Интерфейсы как решение проблем множественного наследования

В этой работе разбирается проблема множественного наследования в языке программирования С++ и возможное ее решение путем применения абстракций интерфейсов.

Множественным наследованием является образование класса путем наследования одновременно нескольких базовых классов. Штука полезная и одновременно с этим проблемная. Разберем пример, в котором появляется множественное наследование, приводящее к проблеме.

Классическим заданием для начинающего программиста является задача написать классы, реализующие иерархию Человек - Студент - Сотрудник. Обычно первым же решением есть образование трех классов в виде:

class Человек { ... };
class Сотрудник : public Человек { ... };
class Студент : public Человек { ... };

В классе Человек декларируются несколько виртуальных и, возможно, абстрактных, функций, которые переопределяются / реализуются в классах-наследниках. Схема на первый взгляд совершенно очевидна и практически ни у кого не вызывает подозрений. Схема реализуется в программе и программа сдается в работу.

Проблема возникает позже, когда оператор приходит и говорит:
- У меня есть человек, который одновременно и сотрудник и студент. Что мне делать?

Реализованная схема, вообще говоря, не предполагает такого варианта - могут быть либо сотрудник, либо студент. Но что-то делать надо. В этот момент приходит на помощь множественное наследование. Программист, не долго думая, создает еще один класс, образованный наследованием и от Сотрудник и от Студент:

class СтудентСотрудник : public Студент, public Сотрудник { ...};

На первый взгляд все в порядке, на второй - полный бардак.  Дело в том, что класс Сотрудник, как он был декларирован, содержит в себе полную копию класса Человек. То же самое относится и к классу Студент. Таким образом, класс СтудентСотрудник будет содержать в себе уже 2 копии класса Человек. При этом функции класса Сотрудник будут работать со своим экземпляром класса Человек, а функции класса Студент - со своим. В результате корректного поведения добиться практически очень трудно. В классе СтудентСотрудник придется переопределять все функции базовых классов и вызывать соответствующие функции базовых классов, чтобы модификации обеих копий класса Человек прошли когерентно.

Обнаружив такую ситуацию путем тяжелой отладки, программист приходит к необходимости применения виртуального наследования для исключения дублирования класса Человек. Проблема состоит в том, что виртуальное наследование требует модификации графа наследования базовых классов. Требуемая схема имеет вид:

class Человек { ... };
class Студент : virtual public Человек { ... };
class Сотрудник : virtual public Человек { ... };
class СтудентСотрудник : public Студент, public Сотрудник { ...
};

В этом варианте решена проблема однозначной входимости класса Человек во все классы. Но остается вопрос - не возникнет ли такой же проблемы и дальше с полученным классом СтудентСотрудник? И будет ли возможность произвести модификацию уже работающего кода? В такой ситуации руки могут опуститься - следует либо согласиться с существованием проблемного кода либо действительно идти на полную переработку программы.

Тем не менее элегантное решение существует. Это реализация базовых классов по принципу интерфейсов. Язык С++ не содержит языковой поддержки интерфейсов в явном виде, поэтому будем их эмулировать. Принцип интерфейса состоит в том, что его задачей является не столько реализация класса, сколько его декларация. Нормализуем исходную задачу:

class БытьЧеловеком { ... };
class БытьСтудентом { ... };
class БытьСотрудником { ... };

Исходя из нормализованного множества классов, получим дополнение:

class Человек : public БытьЧеловеком { ... };
class Сотрудник : 
  public БытьЧеловеком, public БытьСотрудником { ... };
class Студент : 
  public БытьЧеловеком, public БытьСтудентом { ...};
class СтудентСотрудник : 
  public БытьЧеловеком, public БытьСтудентом,
  public БытьСотрудником { ... };

Формально говоря, такая схема построения классов вполне работоспособна за исключением того, что во многих случаях программисты относятся к интерфейсам слишком уж буквально - оставляют в них только абстрактные функции и реализуют эти функции только в классах-наследниках. В результате полностью выхолащивается идея повторного использования кода. Основанием для нереализации функций в интерфейсных классах обычно служит то, что в классе - интерфейсе нет "ядра" объекта. В нашем случае ядром объекта или классом, реализующим возможность существования объекта, может выступать класс БытьЧеловеком.

Возможным решением проблемы является передача конструктору интерфейсного класса указателя на конструируемый объект с тем, чтобы его запомнить в своем частном поле данных и использовать при реализации функций интерфейса.

Примерно по схеме:

class БытьСтудентом
{
   БытьЧеловеком& m_БытьЧеловеком;
   public:
   БытьСтудентом( БытьЧеловеком& init)
   : m_БытьЧеловеком( init)
   { ... };
};

class Студент : public БытьЧеловеком, public БытьСтудентом
{
   public:
   Студент()
   : БытьЧеловеком(), БытьСтудентом( *this)
   { ...};
};

В этой схеме, согласно стандарту, также есть проблема - стандарт не гарантирует инициализации конструкторов, указанных в списке инициализации, в том порядке, в котором они перечислены в этом списке. Поэтому мы, передавая *this как аргумент конструктора базового класса, получаем ссылку на негарантированно определенный объект. Выйти из этой ситуации можно, если декларировать конструктор без аргументов и создать дополнительную функцию инициализации, зависящую от *this. Но дублирование ссылок, хранимых в интерфейсных классах, тем не менее, сохраняется и это есть некрасиво.

Для решения этой задачи есть чрезвычайно красивое, на мой взгляд, решение. Решение заключается в том, чтобы не хранить ссылку на ядро объекта, а получать ее динамически. Для этого применяется оператор приведения типа dynamic_cast, применяемый не к классу, а к объекту в процессе работы программы. Пример:

class БытьСтудентом
{
  public:
    БытьСтудентом(){};
    virtual void Func( void);
    // пример функции, обращающейся к ядру объекта
    {
      БытьЧеловеком* ptr = dynamic_cast< БытьЧеловеком* >( this);
      if( ptr)
      {
        // используем ядро
      }
    };
};

На первый взгляд, приведение типа БытьСтудентом к типу БытьЧеловеком невозможно, поскольку никто их этих классов ни от кого не наследован. Но дело в том, что оператор dynamic_cast определен не для классов, а для объектов. И если при исполнении кода Func реальный объект, для которого эта функция выполняется, имееет класс, унаследованый от БытьЧеловеком, то оператор вернет правильное значение. Согласно стандарту, оператор приведения типа dynamic_cast имеет два вида поведения если приведение невозможно - вернуть нулевое значение либо возбудить исключительную ситуацию. Оба варианта нас полностью устраивают.

Я считаю, что в модели применения интерфейсных классов для решения проблем множественного наследования будет также красиво построить интерфейсные классы с конструкторами, не требующими обращения к ядру объекта. Впрочем, это уже из области философии помехоустойчивого программирования.

---

Пользователь под именем ar предложил уточняющие модификаторы имен.

class БытьЧеловеком { ... };
class БытьСтудентом { ... };
class БытьСотрудником { ... };

class БытьЧеловеком 
{ 
  public: 
  virtual БытьЧеловеком & get_nonconst_БытьЧеловеком() = 0; 
  virtual const БытьЧеловеком & get_БытьЧеловеком() = 0; 
  ... 
};

class БытьСтудентом
{ 
  public: 
  virtual БытьСтудентом & get_nonconst_БытьСтудентом(); 
  virtual const БытьСтудентом & get_БытьСтудентом() = 0; 
  ... 
};

class БытьСотрудником 
{ 
  public: 
  virtual БытьСотрудником & get_nonconst_БытьСотрудником(); 
  virtual const БытьСотрудником & get_БытьСотрудником() = 0; 
  ... 
};

Исходя из нормализованного множества классов, получим дополнение:

class Человек : public БытьЧеловеком { ... };

class Сотрудник : 
  public БытьЧеловеком, public БытьСотрудником { ... };

class Студент : 
  public БытьЧеловеком, public БытьСтудентом { ...};

class СтудентСотрудник : 
  public БытьЧеловеком, 
  public БытьСтудентом,
  public БытьСотрудником { ... };


class БытьСтудентом
{
  public:
    БытьСтудентом(){};
    virtual void Func( void)
    // пример функции, обращающейся к ядру объекта
    {
      БытьЧеловеком & self = get_nonconst_БытьЧеловеком();
      // используем ядро
    };
};

Здесь используется не операция dynamic_cast, а одна из виртуальных функций, которая соответственно может быть и переопределена. Довольно занимательная конструкция.