Инкапсуляция и С++

Инкапсуляция и С++

Предположим, что вам удалось преодолеть проблемы с транслятором и компоновщиком, описанные в предыдущем разделе. Очередное препятствие при построении двоичных компонентов на C++ появится, когда вы будете проводить инкапсуляцию (encapsulation), то есть формирование пакета. Посмотрим, что получится, если организация, использующая FastString в приложении, возьмется выполнить невыполнимое: закончит разработку и тестирование за два месяца до срока рассылки продукта. Пусть также в течение этих двух месяцев некоторые из наиболее скептически настроенных разработчиков решили протестировать O(1) -поисковый алгоритм FastString , запустив профайлер своего приложения. К их большому удивлению, FastString::Find стала бы на самом деле работать очень быстро, независимо от заданной длины строки. Однако с оператором Length дело обстоит не столь хорошо, так как FastString::Length использует подпрограмму strlen из динамической библиотеки С. Эта подпрограмма – алгоритм O(n)– осуществляет линейный поиск по строкам с использованием символа конца строки (null terminator); скорость его работы пропорциональна длине строки. Столкнувшись с тем, что клиентское приложение может многократно вызывать оператор Length, один из таких скептиков, скорее всего, свяжется с разработчиком библиотеки и попросит его убыстрить Length, чтобы его работа также не зависела от длины строки. Но здесь есть одно препятствие. Разработчик библиотеки уже закончил свою разработку и, скорее всего, не расположен менять одну строку исходного кода, чтобы воспользоваться преимуществами улучшенного метода Length. Кроме того, некоторые другие разработчики, возможно, уже выпустили свои продукты, основанные на текущей версии FastString, и теперь разработчик библиотеки не имеет морального права изменять эти приложення.

С этой точки зрения нужно просто вернуться к определению класса FastString и решить, что можно изменить и что необходимо сохранить, чтобы уже установленная база успешно функционировала. К счастью, класс FastString был разработан с учетом возможности инкапсуляции, и все его элементы данных (data members ) являются закрытыми (private ). Это придает классу значительную гибкость, так как ни одна клиентская программа не может непосредственно получить доступ к элементам данных FastString. В силу того, что по отношению к четырем открытым (public ) членам класса не было сделано никаких изменений, то и в любом клиентском приложении никаких изменений также не потребуется. Вооружившись этой верой, разработчик библиотеки переходит к реализации FastString версии 2.0.

Очевидным улучшением является следующее решение: в тексте конструктора (constructor ) занести длину строки в кэш и возвращать кэшированную длину в новой версии метода Length . Так как строка не может быть изменена после создания, нет необходимости беспокоиться, что ее длина будет вычисляться многократно. В действительности длина уже однажды вычислена в конструкторе при назначении буфера, так что понадобится только горстка дополнительных машинных инструкций. Вот каким будет модифицированное определение класса:

// faststring.h version 2.0

class declspec(dllexport) FastString {

const int mcch;

// count of characters

// число символов

char mpsz;

public:

FastString(const char *psz);

~FastString(void);

int Length(void) const;

// returns # of characters

// возвращает число символов

int Find(const char *psz) const;

// returns offset – возвращает смещение

};

Отметим, что единственной модификацией является добавление закрытого элемента данных. Чтобы правильно инициализировать такой элемент, конструктор должен быть изменен следующим образом:

FastString::FastString(const char *psz) : mcch(strlen(psz)), mpsz(new char[mcch + 1])

{

strcpy(mpsz, psz);

}

С введением кэшированной длины метод Length становится тривиальным:

int FastString::Length(void) const

{

return mcch;

// return cached length

// возвращает скрытую длину

}

Сделав эти три модификации, разработчик библиотеки может теперь перестроить DLL FastString и сопутствующий ей набор тестов, которые полностью проверяют каждый аспект класса FastString . Разработчик будет приятно удивлен, узнав, что принцип инкапсуляции обошелся ему дешево, и в исходных текстах тестов не понадобилось делать никаких изменений. После проверки того. что новая DLL работает правильно, разработчик библиотек отсылает FastString версии 2.0 клиенту, будучи уверенным, что вся работа завершена.

Когда клиенты, заказавшие изменения, получают модернизированный FastString , они включают новое определение класса и DLL в систему контроля своего исходного кода и запускают тестирование нового и улучшенного FastString . Подобно разработчику библиотеки, они тоже приятно удивлены: для того, чтобы воспользоваться преимуществами новой версии Length , не требуется никаких модификаций исходного кода. Вдохновленная этим опытом, команда разработчиков убеждает начальство включить новую DLL в окончательный «золотой» CD, уже готовый для выпуска. Это тот редкий случай, когда руководство идет навстречу энтузиастам-разработчикам и включает в окончательный продукт новую DLL. Подобно большинству программ инсталляции, описание установки клиентской программы настроено на молчаливое (без предупреждения) замещение всех старых версий FastString DLL, какие есть на машине конечного пользователя. Это выглядит вполне безобидно, поскольку эти изменения не затронули открытый интерфейс класса, так что тотальная молчаливая модернизация под версию 2.0 FastString только улучшит любые имеющиеся клиентские приложения, которые были установлены раньше.

Представим себе следующий сценарий: конечные пользователи наконец-то получают свои экземпляры вожделенного продукта. Каждый из них тут же бросает все и устанавливает новое приложение на свою машину, дабы попробовать его. После того как высохли слезы восторга от того, что наконец-то можно делать быстрый текстовый поиск, пользователь возвращается к его или ее нормальному состоянию и запускает ранее установленное приложение, которое также имеет неосторожность использовать DLL FastString. Первые несколько минут всё идет хорошо. Затем внезапно появляется сообщение, что возникла исключительная ситуация и что вся работа конечного пользователя пропала. Он пытается запустить приложение снова, но на этот раз диалоговое окно об исключительной ситуации появляется почти сразу. Конечный пользователь, привычный к употреблению современного программного обеспечения, переустанавливает операционную систему и все приложения, но даже это не спасает от повторения исключительной ситуации. Что же произошло?

А произошло то, что разработчик библиотеки был убаюкан верой в то, что C++ поддерживает инкапсуляцию. Хотя C++ и поддерживает синтаксическую инкапсуляцию через свои закрытые и защищенные ключевые слова, в стандарте C++ ничего не сказано о двоичной инкапсуляции. Это происходит потому, что модель трансляции C++ требует, чтобы клиентский компилятор имел доступ ко всей информации относительно двоичного представления объектов, – с целью обработать экземпляр класса или делать невиртуальные вызовы метода. Это включает в себя информацию о размере и порядке закрытых и защищенных элементов данных объекта. Рассмотрим сценарий, показанный на рис. 1.3. Версия 1.0 FastString требует четыре байта на экземпляр (принимая sizeof(char *) == 4). Клиенты написанного под версию 1.0 определения класса выделяют четыре байта памяти под вызов конструктора класса. Конструктор, деструктор и методы версии 2.0 (а именно эти версии содержатся в DLL в машине конечного пользователя) ожидают, что клиент выделил восемь байт на экземпляр (принято sizeof(int) == 8), и не предусматривают собственных резервов для записи во все восемь байт. К сожалению, у клиентов с версией 1.0 вторые четыре байта этого объекта на самом деле принадлежат кому-то другому, и запись в это место указателя на текстовую строку недопустима, о чем и сообщает диалог исключительной ситуации.

Существует общее решение проблемы версий – переименовывать DLL всякий раз, когда появляется новая версия. Такая стратегия принята в Microsoft Foundation Classes (MFC). Когда номер версии включен в имя файла DLL (например, FastString10.DLL, FastString20.DLL), клиенты всегда загружают ту версию DLL, с которой они были сконфигурированы, независимо от присутствия в системе других версий. К сожалению, со временем, из-за недостаточного опыта в системном конфигурировании, число версий DLL, имеющихся в системе конечного пользователя, может превысить реальное число пользовательских приложений. Чтобы убедиться в этом, достаточно проверить системный каталог любого компьютера, проработавшего больше шести месяцев.

В конечном счете, проблема управления версиями коренится в модели трансляции C++, не рассчитанной на поддержку независимых двоичных компонентов. Требуя знания клиентом двоичного представления объектов, C++ предполагает тесную двоичную связь между клиентом и исполняемыми программами объекта. Обычно такая связь является преимуществом C++, так как она позволяет трансляторам генерировать весьма эффективный код. К сожалению, эта тесная двоичная связь не позволяет переместить реализации класса без проведения клиентом повторной компиляции. По причине этой связи и несовместимости транслятора и компоновщика, упомянутых в предыдущем разделе, простой экспорт определений класса C++ из DLL не обеспечивает приемлемой архитектуры двоичных компонентов.