面试题：C++非虚函数与代码维护性和扩展性

Question

假设你正在维护一个大型C++项目，其中包含复杂的继承结构。在这种情况下，使用非虚函数对代码的维护性和扩展性会产生怎样的影响？如何在设计中平衡非虚函数的使用以确保代码的可维护性和扩展性？请结合实际项目经验阐述。

Answer 1

非虚函数对代码维护性和扩展性的影响

1. 维护性
   • 优点：非虚函数的行为是固定的，在调用处明确知道执行的是哪个函数，这使得代码在调试和理解时相对简单。例如，在一个图形绘制库中，如果有一个Rectangle::drawBoundingBox非虚函数，它总是以固定的方式绘制矩形的边框，调用者不需要考虑多态的复杂性。
   • 缺点：当需要对类的行为进行修改时，如果使用非虚函数，在继承体系中可能会导致重复代码。比如，一个Shape类有子类Circle和Rectangle，若Shape类有一个非虚的draw函数用于绘制形状，Circle和Rectangle可能需要重新实现类似的绘制逻辑，这增加了维护成本，因为一处修改可能需要在多个地方同步更新。
2. 扩展性
   • 优点：由于非虚函数不能被重写，它提供了一种稳定的接口。在项目中，当不希望子类改变某个核心行为时，非虚函数很有用。例如，在一个安全认证模块中，User::authenticate非虚函数确保认证逻辑不被子类篡改，保证了系统的安全性。
   • 缺点：限制了多态性的使用，当需要根据对象的实际类型进行不同行为时，非虚函数无法满足需求。比如在一个游戏角色的行为系统中，不同类型的角色（战士、法师等）可能有不同的攻击行为，若使用非虚函数就很难在不修改大量代码的情况下添加新的角色类型及其攻击行为。

平衡非虚函数使用以确保可维护性和扩展性的方法

1. 明确核心稳定行为：将那些不应该被改变的核心行为定义为非虚函数。例如，在文件系统操作类中，File::close函数用于关闭文件，这个操作通常不希望被子类改变，因为它涉及到基本的系统资源管理，定义为非虚函数能保证一致性和稳定性。
2. 利用模板方法模式：在基类中定义一个非虚的模板方法，调用一些虚函数来完成复杂操作。例如，在一个数据处理流程中，基类DataProcessor有一个非虚的processData函数，它调用虚函数readData、transformData和writeData。子类可以重写这些虚函数来定制具体的数据处理步骤，而processData的整体流程保持不变，这样既保证了框架的稳定性，又提供了扩展性。
3. 避免过度使用非虚函数：在设计类时，要充分考虑未来可能的扩展需求。如果不确定某个行为是否会在子类中发生变化，优先考虑使用虚函数。例如，在一个电商系统的订单处理模块中，Order::calculateTotal函数在设计初期不确定不同类型订单（普通订单、促销订单等）的计算方式是否会有差异，此时可以先设计为虚函数，以便后续扩展。