設計模式是否存在用於對子類的數據執行規則？

Question

假設一個類表示一個3x3矩陣，並在其構造函數中使用9個任意數字，並讓該類有一個inverse（）方法。因爲不是所有的矩陣都是可逆的，所以inverse（）方法返回一個可選值（或可空指針），它必須在運行時由調用者檢查。然而，某些3×3矩陣總是可逆的，只要矩陣中的值遵循一定的規則，例如， 3D旋轉矩陣。我們可以用一個子類來編碼，這個子類不允許直接構造，而是通過使用一些特殊規則構造的，例如圍繞笛卡爾座標軸的旋轉角度。

最終的結果是這個層次結構，它應該允許層次結構的客戶端在使用子類時具有編譯時安全性（例如，客戶端保證object.rotate（rotationMatrix.inverse（））將始終有效，假設rotationMatrix是類型rotationMatrix的）：

class Matrix { 
public: 
    Matrix(double e_0_0, double e_0_1, double e_0_2, 
     double e_1_0, double e_1_1, double e_1_2, 
     double e_2_0, double e_2_1, double e_2_2) { 
     ... 
    } 

    std::unique_ptr<Matrix3x3> inverse() const { 
    if (isInvertible) { 
     return std::unique_ptr(new Matrix3x3(...)); 
    } 

    return std::unique_ptr(); 
    } 
} 

class RotationMatrix : public Matrix3x3 { 
public: 
    static RotationMatrix getRotationAroundX(double angle) { 
    return asRotationMatrix(Matrix(1,   0,   0, 
            0, cos(angle), -sin(angle), 
            0, sin(angle), cos(angle))); 
    } 

    RotationMatrix inverse() const { 
    return asRotationMatrix(*Matrix::inverse().get())); 
    } 

private: 
    static const RotationMatrix3D& asRotationMatrix(const Matrix3x3& matrix) { 
    return static_cast<const RotationMatrix3D&>(matrix); 
    } 
} 

所以分解原來的問題：

• 是有比上述以實現這一目標功能之外的其他模式？
• 如果沒有其他模式存在，C++有沒有辦法阻止（或者至少明確地向未來的開發者發出信號）子類不能引入新的狀態或構造函數以避免投射問題（例如切片等）？

Answer 1

這些約束應該通過接口強制執行，在這種情況下，通過構造函數和任何可能的mutators（setters）。這非常符合你描述的模式。

爲了防止將來的開發人員通過繼承混淆了類的內部，請通過聲明private來使相關數據成員（即您想保護的數據成員）無法訪問。

由於C++ 11，您還可以聲明您的類final，以便任何人都無法繼承它。

Answer 2

在C++中有沒有辦法阻止（或者至少明確地向未來的開發者發出信號）子類不能引入新的狀態？不幸的是，答案是否定的。在任何OO語言的所有層次使用，作爲一個一般規律：子類可以做它的父做的所有東西，並可以添加其他方法和attributs

，如果你有特殊的要求，你可以做的更好，是寫一份文件並在那裏明確說明。

Answer 3

在這裏，你打circle/ellipse problem：

最好能有不同的類別和用途的組合物：

class RotationMatrix { 
public: 

    static RotationMatrix getRotationAroundX(double angle) { 
     return { Matrix(1,   0,   0, 
         0, cos(angle), -sin(angle), 
         0, sin(angle), cos(angle))}; 
    } 

    RotationMatrix inverse() const { 
     return {*Matrix::inverse().get()}); 
    } 

    const Matrix3x3& AsMatrix() const { return matrix; } 

private: 
    static RotationMatrix(const Matrix3x3& matrix) : matrix(matrix) {} 
    Matrix3x3 matrix; 
};