الوراثة في C++: شرح الأصناف الأساسية والمشتقة

إعادة استخدام صنف عبر توسيعه

لقد بنيتَ أصنافًا باستخدام المُنشئات ونظّفتها باستخدام المُدمّرات. الوراثة هي الخطوة التالية: بدلًا من نسخ أعضاء صنف إلى آخر، تُعلن أن صنفًا جديدًا هو نسخة متخصصة من صنف موجود، وتدعه يرث كل شيء تلقائيًا.

الصنف الموجود هو الصنف الأساسي (أو الأب)؛ والجديد هو الصنف المشتق (أو الابن). يبدأ الصنف المشتق بكل بيانات الصنف الأساسي وسلوكه، ثم يضيف أو يغيّر ما يجعله مختلفًا. هذه هي الأداة الأساسية في C++ لعلاقة "هو نوع من": فـ Dog هو Animal، و SavingsAccount هو BankAccount.

الصياغة الأساسية: class Derived : public Base

ترث بأن تُتبع اسم الصنف المشتق بنقطتين رأسيتين ومُحدِّد وصول واسم الصنف الأساسي. أكثر الصيغ شيوعًا هي الوراثة public.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Animal {
public:
    string name;
    void eat() {
        cout << name << " is eating." << endl;
    }
};

// Dog هو Animal: يحصل على name و eat() بالمجان
class Dog : public Animal {
public:
    void bark() {
        cout << name << " says woof!" << endl;
    }
};

int main() {
    Dog d;
    d.name = "Rex";   // عضو موروث
    d.eat();          // دالة موروثة
    d.bark();         // دالة Dog الخاصة به
    return 0;
}

لا يُعلِن Dog عن name ولا عن eat() على الإطلاق، ومع ذلك يعمل كلاهما على كائن Dog لأنهما وُرِثا من Animal. والصنف المشتق حرٌّ في إضافة أعضاء مثل bark() لا يعرف عنها الصنف الأساسي شيئًا.

‏protected: أعضاء للأبناء فقط

العضو private في الصنف الأساسي غير متاح داخل الصنف المشتق - فالوراثة لا تكسر التغليف. وعندما تريد إخفاء تفاصيل الصنف الأساسي عن العالم الخارجي مع إتاحتها للأصناف الفرعية، استخدم مُحدِّد الوصول protected.

#include <iostream>
using namespace std;

class BankAccount {
protected:
    double balance = 0;   // مرئي للأصناف المشتقة، لا للخارج
public:
    void deposit(double amount) { balance += amount; }
    double getBalance() const { return balance; }
};

class SavingsAccount : public BankAccount {
public:
    void addInterest(double rate) {
        balance += balance * rate;   // OK: العضو protected متاح الوصول إليه هنا
    }
};

int main() {
    SavingsAccount s;
    s.deposit(1000);
    s.addInterest(0.05);
    cout << s.getBalance() << endl; // 1050
    // s.balance = 0;   // خطأ: protected، غير متاح من main
    return 0;
}

تخيّل المستويات الثلاثة كحلقات متحدة المركز: private تعني "هذا الصنف فقط"، و protected تعني "هذا الصنف وذرّيّته"، و public تعني "الجميع". راجع مُحدِّدات الوصول للصورة الكاملة.

ترتيب المُنشئات والمُدمّرات

يحتوي الكائن المشتق على كائن جزئي أساسي، ويجب أن يكون ذلك الجزء الأساسي حيًّا قبل أن يُبنى الجزء المشتق. لذلك يجري البناء بدءًا من الأساسي، ويجري الهدم بدءًا من المشتق (بالترتيب المعاكس تمامًا). وإذا احتاج الصنف الأساسي إلى وسائط للمُنشئ، فإنك تمرّرها عبر قائمة تهيئة الأعضاء.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Animal {
    string name;
public:
    Animal(string n) : name(n) {
        cout << "Animal ctor: " << name << endl;
    }
    ~Animal() { cout << "Animal dtor: " << name << endl; }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // تمرير الوسيط إلى مُنشئ الصنف الأساسي
    Dog(string n) : Animal(n) {
        cout << "Dog ctor" << endl;
    }
    ~Dog() { cout << "Dog dtor" << endl; }
};

int main() {
    Dog d("Rex");
    return 0;
}

يجعل الخرج الترتيب ملموسًا:

Animal ctor: Rex   // الأساسي يُبنى أولًا
Dog ctor           // ثم الجزء المشتق
Dog dtor           // يُهدَم بالترتيب المعاكس...
Animal dtor: Rex   // ...الأساسي أخيرًا

إذا نسيتَ : Animal(n) ولم يكن للصنف الأساسي مُنشئ افتراضي، فلن تُترجَم الشيفرة - إذ لا تعرف C++ كيف تبني الجزء الأساسي. والصنف الأساسي الذي تنوي الوراثة منه ينبغي في معظم الأحيان أن يُعلِن مُدمّرًا (وغالبًا مُدمّرًا افتراضيًا (virtual)، كما تُبيّن الصفحة التالية).

التجاوز (Overriding): إعادة تعريف دالة من الصنف الأساسي

يستطيع الصنف المشتق استبدال دالة موروثة بأن يُعلِن دالة بالبصمة نفسها. ولا يزال بإمكانك الوصول إلى الأصلية عبر Base::method().

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
    void describe() const { cout << "A generic shape" << endl; }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void describe() const {
        Shape::describe();              // استدعاء نسخة الصنف الأساسي صراحةً
        cout << "...specifically a circle" << endl;
    }
};

int main() {
    Circle c;
    c.describe();
    return 0;
}

هذا مجرد إخفاء للاسم (name hiding)، وليس تعدد أشكال: فأيّ describe() تُنفَّذ يُحسَم وقت الترجمة بحسب النوع الساكن للمتغير. وهذا قيد جوهري - إذا استدعيتَ عبر Shape& أو Shape* يشير في حقيقته إلى Circle، فستحصل مع ذلك على Shape::describe(). ويتطلب إصلاح ذلك الكلمة المفتاحية virtual، وهي موضوع الصفحة التالية.

احذر من تقطيع الكائنات (slicing)

بما أن مرجعًا أو مؤشرًا للصنف الأساسي يمكنه أن يشير إلى كائن مشتق، فمن المغري نسخ كائن مشتق إلى متغير من النوع الأساسي. لا تفعل ذلك - فالجزء المشتق يُقتطع.

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Animal {
public:
    string name = "?";
};

class Dog : public Animal {
public:
    string breed = "Labrador";
};

int main() {
    Dog d;
    d.name = "Rex";

    Animal a = d;   // SLICING: يُنسَخ جزء Animal فقط
    cout << a.name << endl;   // Rex
    // a.breed اختفى - فهو لم يكن قط جزءًا من Animal
    return 0;
}

إن a هو Animal حقيقي، وليس Dog يرتدي بطاقة الصنف الأساسي، ولذلك فإن breed ببساطة غير موجود فيه. وللتعامل مع الكائنات المشتقة على نحو متعدد الأشكال، يجب أن تستخدم مرجعًا للصنف الأساسي (Animal&) أو مؤشرًا (Animal*)، لا قيمةً من النوع الأساسي أبدًا. والتقطيع صامت - يُترجَم بنظافة ويُسقِط البيانات بهدوء فحسب - مما يجعله من أسهل عيوب الوراثة وصولًا إلى مرحلة الإنتاج.

أخطاء شائعة ينبغي تجنّبها

• توقُّع أن تكون أعضاء private في الصنف الأساسي متاحةً في الابن. ليست كذلك. استخدم protected للبيانات التي يحتاجها الصنف المشتق فعلًا بشكل مشروع، وأبقِ الحالة الداخلية الحقيقية private.
• نسيان تمرير وسائط مُنشئ الصنف الأساسي. إذا لم يكن للصنف الأساسي مُنشئ افتراضي، فيجب أن تستدعيه صراحةً في قائمة تهيئة مُنشئ الصنف المشتق (: Base(args)).
• تقطيع كائن مشتق إلى قيمة من النوع الأساسي. نسخ Dog إلى Animal يُسقِط كل ما هو خاص بـ Dog. مرِّر وخزِّن مراجع أو مؤشرات للصنف الأساسي بدلًا من ذلك.
• الإفراط في استخدام الوراثة لإعادة استخدام الشيفرة. الوراثة تُمثّل "هو نوع من". وإذا كانت العلاقة في الحقيقة "يملك" (فـ Car يملك Engine)، ففضِّل التركيب (composition) - أي كائنًا عضوًا - على الوراثة.

التالي: الدوال الافتراضية

التجاوز الذي رأيتَه للتو حُسِم وقت الترجمة، ولذلك تجاهل الاستدعاء عبر مؤشر أساسي النسخةَ المشتقة. الصفحة التالية، الدوال الافتراضية، تُقدّم الكلمة المفتاحية virtual و override - الآلية التي تجعل النوعَ وقت التشغيل هو من يقرّر أيّ دالة تُنفَّذ، فاتحةً الباب أمام تعدد الأشكال الحقيقي، ومُفسِّرةً لماذا تحتاج الأصناف الأساسية إلى مُدمّرات افتراضية.