c++ - 是否存在用于对子类数据执行规则的设计模式？

Question

假设一个类表示一个 3x3 矩阵，并在其构造函数中采用 9 个任意数字，并让该类具有一个 inverse() 方法。由于并非所有矩阵都是可逆的，因此 inverse() 方法返回一个可选值(或可为空的指针)，调用者必须在运行时检查该值。

但是，某些 3x3 矩阵总是可逆的，只要矩阵中的值遵循特定规则，例如3D 旋转矩阵。我们可以用一个子类来编码它，它不允许直接构造，而是通过使用一些特殊规则构造的，例如绕笛卡尔轴的旋转角度。

最终结果是这个层次结构，它应该允许层次结构的客户端在使用子类时具有编译时安全性(例如，客户端保证 object.rotate(rotationMatrix.inverse()) 将始终工作，假设 rotationMatrix是 RotationMatrix 类型):

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);
  }
}

所以分解原来的问题:

• 是否有除上述模式之外的其他模式来实现此功能？
• 如果不存在其他模式，C++ 中是否有一种方法可以防止(或至少向 future 的开发人员明确发出信号)子类不得引入新的状态或构造函数以避免转换问题(例如切片等)？

Answer 1

在这里，您点击了 circle/ellipse problem :

最好区分类并使用组合:

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;
};