条款 39: 避免"向下转换" 继承层次

class Person { ... };
class BankAccount {
public:
BankAccount(const Person *primaryOwner,
const Person *jointOwner);
virtual ~BankAccount();
virtual void makeDeposit(double amount) = 0;
virtual void makeWithdrawal(double amount) = 0;
virtual double balance() const = 0;
...
}

很多银行现在提供了多种令人眼花缭乱的帐户类型，但为简化起见，我们假设只有一种银行帐户，称为存款帐户：

class SavingsAccount: public BankAccount {
public:
SavingsAccount(const Person *primaryOwner,
const Person *jointOwner);
~SavingsAccount();
void creditInterest(); //  给帐户增加利息
...
};

银行想为它所有的帐户维持一个列表，这可能是通过标准库 （参见条款 49）中的 list 类模板实现的。假设列表被叫做 allAccounts：

list<BankAccount*> allAccounts; // 银行中所有帐户

//  不能通过编译的循环（如果你以前从没
//  见过使用"迭代子"  的代码，参见下文）
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
(*p)->creditInterest(); //  错误!
}

编译器很快就会让你认识到：allAccounts 包含的指针指向的是BankAccount 对象，而非 SavingsAccount 对象，所以每次循环，p 指向的是一个 BankAccount。这使得对 creditInterest 的调用无效，因为 creditInterest只是为
SavingsAccount 对象声明的，而不是 BankAccount。

的确，allAccounts 是被定义为保存BankAccount*，但要知道，上面的循环中它事实上保存的是 SavingsAccount*，因为
SavingsAccount 是仅有的可以被实例话的类。愚蠢的编译器！对我们来说这么显然的事情它竟然笨得一无所知。所以你决定告诉它：allAccounts 真的包含的是 SavingsAccount*：

//  可以通过编译的循环，但很糟糕
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
<span style="color:#ff0000;">static_cast<SavingsAccount*>(*p)->creditInterest();</span>
}

这种类型的转换---- 从一个基类指针到一个派生类指针---- 被称为"向下转换"，因为它向下转换了继承的层次结构。在刚看到的例子中，向下转换碰巧可以工作；但正如下面即将看到的，它将给今后的维护人员带来恶梦。

还是回到银行的话题上来。受到存款帐户业务大获成功的激励，银行决定再推出支票帐户业务。另外，假设支票帐户和存款帐户一样，也要负担利息：

class CheckingAccount: public BankAccount {
public:
void creditInterest(); //  给帐户增加利息
...
};

不用说，allAccounts 现在是一个包含存款和支票两种帐户指针的列表。于是，上面所写的计算利息的循环转瞬间有了大麻烦。

第一个问题是，虽然新增了一个 CheckingAccount，但即使不去修改循环代码，编译还是可以继续通过。因为编译器只是简单地听信于你所告诉它们
（通过 static_cast）的一切： *p 指向的是 SavingsAccount*。谁叫你是它的主人呢？这会给今后维护带来第一个恶梦。维护期第二个恶梦在于，你一定想去解决这个问题，所以你会写出这样的代码：

for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
if (*p  指向一个SavingsAccount)
static_cast<SavingsAccount*>(*p)->creditInterest();
else
static_cast<CheckingAccount*>(*p)->creditInterest();
}

任何时候发现自己写出"如果对象属于类型 T1，做某事；但如果属于类型T2，做另外某事" 之类的代码，就要扇自己一个耳光。这不是 C++的做法。是的，在 C，Pascal，甚至 Smalltalk 中，它是很合理的做法，但在 C++中不是。在 C++中，要使用虚函数。

总结：在C++中，函数操作想与类型绑定，只有通过虚函数机制才能实现。对于一个虚函数，编译器可以根据所使用对象的类型来保证正确的函数调用。

class BankAccount { ... }; //  同上

//  一个新类，表示要支付利息的帐户
class InterestBearingAccount: public BankAccount {
public:
virtual void creditInterest() = 0;
...
};

class SavingsAccount: public InterestBearingAccount {
... //  同上
};

class CheckingAccount: public InterestBearingAccount {
... //as above
};

用图形表示如下：

BankAccount

^

|

InterestBearingAccount

/\

/ \

/ \

CheckingAccount SavingsAccount

因为存款和支票账户都要支付利息，所以很自然地想到把这一共同行为转移到一个公共的基类中。但是，如果假设不是所有的银行帐户都需要支付利息（以我的经验，这当然是个合理的假设） ，就不能把它转移到 BankAccount 类中。所以，BankAccount 引入一个新的子类 InterestBearingAccount
，并使 SavingsAccoun 和 CheckingAccount 从它继承。

存款和支票账户都要支付利息的事实是通过 InterestBearingAccount 的纯虚函数 creditInterest 来体现的，它要在子类 SavingsAccount 和 CheckingAccount中重新定义。

有了新的类层次结构，就可以这样来重写循环代码：

//  好一些，但还不完美
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
static_cast<InterestBearingAccount*>(*p)->creditInterest();
}

尽管这个循环还是包含一个讨厌的转换，但代码已经比过去健壮多了，因为即使又增加 InterestBearingAccount 新的子类到程序中，它还是可以继续工作。

为了完全消除转换，就必须对设计做一些改变。一种方法是限制帐户列表的类型。如果能得到一列 InterestBearingAccount 对象而不是 BankAccount 对象，那就太好了：

//  银行中所有要支付利息的帐户
list<InterestBearingAccount*> allIBAccounts;
//  可以通过编译且现在将来都可以工作的循环
for (list<InterestBearingAccount*>::iterator p =
allIBAccounts.begin();
p != allIBAccounts.end();
++p) {
(*p)->creditInterest();
}

如果不想用上面这种"采用更特定的列表" 的方法，那就让 creditInterest操作使用于所有的银行帐户，但对于不用支付利息的帐户来说，它只是一个空操作。这个方法可以这样来表示：

class BankAccount {
public:
virtual void creditInterest() {}
...
};
class SavingsAccount: public BankAccount { ... };
class CheckingAccount: public BankAccount { ... };
list<BankAccount*> allAccounts;
//  看啊，没有转换!
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
(*p)->creditInterest();
}

向下转换" 可以通过几种方法来消除：
最好的方法

是将这种转换用虚函数调用来代替，同时，它可能对有些类不适用，所以要使这些类的每个虚函数成为一个空操作。第二个方法是加强类型约束，使得指针的声明类型和你所知道的真的指针类型之间没有出入。

尽管如此，还是有比上面那种原始转换更好的办法。这种方法称为"安全的向下转换"，它通过 C++的 dynamic_cast 运算符（参见条款 M2）来实现。当对一个指针使用
dynamic_cast 时，先尝试转换，如果成功（即，指针的动态类型(见条款 38) 和正被转换的类型一致） ，就返回新类型的合法指针；如果dynamic_cast 失败，返回空指针。

class BankAccount { ... }; //  和本条款开始时一样
class SavingsAccount: //  同上
public BankAccount { ... };
class CheckingAccount: //  同上
public BankAccount { ... };
list<BankAccount*> allAccounts; //  看起来应该熟悉些了吧...
void error(const string& msg); //  出错处理函数;
//   见下文

//  嗯，至少转换很安全
for (list<BankAccount*>::iterator p = allAccounts.begin();
p != allAccounts.end();
++p) {
//  尝试将*p 安全转换为 SavingsAccount*；
// psa 的定义信息见下文
if (SavingsAccount *psa =
dynamic_cast<SavingsAccount*>(*p)) {
psa->creditInterest();
}
//  尝试将它安全转换为 CheckingAccount
else if (CheckingAccount *pca =
dynamic_cast<CheckingAccount*>(*p)){
pca->creditInterest();
}
//  未知的帐户类型
else {
error("Unknown account type!");
}
}

用 if-then-else 风格的编程来进行向下转换比用虚函数要逊色得多，应该将这种方法保留到万不得已的情况下使用。

总结：

继承层次中的向下转换有时是难以避免的，解决办法：

1、最优选择，用虚函数来编程

2、用C++的 dynamic_cast 运算符（参见条款 M2）来实现。