Готовим сцену
Прежде чем детально описывать множественное и виртуальное наследование, покажем, зачем оно нужно. Наш первый пример взят из области трехмерной компьютерной графики. Но сначала познакомимся с предметной областью.
В компьютере сцена представляется графом сцены, который содержит информацию о геометрии (трехмерные модели), один или более источников освещения (иначе сцена будет погружена во тьму), камеру (без нее мы не можем смотреть на сцену) и несколько трансформационных узлов, с помощью которых позиционируются элементы.
Процесс применения источников освещения и камеры к геометрической модели для получения двумерного изображения, отображаемого на дисплее, называется рендерингом. В алгоритме рендеринга учитываются два основных аспекта: природа источника освещения сцены и свойства материалов поверхностей объектов, такие, как цвет, шероховатость и прозрачность. Ясно, что перышки на белоснежных крыльях феи выглядят совершенно не так, как капающие из ее глаз слезы, хотя те и другие освещены одним и тем же серебристым светом.
Добавление объектов к сцене, их перемещение, игра с источниками освещения и геометрией– работа компьютерного художника. Наша задача – предоставить интерактивную поддержку для манипуляций с графом сцены на экране. Предположим, что в текущей версии своего инструмента мы решили воспользоваться каркасом приложений Open Inventor для C++ (см. [WERNECKE94]), но с помощью подтипизации расширили его, создав собственные абстракции нужных нам классов. Например, Open Inventor располагает тремя встроенными источниками освещения, производными от абстрактного базового класса SoLight:
|
class SoSpotLight : public SoLight { ... } class SoPointLight : public SoLight { ... } |
class SoDirectionalLight : public SoLight { ... }
Префикс So
служит для того, чтобы дать уникальные имена сущностям, которые в области компьютерной графики весьма распространены (данный каркас приложений проектировался еще до появления пространств имен). Точечный источник (point light) – это источник света, излучающий, как солнце, во всех направлениях. Направленный источник (directional light) – источник света, излучающий в одном направлении. Прожектор
(spotlight) – источник, испускающий узконаправленный конический пучок, как обычный театральный прожектор.
По умолчанию Open Inventor осуществляет рендеринг графа сцены на экране с помощью библиотеки OpenGL (см. [NEIDER93]). Для интерактивного отображения этого достаточно, но почти все изображения, сгенерированные для киноиндустрии, сделаны с помощью средства RenderMan (см. [UPSTILL90]). Чтобы добавить поддержку такого алгоритма рендеринга мы, в частности, должны реализовать собственные специальные подтипы источников освещения:
class RiSpotLight : public SoSpotLight { ... } class RiPointLight : public SoPointLight { ... } |
Новые подтипы содержат дополнительную информацию, необходимую для рендеринга с помощью RenderMan. При этом базовые классы Open Inventor по-прежнему позволяют выполнять рендеринг с помощью OpenGL. Неприятности начинаются, когда возникает необходимость расширить поддержку теней.
В RenderMan направленный источник и прожектор поддерживают отбрасывание тени (поэтому мы называем их источниками освещения, дающими тень, – SCLS), а точечный – нет. Общий алгоритм требует, чтобы мы обошли все источники освещения на сцене и составили карту теней для каждого включенного SCLS. Проблема в том, что источники освещения хранятся в графе сцены как полиморфные объекты класса SoLight. Хотя мы можем инкапсулировать общие данные и необходимые операции в класс SCLS, непонятно, как включить его в существующую иерархию классов Open Inventor.
В поддереве с корнем SoLight в иерархии Open Inventor нет такого класса, из которого можно было бы произвести с помощью одиночного наследования класс SCLS так, чтобы в дальнейшем уже от него произвести SdRiSpotLight и SdRiDirectionalLight. Если не пользоваться множественным наследованием, лучшее, что можно сделать, – это сравнить член класса SCLS с каждым возможным типом SCLS-источника и вызвать соответствующую операцию:
SoLight *plight = next_scene_light(); if ( RiDirectionalLight *pdilite = dynamic_cast<RiDirectionalLight*>( plight )) pdilite->scls.cast_shadow_map(); else if ( RiSpotLight *pslite = dynamic_cast<RiSpotLight*>( plight )) pslite->scls.cast_shadow_map(); |
// и так далее
(Оператор dynamic_cast – это часть механизма идентификации типов во время выполнения (RTTI). Он позволяет опросить тип объекта, адресованного полиморфным указателем или ссылкой. Подробно RTTI будет обсуждаться в главе 19.)
Пользуясь множественным наследованием, мы можем инкапсулировать подтипы SCLS, защитив наш код от изменений при добавлении или удалении источника освещения (см. рис. 18.1).
 |
|
 |
 |
 |
 |
RPointLight RSpotLight RDirectionalLight
Рис. 18.1. Множественное наследование источников освещения
|
class RiDirectionalLight : public SoDirectionalLight, public SCLS { ... }; class RiSpotLight : public SoSpotLight, public SCLS { ... }; // ... SoLight *plight = next_scene_light(); if ( SCLS *pscls = dynamic_cast<SCLS*>(plight)) |
Это решение несовершенно. Если бы у нас был доступ к исходным текстам Open Inventor, то можно было бы избежать множественного наследования, добавив к SoLight
член-указатель на SCLS и поддержку операции cast_shadow_map():
|
class SoLight : public SoNode { public: void cast_shadow_map() { if ( _scls ) _scls->cast_shadow_map(); } // ... protected: SCLS *_scls; }; // ... SdSoLight *plight = next_scene_light(); |
Самое распространенное приложение, где используется множественное (и виртуальное) наследование, – это потоковая библиотека ввода/вывода в стандартном C++. Два основных видимых пользователю класса этой библиотеки – istream
(для ввода) и ostream
(для вывода). В число их общих атрибутов входят:
· информация о форматировании (представляется ли целое число в десятичной, восьмеричной или шестнадцатеричной системе счисления, число с плавающей точкой – в нотации с фиксированной точкой или в научной нотации и т.д.);
· информация о состоянии (находится ли потоковый объект в нормальном или ошибочном состоянии и т.д.);
· информация о параметрах локализации (отображается ли в начале даты день или месяц и т.д.);
· буфер, где хранятся данные, которые нужно прочитать или записать.
Эти общие атрибуты вынесены в абстрактный базовый класс ios, для которого istream и ostream
являются производными.
Класс iostream – наш второй пример множественного наследования. Он предоставляет поддержку для чтения и записи в один и тот же файл; его предками являются классы istream и ostream. К сожалению, по умолчанию он также унаследует два различных экземпляра базового класса ios, а нам это не нужно.
изображена на рис. 18.2.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Рис. 18.2. Иерархия виртуального наследования iostream (упрощенная)
Еще один реальный пример виртуального и множественного наследования дают распределенные объектные вычисления. Подробное рассмотрение этой темы см. в серии статей Дугласа Шмидта (Douglas Schmidt) и Стива Виноски (Steve Vinoski) в [LIPPMAN96b].
В данной главе мы рассмотрим использование и поведение механизмов виртуального и множественного наследования. В другой нашей книге, “Inside the C++ Object Model”, описаны более сложные вопросы производительности и дизайна этого аспекта языка.
Для последующего обсуждения мы выбрали иерархию животных в зоопарке. Наши животные существуют на разных уровнях абстракции. Есть, конечно, особи, имеющие свои имена: Линь-Линь, Маугли или Балу. Каждое животное принадлежит к какому-то виду; скажем, Линь-Линь – это гигантская панда.
Виды в свою очередь входят в семейства. Так, гигантская панда – член семейства медведей, хотя, как мы увидим в разделе 18.5, по этому поводу в зоологии долго велись бурные дискуссии. Каждое семейство – член животного мира, в нашем случае ограниченного территорией зоопарка.
На каждом уровне абстракции имеются данные и операции, необходимые для поддержки все более и более широкого круга пользователей. Например, абстрактный класс ZooAnimal
хранит информацию, общую для всех животных в зоопарке, и предоставляет открытый интерфейс для всех возможных запросов.
Помимо классов, описывающих животных, есть и вспомогательные классы, инкапсулирующие различные абстракции иного рода, например “животные, находящиеся под угрозой вымирания”. Наша реализация класса Panda множественно наследует от Bear
(медведь) и Endangered
(вымирающие).
