C++

C++ 中派生类引用与基类引用的隐式转换

在读 OpenFOAM 代码过程中，有一类应用初看之下觉得很费解，比如 OpenFOAM-2.3.x 的 twoPhaseEulerFoam，createFields.H 有这么一段：

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phaseModel& phase1 = fluid.phase1();
phaseModel& phase2 = fluid.phase2();

volScalarField& alpha1 = phase1;
volScalarField& alpha2 = phase2;

乍看之下，感觉有点奇怪：怎么能将 phaseModel 类的引用直接赋值给 volScalarField 类的引用呢？后来查看了一下 phaseModel 类的定义，发现原来 phaseModel 类是 volScalarField 类的派生，由此上面代码就好理解了，无非是将派生类引用赋值给基类引用而已。

但是，下面代码，虽然深究下去发现原理类似，但是乍看上去却更加费解：

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Foam::tmp<Foam::volVectorField> Foam::twoPhaseSystem::U() const
{
    return phase1_*phase1_.U() + phase2_*phase2_.U();
}
Foam::tmp<Foam::surfaceScalarField> Foam::twoPhaseSystem::calcPhi() const
{
    return
        fvc::interpolate(phase1_)*phase1_.phi()
      + fvc::interpolate(phase2_)*phase2_.phi();
}

这里将 phase1_ 直接与 phase1_.U()（或者 phase1_.phi()）相乘，怎么理解？从原理上讲，应该是 phase1_ 的体积分率与其速度的乘积。
仔细看一下 phaseModel 类的构造函数，

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Foam::phaseModel::phaseModel
(
    const twoPhaseSystem& fluid,
    const dictionary& phaseProperties,
    const word& phaseName
)
:
    volScalarField
    (
        IOobject
        (
            IOobject::groupName("alpha", phaseName), // "alpha.particle" 
            fluid.mesh().time().timeName(),
            fluid.mesh(),
            IOobject::READ_IF_PRESENT,
            IOobject::AUTO_WRITE
        ),
        fluid.mesh(),
        dimensionedScalar("alpha", dimless, 0)
    ),
    ......
    ......

原来是这样，读取 “alpha.phaseName” 数据文件构建了一个 IOobject 对象，并用该对象对一个临时的 volScalarField 对象进行了初始化，然后用成员初始化列表，将该临时 volScalarField 对象对基类 volScalarField 进行初始化。

这样一来，对于上面的情形， phase1_ * phase1_.U() ，实际上是进行了一个隐式转换，先将 phase1_ 转换成基类 volScalarField 类型，由于上述 phaseModel 类的初始化设定，转换以后，phase1_ 其实就相当于用 alpha 初始化过的那个 volScalarField 类的对象了。所以， phase1_ * phase1_.U() 其实相当于 alpha.phaseName * phase1_.U() ，是两个 volScalarField 类对象之间的乘法运算。

在 twoPhaseEulerFoam的代码里，类似的用法还有很多，这里不能一一举例，当看到某处费解的时候，不妨想想是否是上面提到的情形。

为了便于理解这个原理，我这里写了一个简单的 c++ 测试小程序

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#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
    public:
        int a;
        A(int a);
        void print();

};
A::A(int a)
{
    this->a = a;
}
void A::print()
{
    cout<<"base class:"<<"a="<<a<<endl;
}

class B : public A
{
    public:
        int b;
        B(int a, int b);
        void print();
};

B::B(int a, int b):A(a)
{
    this->b = b;
}
void B::print()
{
    cout<<"Derived class:"<<"a="<<a<<",b="<<b<<endl;
}

void print_test( A& obja)
{
    obja.print();
}

int operator*(A& a, A& b)
{
    return a.a * b.a;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int a=2,b=4;

    A obj1(a);
    obj1.print();

    B obj2(a+b,b);
    obj2.print();

    A& obj3 = obj2;
    obj3.print();
    cout<<"obj3.a="<<obj3.a<<endl;
   // cout<<"obj3.b="<<obj3.b<<endl; Error! class A has no member named 'b'.

    print_test(obj1);
    print_test(obj2);

    cout<<"obj1 * obj2 :"<< obj1 * obj2 << endl;

    return 0;
}

输出如下：

base class:a=2
Derived class:a=6,b=4
base class:a=6
obj3.a=6
base class:a=2
base class:a=6
obj1 * obj2 :12

可以将上述程序中派生类对象赋值给基类的规律简单小结如下：

  • 当将基类的引用指向派生类的对象时，用该引用只能调用派生类从基类继承而来的成员。像上面程序中，obj3.a 输出的是 对象 obj2 的成员 a，但是 obj3 无法调用成员b。
  • 当一个函数需要的参数是基类的引用时，可以直接将派生类的对象传递给该函数，像上面的 print_test 函数和重载的 * 运算符那样。此事相当于作了一个隐式的将派生类对象赋值给基类引用。