Clean C++: 应用「准关键字」定义抽象接口

使用C++定义纯粹的抽象接口类型,与定义普通的类并无区别,只是在形态上具有特殊的表现形式: 它拥有一个公开的、空实现的、虚拟的析构函数。

struct Rule {
  virtual std::string apply(int n) const = 0;
  virtual ~Rule() {}
}

不幸的是,每当定义一个接口类型时,都要小心翼翼地定义虚拟析构函数,这不仅仅是重复设计的问题;更有甚者,这样的惯用法必然存在安全的隐患,万一存在一个程序员在喝酒之后定义给你一个抽象接口呢?

抽象接口

与其让程序员存在犯罪的风险,不如预防错误发生。既然程序员容易遗忘,那么就自动「生成代码」,这样便可高枕无忧了。

预防优于治疗,将错误扼杀在源头。

namespace cub {

namespace details {
template <typename T>
struct Interface {
  virtual ~Interface() {
  }
};
}  // namespace details

#define INTERFACE(type) \
struct type : ::cub::details::Interface<type>

} // namespace cub

有了INTERFACE的宏定义,定义抽象的接口类型,可谓易如反掌。

INTERFACE(Rule) {
  virtual std::string apply(int n) const = 0;
};

扩展接口

但是,应用INTERFACE定义多重继承的接口类型时,将面临困境。因此,需要定义另外的两个「准关键字」,Java程序员对这两个关键字早已司空见惯了。

#define EXTENDS(...) , ##__VA_ARGS__
#define IMPLEMENTS(...) EXTENDS(__VA_ARGS__)

例如,接口Matcher扩展另外一个抽象接口SelfDescribing,则可以使用EXTENDS

struct Description;

INTERFACE(SelfDescribing) {
  virtual void decribeTo(Description&) const = 0;
};

INTERFACE(Matcher) EXTENDS(SelfDescribing) {
  virtual bool matches() const = 0;
};

抽象方法

程序员定义纯虚函数时,特别容易遗忘尾部的= 0的后缀。纯虚函数声明的是抽象方法,而虚函数不能够准确表达这个语义的。同理,应用「代码生成」的机制,杜绝错误发生的可能性。

#define ABSTRACT(...) virtual __VA_ARGS__ = 0

使用ABSTRACT可以增强代码的可读性,向用户声明这是一个抽象方法,而不是纯虚函数。而且,ABSTRACT置于行首,而非纯虚函数首尾声明virtual ... = 0,相对更不容易犯错。

INTERFACE(Rule) {
  ABSTRACT(std::string apply(int n) const);
};

覆写方法

当子类覆写虚函数时,可以使用override增强编译时的安全性,及其改善代码的可读性。但是,C++11标准的override需要标注到函数签名的尾部,往往也被程序员遗忘。事实上,遗忘override并非什么大错,但会失去编译时安全的保护。

#define OVERRIDE(...) __VA_ARGS__ override

定义OVRIRIDE的准关键字,将其重要性置于行首,增强其重要性。

struct Atom : Rule {
  Atom(Matcher* matcher, Action* action);
  
private:
  OVERRIDE(std::string apply(int n) const);
  
private:
  Matcher* matcher;
  Action*  action;  
};

其他关键字

那么是不是应该都将C++的其他关键字都定义为宏呢?例如const, constexpr, static。回答当然是"No",我们只会定义程序员容易出错的关键场景,例如,定义抽象接口时遗漏虚拟析构函数,定义纯虚函数时遗漏行末的= 0,子类覆写虚函数时遗漏override

也许你会对使用宏而心有余悸,其实完全没必要担心。当你习惯了这套「准关键字」,你想犯错都难;而使用原生C++的关键字,我肯定你会犯错。

增强的抽象接口

上文定义的cub::details::Interface类,它只定义了虚拟析构函数。遗憾的是,在新的C++11标准里,这将阻止Interface自动生成移动构造函数,及其移动赋值运算符;而且,自动生成的拷贝构造函数,及其拷贝赋值运算符的规则也被标准废弃,在未来的实现中可能被抛弃。

那么,使用INTERFACE定义的抽象接口,其实现该接口的所有子类将不可移动,只能做保守的拷贝操作。这样的拷贝行为,甚至被标准实现所废弃。

因此在C++11的实现中,Interface的基类需要进行稍许的改进,使用default显式声明所有需要自动生成的函数。注意,析构函数声明为public, virtual的,其他声明为protected即可。

template <typename T>
struct Interface {
  virtual ~Interface() = default;
  
protected:
  Interface() = default;

  Interface(Interface&&) noexcept = default;
  Interface& operator=(Interface&&) noexcept = default;

  Interface(const Interface&) = default;
  Interface& operator=(const Interface&) = default; 
};
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