Složení, rozhraní a design
Ovládněte kompozici nad dědičností, čistě abstraktní rozhraní, principy návrhu (ISP, DIP), std::variant jako alternativu k dědičnosti a vymazání typu.
Proč složení přes dědičnost?
"Upřednostňujte složení před dědičností" je jedním z nejdůležitějších principů v návrhu OOP. Dědičnost vytváří těsné spojení mezi základními a odvozenými třídami – změny základny se prolínají celou hierarchií. Složení (s členem jiného typu) je flexibilnější: můžete změnit obsažený typ za běhu, volně kombinovat chování a vyhnout se problému s křehkou základní třídou.
Dědičnost je vhodná, když potřebujete polymorfismus (jednotné zacházení s různými typy prostřednictvím společného rozhraní). Pouze pro opětovné použití kódu je složení téměř vždy lepší.
Složení v praxi
Místo dědění chování jej obsahujte.CarneníEngine– má**Engine. To vám dává svobodu vyměňovat motory, testovat komponenty nezávisle a vyvíjet každou třídu, aniž byste porušili druhou.
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
class Engine {
int horsepower_;
std::string type_;
public:
Engine(int hp, const std::string& type)
: horsepower_{hp}, type_{type} {}
void start() const {
std::cout << type_ << " engine (" << horsepower_ << "hp) started\n";
}
int horsepower() const { return horsepower_; }
};
class Transmission {
int gears_;
public:
explicit Transmission(int gears) : gears_{gears} {}
void shift(int gear) const {
if (gear >= 1 && gear <= gears_) {
std::cout << "Shifted to gear " << gear << '\n';
}
}
};
// Car COMPOSES Engine and Transmission (has-a, not is-a)
class Car {
std::string model_;
Engine engine_;
Transmission trans_;
public:
Car(const std::string& model, Engine engine, Transmission trans)
: model_{model}
, engine_{std::move(engine)}
, trans_{std::move(trans)} {}
void drive() const {
std::cout << model_ << ": ";
engine_.start();
trans_.shift(1);
}
};
int main() {
Engine v8{450, "V8"};
Transmission auto6{6};
Car mustang{"Mustang", std::move(v8), std::move(auto6)};
mustang.drive();
return 0;
}Čistá abstraktní rozhraní
Čisté abstraktní rozhraní je třída pouze s čistě virtuálními funkcemi a virtuálním destruktorem – žádná data, žádná implementace. To definuje smlouvu, kterou musí odvozené třídy splnit. Podporuje Princip inverze závislosti (DIP): závisí na abstrakcích, nikoli na konkrétních třídách.
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>
// Pure abstract interface — the contract
class IRepository {
public:
virtual ~IRepository() = default;
virtual void save(const std::string& key, const std::string& value) = 0;
virtual std::string load(const std::string& key) const = 0;
virtual bool exists(const std::string& key) const = 0;
};
// Concrete implementation: in-memory storage
class MemoryRepository : public IRepository {
std::vector<std::pair<std::string, std::string>> data_;
public:
void save(const std::string& key, const std::string& value) override {
for (auto& [k, v] : data_) {
if (k == key) { v = value; return; }
}
data_.emplace_back(key, value);
}
std::string load(const std::string& key) const override {
for (const auto& [k, v] : data_) {
if (k == key) return v;
}
return "";
}
bool exists(const std::string& key) const override {
for (const auto& [k, v] : data_) {
if (k == key) return true;
}
return false;
}
};
// Service depends on the INTERFACE, not the concrete class (DIP)
class UserService {
std::unique_ptr<IRepository> repo_;
public:
explicit UserService(std::unique_ptr<IRepository> repo)
: repo_{std::move(repo)} {}
void register_user(const std::string& username) {
if (repo_->exists(username)) {
std::cout << username << " already exists\n";
return;
}
repo_->save(username, "active");
std::cout << username << " registered\n";
}
};
int main() {
auto repo = std::make_unique<MemoryRepository>();
UserService service{std::move(repo)};
service.register_user("alice"); // alice registered
service.register_user("bob"); // bob registered
service.register_user("alice"); // alice already exists
return 0;
}std::variant — Alternativa dědičnosti
std::variant je typově bezpečný spoj, který pojme jeden z několika typů. V kombinaci s std::visit poskytuje polymorfismus v době kompilace — alternativu k virtuálním funkcím, pokud je v době kompilace známa sada typů. Vyhne se alokaci haldy a režii virtuálního odeslání.
#include <iostream>
#include <variant>
#include <vector>
#include <cmath>
#include <numbers>
struct Circle { double radius; };
struct Square { double side; };
struct Triangle { double base, height; };
// Type alias for the closed set of shapes
using Shape = std::variant<Circle, Square, Triangle>;
// Visitor: a callable that handles each type
struct AreaVisitor {
double operator()(const Circle& c) const {
return std::numbers::pi * c.radius * c.radius;
}
double operator()(const Square& s) const {
return s.side * s.side;
}
double operator()(const Triangle& t) const {
return 0.5 * t.base * t.height;
}
};
struct NameVisitor {
std::string operator()(const Circle&) const { return "Circle"; }
std::string operator()(const Square&) const { return "Square"; }
std::string operator()(const Triangle&) const { return "Triangle"; }
};
int main() {
std::vector<Shape> shapes{
Circle{5.0},
Square{4.0},
Triangle{3.0, 6.0}
};
for (const auto& shape : shapes) {
std::string name = std::visit(NameVisitor{}, shape);
double area = std::visit(AreaVisitor{}, shape);
std::cout << name << ": area = " << area << '\n';
}
return 0;
}Typ Vymazání s funkcí std::
Type erasure vám umožňuje uložit jakoukoli volatelnou funkci – funkci, lambda, funktor – s kompatibilní signaturou v jediném objektustd::function. Toto je forma runtime polymorfismu bez explicitní dědičnosti.
#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <string>
// std::function erases the concrete callable type
using Callback = std::function<void(const std::string&)>;
class EventEmitter {
std::vector<Callback> listeners_;
public:
void on(Callback cb) {
listeners_.push_back(std::move(cb));
}
void emit(const std::string& event) const {
for (const auto& cb : listeners_) {
cb(event);
}
}
};
// A functor
struct FileLogger {
void operator()(const std::string& msg) const {
std::cout << "[File] " << msg << '\n';
}
};
void console_log(const std::string& msg) {
std::cout << "[Console] " << msg << '\n';
}
int main() {
EventEmitter emitter;
// Register different callable types — all stored as std::function
emitter.on(console_log); // function pointer
emitter.on(FileLogger{}); // functor
emitter.on([](const std::string& m) { // lambda
std::cout << "[Lambda] " << m << '\n';
});
emitter.emit("user_login");
return 0;
}Princip segregace rozhraní (ISP): preferujte malá, soustředěná rozhraní před velkými, monolitickými. Třída by neměla být nucena implementovat metody, které nepoužívá. RozdělteIAnimalnaIFlyableaISwimmable, pokud všechna zvířata nelétají a plavou.
Princip inverze závislosti (DIP): moduly na vysoké úrovni by měly záviset na abstrakcích (rozhraní), nikoli na konkrétních implementacích. PředejteIRepository&místoMySQLDatabase&– to vám umožní zaměnit implementace pro testování (falešné repozitáře) a různá prostředí.
Hluboké hierarchie dědičnosti (4+ úrovně) se stávají křehkými a je těžké o nich uvažovat. Změna základní třídy může mít neočekávané účinky na vzdálené potomky. Problém s křehkou základní třídou dělá z údržby noční můru. Preferujte ploché hierarchie (1-2 úrovně), používejte rozhraní pro polymorfismus a sestavujte chování s členskými objekty nebostd::variant. Pokud hloubka vaší hierarchie přesahuje 3 úrovně, je to téměř jistě designový zápach.
- Složení je flexibilnější než dědičnost – použijte jej pro opětovné použití kódu (má vztahy)
- Čistě abstraktní rozhraní definují smlouvy a umožňují princip inverze závislosti
std::variantsstd::visitposkytuje polymorfismus v době kompilace pro sady uzavřeného typustd::functionposkytuje mazání typů — uložte všechny volatelné s kompatibilním podpisem- Udržujte hierarchie dědičnosti ploché (1-2 úrovně) a upřednostňujte rozhraní před konkrétními základními třídami
- Použijte ISP (malá rozhraní) a DIP (závisí na abstrakcích) pro udržovatelné, testovatelné návrhy
Kvíz — Otestujte své znalosti
(15 XP)1. Kdy byste měli upřednostnit složení před dědictvím?
2. Jakou výhodu má`std::variant`oproti tradiční hierarchii dědičnosti?
3. Co říká Princip inverze závislosti (DIP)?