軟件工程思想6
第六章 C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計 六年前，我剛熱戀“面向?qū)ο蟆保∣bject- Oriented）時，一口氣記住了近十個定義。六年后，我從幾十萬行程序中滾爬出來準備 寫點心得體會時，卻無法解釋什么是“面向?qū)ο蟆?，就象說不清楚什么是數(shù)學(xué)那樣。 軟件工程中的時髦術(shù)語“面向?qū)ο蠓治觥焙汀懊嫦驅(qū)ο笤O(shè)計”，通常是針對“需求分析”和 “系統(tǒng)設(shè)計”環(huán)節(jié)的。“面向?qū)ο蟆庇袔状髮W(xué)派，就象如來佛、上帝和真主用各自的方式定 義了這個世界，并留下一堆經(jīng)書來解釋這個世界。 有些學(xué)者建議這樣找“對象”：分析一個句子的語法，找出名詞和動詞，名詞就是對象 ，動詞則是對象的方法（即函數(shù)）。 當年國民黨的文人為了對抗毛澤東的《沁園春·雪》，特意請清朝遺老們寫了一些對仗 工整的詩，請蔣介石過目。老蔣看了氣得大罵：“娘希匹，全都有一股棺材里腐尸的氣味 。” 我看了幾千頁的軟件工程資料，終于發(fā)現(xiàn)自己有些“弱智”，無法理解“面向?qū)ο蟆钡睦?論，同時醒悟到“編程是硬道理。” 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C++等等。C++語言最討人喜歡，因為它兼容C語言，并且具備C語言的性能。近幾 年，一種叫Java的純面向?qū)ο笳Z言紅極一時，不少人叫喊著要用Java革C++的命。我認為 Java好比是C++的外甥，雖然不是直接遺傳的，但也幾分象樣。外甥在舅舅身上玩耍時灑 了一泡尿，倆人不該為此而爭吵。 關(guān)于C++程序設(shè)計的書藉非常多，本章不講C++的語法，只講一些小小的編程道理。如 果我能早幾年明白這些小道理，就可以大大改善數(shù)十萬行程序的質(zhì)量了。 6.1 C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的重要概念 早期革命影片里有這樣一個角色，他說：“我是黨代表，我代表黨，我就是黨?！焙髞?他給同志們帶來了災(zāi)難。 會用C++的程序員一定懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計嗎？ 不會用C++的程序員一定不懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計嗎？ 兩者都未必。就象壞蛋入黨后未必能成為好人，好人不入黨未必變成壞蛋那樣。 我不怕觸犯眾怒地說句大話：“C++沒有高手，C語言才有高手?！痹谟肅和C++編程8年 之后，我深深地遺憾自己不是C語言的高手，更遺憾沒有人點撥我如何進行面向?qū)ο蟪绦?設(shè)計。我和很多C++程序員一樣，在享用到C++語法的好處時便以為自己已經(jīng)明白了面向 對象程序設(shè)計。就象擠掉牙膏賣牙膏皮那樣，真是暴殄天物呀。 人們不懂拼音也會講普通話，如果懂得拼音則會把普通話講得更好。不懂面向?qū)ο蟪?序設(shè)計也可以用C++編程，如果懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計則會把C++程序編得更好。本節(jié)講 述三個非常基礎(chǔ)的概念：“類與對象”、“繼承與組合”、“虛函數(shù)與多態(tài)”。理解這些概念 ，有助于提高程序的質(zhì)量，特別是提高“可復(fù)用性”與“可擴充性”。 6.1.1 類與對象 對象（Object）是類（Class）的一個實例（Instance）。如果將對象比作房子，那 么類就是房子的設(shè)計圖紙。所以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的重點是類的設(shè)計，而不是對象的設(shè) 計。 類可以將數(shù)據(jù)和函數(shù)封裝在一起，其中函數(shù)表示了類的行為（或稱服務(wù)）。類提供關(guān) 鍵字public、protected和private用于聲明哪些數(shù)據(jù)和函數(shù)是公有的、受保護的或者是 私有的。這樣可以達到信息隱藏的目的，即讓類僅僅公開必須要讓外界知道的內(nèi)容，而 隱藏其它一切內(nèi)容（參見5.2.1節(jié)“信息隱藏”）。我們不可以濫用類的封裝功能，不要把 它當成火鍋，什么東西都往里扔。 類的設(shè)計是以數(shù)據(jù)為中心，還是以行為為中心？ 主張“以數(shù)據(jù)為中心”的那一派人關(guān)注類的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們習(xí)慣上將private類型 的數(shù)據(jù)寫在前面，而將public類型的函數(shù)寫在后面，如表8.1(a)所示。 主張“以行為為中心”的那一派人關(guān)注類應(yīng)該提供什么樣的服務(wù)和接口，他們習(xí)慣上將 public類型的函數(shù)寫在前面，而將private類型的數(shù)據(jù)寫在后面，如表8.1(b)所示。 | | | |Class A |class A | |{ |{ | |private: |public: | |int i, j; |void Func1(void); | |float x, y; |void Func2(void); | |… |… | |public: |private: | |void Func1(void); |int i, j; | |void Func2(void); |float x, y; | |… |… | |} |} | 表8.1(a) 以數(shù)據(jù)為中心的書寫風(fēng)格 表8.1(b)以行為為中心的書寫風(fēng)格 很多C++教課書主張在設(shè)計類時“以數(shù)據(jù)為中心”。我堅持并且建議讀者在設(shè)計類時“以 行為為中心”，即首先考慮類應(yīng)該提供什么樣的函數(shù)。Microsoft 公司的COM規(guī)范的核心是接口設(shè)計，COM的接口就相當于類的公有函數(shù)[Rogerson 1999]。在程序設(shè)計方面，咱們不要懷疑Microsoft公司的風(fēng)格。 設(shè)計孤立的類是比較容易的，難的是正確設(shè)計基類及其派生類。因為有些程序員搞不 清楚“繼承”（Inheritance）、“組合”（Composition）、“多態(tài)”（ Polymorphism）這些概念。 6.1.2 繼承與組合 如果A是基類，B是A的派生類，那么B將繼承A的數(shù)據(jù)和函數(shù)。示例程序如下： class A { public: void Func1(void); void Func2(void); }; class B : public A { public: void Func3(void); void Func4(void); }; // Example main() { B b; // B的一個對象 b.Func1(); // B從A繼承了函數(shù)Func1 b.Func2(); // B從A繼承了函數(shù)Func2 b.Func3(); b.Func4(); } 這個簡單的示例程序說明了一個事實：C++的“繼承”特性可以提高程序的可復(fù)用性。 正因為“繼承”太有用、太容易用，才要防止亂用“繼承”。我們要給“繼承”立一些使用規(guī) 則： 一、如果類A和類B毫不相關(guān)，不可以為了使B的功能更多些而讓B繼承A的功能。不要 覺得“白吃白不吃”，讓一個好端端的健壯青年無緣無故地吃人參補身體。 二、如果類B有必要使用A的功能，則要分兩種情況考慮： （1）若在邏輯上B是A的“一種”（a kind of ），則允許B繼承A的功能。如男人（Man）是人（Human）的一種，男孩（Boy）是男人的 一種。那么類Man可以從類Human派生，類Boy可以從類Man派生。示例程序如下： class Human { … }; class Man : public Human { … }; class Boy : public Man { … }; （2）若在邏輯上A是B的“一部分”（a part of），則不允許B繼承A的功能，而是要用A和其它東西組合出B。例如眼（Eye）、鼻（N ose）、口（Mouth）、耳（Ear）是頭（Head）的一部分，所以類Head應(yīng)該由類Eye、No se、Mouth、Ear組合而成，不是派生而成。示例程序如下： class Eye { public: void Look(void); }; class Nose { public: void Smell(void); }; class Mouth { public: void Eat(void); }; class Ear { public: void Listen(void); }; // 正確的設(shè)計，冗長的程序 class Head { public: void Look(void) { m_eye.Look(); } void Smell(void) { m_nose.Smell(); } void Eat(void) { m_mouth.Eat(); } void Listen(void) { m_ear.Listen(); } private: Eye m_eye; Nose m_nose; Mouth m_mouth; Ear m_ear; }; 如果允許Head從Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成，那么Head將自動具有Look、 Smell、Eat、Listen這些功能： // 錯誤的設(shè)計 class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear { }; 上述程序十分簡短并且運行正確，但是這種設(shè)計卻是錯誤的。很多程序員經(jīng)不起“繼 承”的誘惑而犯下設(shè)計錯誤。 一只公雞使勁地追打一只剛下了蛋的母雞，你知道為什么嗎？ 因為母雞下了鴨蛋。 本書3.3節(jié)講過“運行正確”的程序不見得就是高質(zhì)量的程序，此處就是一個例證。 6.1.3 虛函數(shù)與多態(tài) 除了繼承外，C++的另一個優(yōu)良特性是支持多態(tài)，即允許將派生類的對象當作基類的 對象使用。如果A是基類，B和C是A的派生類，多態(tài)函數(shù)Test的參數(shù)是A的指針。那么Tes t函數(shù)可以引用A、B、C的對象。示例程序如下： class A { public: void Func1(void); }; void Test(A *a) { a->Func1(); } class B : public A { … }; class C : public A { … }; // Example main() { A a; B b; C c; Test(&a); Test(&b); Test(&c); }; 以上程序看不出“多態(tài)”有什么價值，加上虛函數(shù)和抽象基類后，“多態(tài)”的威力就顯示 出來了。 C++用關(guān)鍵字virtual來聲明一個函數(shù)為虛函數(shù)，派生類的虛函數(shù)將覆蓋（override） 基類對應(yīng)的虛函數(shù)的功能。示例程序如下： class A { public: virtual void Func1(void){ cout
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