• 導讀

        前段時間重新看了一下C++，一是感覺清晰了許多，二是覺得若是換個角度看的話，會有不一樣的體會，並且也容易記住C++中的一些特性。本文就試圖將集合論中的相關知識引入到C++的封裝、繼承、多型上，讓我們對它有個重新的認識。
        從程式碼的角度而言，我認為計算機語言都不可不免的解決以下兩個問題：
        1.為了構建大型的程式，需要將程式碼模組化。C++中，由類的封裝來實現。
        2.為了減少程式碼的冗餘，需要實現程式碼共享。C++中，由類的繼承和多型來實現。

• 封裝

        C語言中，程式碼之間的關係都是函式式的呼叫。這裡面牽扯到對資料的操作，若操作的都是區域性變數，那一切都太平了。但若是幾個函式操作同一個非區域性變數，考慮到模組化，那麼就要將變數和操作變數的函式整合在一起，這就是C++中的封裝。
        C++裡面引入了class的概念，目的是封裝資料和資料上的操作，使其成為一個獨立的模組。若是將這個獨立的模組（程式碼和資料）想象成集合，那個class A的集合為：

圖一

        此時若再引入一個class B，則有下面四種可能性，情況三、四實際上類似。

圖二

        情況一，只需要封裝就足夠了。處理情況二、三、四時，為了考慮程式碼共享，需要引入繼承機制。

• 繼承

        我們先考慮情況二，由於A和B有公共程式碼（成員函式或者是成員變數），故通常考慮將公共的部分定義為class C，然後由A、B去繼承它。

圖三

        對於情況三、四，我們不需要演變，直接讓A繼承B，或者B繼承A即可。
        若，此時引入class D，那麼情況就會複雜很多。簡單期間，以情況二為擴充套件，考慮新增class D後的某一種。後續你會發現，情況三、四類似。

圖四

        此時，最合理的方式是引入四個類，class E, class F, class G, class H，如下圖。E為基類，F、G、H為一級子類、A、B、D為二級子類。

圖五

        但是，這種解決方案有問題：
        1.若是再新增class I，class J，那複雜度就可想而知了。
        2.雖然程式碼冗餘是消除了，但是引入了四個類，也著實有點多，更嚴重的話會導致“類氾濫”。
        為了能統一解決新增的類D，我們將圖四拆分成D和A，以及D和B的關係。這樣就轉化為圖二中的一種：情況二。

圖六

        圖六中，class H表示D和A的公共部分，class G表示D和B的公共部分。此種解法雖然有程式碼冗餘，但簡單了許多，事實上，我們很多時候處理類，就是這麼處理的。
        在這種情況下，若是新增class I，class J，都可以轉化為：新新增類和已有類之間的單獨關係，即圖二中的四種情況。
        同時，也可以發現，我們無法在類的繼承結構中完全消除程式碼冗餘，原因是多個類的情況下，實在是比較複雜。
        當我們在使用這些包含繼承結構的類的時候，考慮圖二的情況三，若B繼承自A，那麼實際上B也可以當A用的，這很好理解，本來A就是B的一部分。但若是，想讓A代表B呢（實際上就是B物件，只是用的時候當A用），為了完美解決這個問題，就要引入多型了。

• 多型

        前面的分析可知，類之間的關係都可以簡化為圖二的情況。圖二的情況三中，A當B用（實際上只有B物件）又分為以下三種情況。第三種情況有點彆扭，可能是需求決定的吧。
        1.使用B中的A部分。直接使用A操作即可。
        2.使用B中的非A部分。需要將A轉化為B才可使用。
        3.B覆蓋定義A的公共介面或者成員變數。當B作為A使用的時候，A中的公共介面或者成員變數是在非A中的，實現這一機制的就是多型。
        C++中，基類定義虛擬函式，子類可以重新實現它，以實現多型。令人奇怪的是，沒有虛成員變數的概念，我覺得可能有以下幾個原因：
        1.沒必要提供虛成員變數。父類的成員變數屬於儲存空間，是可以直接用。不像函式，屬於程式碼無法直接替換。
        2.可能編譯器要實現這個會比較複雜吧。
        3.封裝的概念是少暴露成員變數，只暴露介面。因此，好的類的設計是沒有公共的成員變數的，也就不存在虛成員變數一說了。
        但是，從完整性的角度而言，應該提供虛成員變數的。

• 總結

        上面的分析可以看出，引入集合，只是說明我試圖用一種簡單的方式來描述C++的封裝、繼承和多型。所有的源頭，都是因為在C++中引入了封裝機制，也就是傳說中的物件導向。繼承和多型都是隨之而來的，順著這條路徑走下去，你會發現C++裡面的變數的可視性（public, protected, private）等都是源自於上面描述的集合之間的關係。而所有的這些，只是用來解決兩個問題：模組化和程式碼共享。

• 參考資料

        1.C++ Primer 中文版 第4版