader
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞};
classHeapReader:
ImpReader＜IReader＞{};
classStackReader:
ImpReader＜IReader＞{
virtualvoiddispose（）{};
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞};
请注意，我们还是假设IRefCount已经提供了一个默认实现。
现在，情况好了很多，所有的代码都只有一份，而且，概念也没有被破坏。
假设，Writer也同样需要类似的能力，那么，我们又多了StackWriter和HeapWriter.事实上，真的有人用到了StackWriter吗？
我不知道，只是，提供了StackReader，没有理由不提供StackWriter啊。
让我们继续。
现在，我们发现，需要改进内存分配的性能问题,于是，我们希望通过内存池来分配对象，相应的dispose也需要修改：
virtualvoiddispose（）{distory（this）;}
于是，我们又多出两个类，PoolReader和PoolWriter。
这真是糟糕，组合爆炸可不是什么好兆头。
从我们前述的变化来看，都是IRefCount在变化，为什么不把这种变化分离出来呢？
不必为IRefCount提供默认实现，借鉴ImpReader的手法：
template＜typenameBase＞
classImpHeapRefCount:
publicBase{
constraint（is_base_derive（IRefCount,Base））;
..};
类似的:
template＜typenameBase＞classImpStackRefCount:
publicBase;
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞template＜typenameBase＞classImpPoolRefCount:
publicBase;＜!
--[endif]--＞
再看看，我们如何实现所有的Reader.
typedefImpReader＜ImpHeapRefCount＜IReader＞＞HeapReader;
typedefImpReader＜ImpStackRefCount＜IReader＞＞StackReader;
typedefImpReader＜ImpPoolRefCount＜IReader＞＞PoolReader;
以HeapReader为例，实际的继承关系是这样的：
ImpReaderàImpHeapRefCountàIReaderàIRefCount;
对于Writer,我们完全可以采取同样的手法来实现。
对于上述的typedef可以预先定义，也完全可以不定义，交给最终用户去组装吧。
现在，类的设计者再也不必为选择实现而痛苦了，你只要提供不同的砖头，客户程序员可以轻而易举的建立起大厦。
还有比这更让一个设计师幸福的吗？
继续深入，考察ImpHeapRefCount和ImpStackRefCount的实现，我们提到，dispose方法的实现是不一样的，但是，其他部分：
add,releasee和count的实现完全可以相同。
然而我们现在又分别实现了一遍，为了不违背DRY原则，我们如下处理：
template＜typenameBase＞
classImpPartialRefCount:
publicBase{
//实现add,release和count.
};
template＜typenameBase＞
classImpHeapRefCount:
publicBase{
virtualvoiddispose（）{deletethis;}
};
template＜typenameBase＞
classImpStackRefCount:
publicBase{
virtualvoiddispose（）{}
};
然后，我们可以这样定义Reader：
typedefImpReader＜ImpHeapRefCount＜ImpPartialRefCount＜Ireader＞＞＞HeapReader;
请注意，我们在这里展示了一种能力，不必在一个实现当中完整的实现整个接口，可以把一个接口的实现分拆到多个实现当中。
这个能力是非凡的，借助于此，我们可以提供更小粒度的实现单位，给最终用户来组装。
具体拆分到什么样的程度完全取决于代码复用的需求，以及概念维护的需要。
我们提供了高度的复用能力，同时避免了继承带来的强耦合，以及对推迟设计决策的支持，这些能力对于软件设计师而言，正如Matthew在《ImperfectC++》中所说的，这简直就是现实中的乌托邦！
现在我们把这种手法首先针对单继承做一个小结。
对于任意的接口IInterface,我们提供如下的实现:
template＜typenameBase＞
classImpInterface:
publicBase{
constraint（is_base_derive（IInterface,Base））;
}；
请注意，一个接口可以有任意多个实现，并且可以是任意的部分实现。
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞＜!
--[endif]--＞
假设我们有如下接口继承树：
InterfaceNàInterfaceN_1àInterfaceN_2à…àInterface0
并且提供了实现类ImpInterface0~ImpInterfaceN.
那么，InterfaceN的实例类型就是:
typedefImpInterfaceN＜
ImpInterfaceN_1＜
ImpInterfaceN_2＜
…
ImpInterface0＜InterfaceN＞…＞＞＞ConcreteClassN;
我们注意到，定义ConcreteClassN的时候，我们的ImpInterface是按照顺序来的，我认为这是合适的做法。
当然了，最后组装的权力已经交给客户了，客户爱怎么组装就怎么组装吧。
然而我们还是有一些需要注意的问题。
1．假定，我需要在ImpInterfaceI中引用基类的方法，记住，不要使用这样的手法：
ImpInterfaceI_K:
:
SomeMethod（）;
这样调用不具有多态性，而应该这样：
this-＞SomeMethod（）;
2．不要在自己的ImpInterfaceI实现中覆盖基类接口的其他已经实现的方法，如果你一定要这么做，那么务必在文档中说明，因为在组装的时候，顺序将是极其关键的了。
3．这个方法和设计模式中的TemplatePattern目的是不一样的。
TemplatePattern是在基类中定义了一个算法，让派生类定制算法的某些步骤。
这里的方法针对的是接口模型的概念，提供接口和实现分离的技术。
关于第二条，应该尽量避免发生。
这里说的覆盖是指基类实现已经实现了该方法，而后继实现又覆盖该方法。
基类实现可以是一个部分实现，对于没有实现的那些方法，在派生接口的实现类中实现则是常见的。
一方面，我们尽量合理分解层次之间的功能，另一个方面，可以通过定制实现模板类，来保证顺序。
尽可能的让语言本身来保证正确性，而不是依赖文档。
我们可以像这样预先装配一些东西：
template＜typenameBase＞
classSomeComponent:
publicImpPartA＜ImpPartB＜Base＞＞{};
可惜，C++暂时还不支持模板的不完全typedef，否则，我们还可以如下定以：
template＜typenameBase＞
typedefImpPartA＜ImpPartB＜Base＞＞SomeComponent;
不过，C0x很可能会支持类似的语法。
这样，我们使用SomeComponent来作为一个预制品，来保证一些安全性，而不必完全依赖文档了。
＜!
--[endif]--＞
看看ConcreteClassN的定义，也许你和我一样，并不喜欢这种嵌套的、递归的定义方式，太难看了。
让世界稍微美好一点吧！
于是我们提供一个辅助类:
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞template＜typenameT＞structEmpty{};
template＜typenameI,typenametemplate＜class＞classB＞
structMerge{＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞typedefB＜I＞type;};
template＜typenameI＞
structMerge＜I,Empty＞{
typedefItype;
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞};＜!
--[endif]--＞
template
＜
typenameI,
typenametemplate＜class＞classB1,
typenametemplate＜class＞classB2=Empty,
…
typenametemplate＜class＞classBn=Empty,
＞
structReform{
typedeftypenameMerge＜
typenameMerge＜
typenameMerge＜I,B1＞:
:
type
B2＞:
:
type,…,Bn＞:
:
typetype;
};
现在，我们可以这样定义ConcreteClassN了：
TypedefReform＜InterfaceN,ImpInterface0,ImpInterface1,
…ImpInterfaceN＞:
:
typeConcreteClassN;
是不是清爽了很多？
在继续下面内容以前，请回味一下这个不是问题的问题：
假设IReader有3种实现，IRefCount有3种实现，我们将如何漂亮地解决掉他们。
＜!
--[endif]--＞
现实世界总是要复杂得多,让我们进入真实的世界。
回顾这个接口：
structIRWiter:
IReader,IWriter;
假设我们确实需要IReader,IWriter，但是并不需要IRWrite,可不可以让一个对象同时支持这两个接口呢，就像COM一样？
当然可以，我们借助于这样一个辅助模版:
template＜typenameB1,typenameB2＞
structCombine:
B1,B2{
typedefB1type1;
typedefB1type2;
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞};＜!
--[endif]--＞
typedefReform＜Combine＜IReader,IWriter＞,ImpRefCount,ImpWriter,ImpReader＞:
:
typeConcreteRWiter
为了现实需要，我们可以提供Combine的多个特化版本以支持任意数量的接口组合。
如果仅仅是为了去掉一个IRWiter就引入一个Combine,虽有好处，但是意义也不大。
那么，考虑这样一个例子。
structIHttpReader:
IReader;
structIFileReader:
IReader;
我们需要一个对象，同时支持从网络和从文件读取的能力。
先看不引入Combine的做法：
structIFileHttpReader:
IFileReader,IHttpReader;
typedefReform＜IFileHttpReader,ImpRefCount,ImpHttpReader,
ImpFileReader＞:
:
typeConcreteRWiter;
觉得有什么问题吗？
ImpReader同时实现了IFileReader分支和IHttpReader分支中的IReader，但是，和IRefCount不同的是，我们完全有理由相信，这两个分支其实需要不同的IReader的实现。
即使IReader确实可以是同样的实现，另一个严重的问题是，ImpReader是一个不完整的实现，ImpFileReader和ImpHttpReader都分别重载了IReader中的一部分方法，例如，两者都实现了如下方法:
virtualboolopen（constchar*url）;
如何解决这个问题？
让我们回顾一下IFileHttpReader，首先这个接口就是个问题产物：
open到底open什么？
文件，还是HTTP连接，还是两个都打开？
也就是说，从概念上来讲，IFileHttpReader就存在矛盾，这样的概念很显然是难以维护的。
其次，我们完全没有办法为两个分支提供不同的实现，当然，其根源是IFileHttpReader的错误设计导致的，不采用我们这里提到的技术，问题依然存在。
现在引入一个结论：
如果某个接口的基类树中多次出现同一个接口，我们的技术无法为这些接口分别提供不同的实现。
这里的解决方案是抛弃IFileHttpReader，引入Combine,我们可以这样解决问题:
typedefReform＜
Combine＜ImpFileReader＜IFileReader＞,ImpHttpReader＜IHttpReader＞＞,
ImpRefCount,ImpReader
＞:
:
typeConcreteFileHttpReader;
假设，ImpReader不能同时满足两个分支的要求，我们可以这么做：
typedefReform＜
Combine＜ImpFileReader＜ImpReaderA＜IFileReader＞＞,
ImpHttpReader＜ImpReaderB＜IHttpReader＞＞
＞,
ImpRefCount
＞:
:
typeConcreteFileHttpReader;
利用Combine,我们可以充分发挥多重继承的组合能力，我们既享受了接口设计和实现分离的好处?
更容易维护概念了，也充分享有代码复用的能力。
并且，将设计决策充分推迟：
甚至客户程序员完全可以定制自己的接口实现从而和现有系统结合，这是一个完美的Open-Close的设计手段。
＜!
--[if!
supportLists]--＞＜!
--[if!
supportLists]--＞＜!
--[if!
supportLists]--＞＜!
--[if!
supportLists]--＞现在，总结一下在多重继承中的注意事项。
1．接口尽量是单继承的。
2．多重继承的接口必须意识到，所有继承树的相同接口只能共享同一份实现。
3．严苛地去维护接口的概念，不要为了实现问题定义中间的接口（就象那个IFileHttpReader）
4．合理地利用多重继承的组合能力。
＜!
--[if!
supportEmptyParas]--＞
关于最后一条，您可以做一些有趣的探索。
给出一个空基类:
structOver{};
当然，也可以是其它非模板类。
把所有的类都实现成模版形式：
ImpClassA＜T＞,ImpClassB＜T＞,借助于Combine,我们可能给出这样的定义：
typedefCombine＜ImpClassA＜Combine＜ImpClassB＜Over＞,ImpClassC＜Over＞＞＞,Combine＜ImpClassF＜Over＞,ImpClassB＜ImpClassD＜Over＞＞＞,ImpClassE＜O
升级会员 