类、接口与错误处理

学习目标

完成本节后，你能把数据和不变量封装进 class，区分 composition 与 inheritance；会用纯虚函数设计可替换的传感器接口，正确声明 virtual destructor；能理解 TypeScript interface 与 C++ runtime polymorphism 的差异，并为硬件驱动写一个可测试的 mock 边界。

TS interface 和 C++ class 的不同

interface Sensor { read(): Sample }

struct Sensor { virtual Sample read() = 0; };

TypeScript interface 主要在编译期描述对象形状，运行时通常不存在；C++ class 可以包含状态、构造析构、访问控制和虚函数表，运行时对象确实有布局。C++ 接口如果通过基类指针删除派生对象，基类析构函数必须是 virtual，否则行为未定义。

反例是把 TS 的 structural typing 原样翻译成一个只列方法的 C++ class。C++ 还要决定谁拥有对象、接口是否可复制、函数是否抛异常、线程是否安全和返回值如何表达。优先用组合把设备、解析器和策略拼起来，不要为了复用几行代码建立深层继承树。

示例一：class 封装不变量

#include <stdexcept>

class Range {
public:
  explicit Range(double meters) : meters_{meters} {
    if (meters < 0.0) throw std::out_of_range("negative range");
  }
  double meters() const { return meters_; }
  bool within(double minimum, double maximum) const {
    return meters_ >= minimum && meters_ <= maximum;
  }
private:
  double meters_;
};

构造函数是建立不变量的入口，private 字段避免调用者直接写入负值。const 成员函数承诺不修改对象。编译、运行时用 0.8、0、-1 三组输入验证：前两个构造成功，负值进入明确错误路径。这个小类比一个裸 double 更能保护后续控制器。

示例二：纯虚接口与 mock

#include <optional>

struct SensorSample {
  double range_m;
  bool valid;
};

class RangeSensor {
public:
  virtual ~RangeSensor() = default;
  virtual std::optional<SensorSample> read() = 0;
};

class FakeSensor final : public RangeSensor {
public:
  explicit FakeSensor(double value) : value_{value} {}
  std::optional<SensorSample> read() override {
    return SensorSample{value_, value_ >= 0.0};
  }
private:
  double value_;
};

RangeSensor 不能直接实例化，FakeSensor 可以在测试里提供确定输入。override 让编译器检查方法是否真的重写；final 表示 FakeSensor 不再作为基类扩展。通过 RangeSensor& 调用时不需要知道真实设备类型，这就是运行时多态。验证时用 fake 测试边界，不需要接上真实雷达。

示例三：组合一个消息处理器

class RangeProcessor {
public:
  explicit RangeProcessor(RangeSensor& sensor) : sensor_{sensor} {}

  int process_once() {
    const auto sample = sensor_.read();
    if (!sample || !sample->valid) return 1;
    last_range_m_ = sample->range_m;
    return 0;
  }

  std::optional<double> last_range() const { return last_range_m_; }

private:
  RangeSensor& sensor_;
  std::optional<double> last_range_m_;
};

RangeProcessor 借用 sensor，不拥有它；调用者必须保证 sensor 活得更久。若处理器需要跨线程或独立管理设备，应改为 unique_ptr 或其他明确的 owner。process_once 用返回码表达一次消息是否被接受，last_range 用 optional 表达还没有成功样本。编译后用 FakeSensor 分别验证成功和坏样本。

接口边界的所有权表

引用通常表示同步借用，unique_ptr 表示独占拥有，shared_ptr 表示共享生命周期，裸指针表示可为空的观察者。接口文档还要说明 read 是否阻塞、是否线程安全、失败后设备状态是否改变。一个函数签名无法表达所有时序约束，所以需要命名、注释和测试共同组成契约。

多态与对象切片

class Base {
public:
  virtual ~Base() = default;
  virtual const char* name() const = 0;
};

class Lidar final : public Base {
public:
  const char* name() const override { return "lidar"; }
};

把 Lidar 按 Base 值传递会发生 object slicing，只保留 Base 部分；多态对象通常通过引用或指针使用。不要返回指向局部派生对象的引用。若没有运行时替换需求，模板或直接组合可能更简单、更快，也更容易让编译器内联。

编译、运行与排错

编译时开启 -Wall -Wextra -Wpedantic -Werror，重点检查 missing override、未初始化字段和窄转换。若链接失败，确认所有 virtual 函数都有 definition；若删除派生对象崩溃，检查基类析构是否 virtual；若调用后 mock 失效，检查引用或指针指向的对象是否已经离开作用域。用 AddressSanitizer 验证接口对象的生命周期，用小 fake 复现错误而不是先连接硬件。

机器人连接：硬件抽象和可测试性

真实机器人驱动会受设备、网络、时序和权限影响。让控制器依赖 RangeSensor 接口，测试时用 FakeSensor 或 ReplaySensor 注入固定消息，就能先验证滤波和状态机。生产实现可以包装串口、ROS 2 topic 或 SDK；业务层不应该到处出现设备厂商类名。接口越小，替换和诊断越容易。

动手练习

function process(sensor: Sensor) {}

void process(RangeSensor& sensor) {}

const fake: Sensor = makeFake();

FakeSensor fake{1.2};

定义 TemperatureSensor 接口和 FakeTemperatureSensor，实现一个 AlarmController：温度超过阈值返回 warning，读取失败返回 error。用三个 fake 输入覆盖正常、超限和无数据，并检查基类指针销毁派生对象不会泄漏。

FakeSensor 由测试函数拥有并在处理器之前销毁；处理器只借用 RangeSensor&；若处理器要独立拥有实现，则构造函数接收 unique_ptr<RangeSensor>。

小结与下一步

class 保护状态，接口隔离硬件变化，组合让消息处理器保持可测试。下一节会把这类接口中的重复算法抽成模板，比较运行时多态与编译期泛型在性能和错误提示上的取舍。