軟件工程思想6
第六章 C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 六年前，我剛熱戀“面向?qū)ο蟆保∣bject- Oriented）時(shí)，一口氣記住了近十個(gè)定義。六年后，我從幾十萬(wàn)行程序中滾爬出來(lái)準(zhǔn)備 寫點(diǎn)心得體會(huì)時(shí)，卻無(wú)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(shí)髦術(shù)語(yǔ)“面向?qū)ο蠓治觥焙汀懊嫦驅(qū)ο笤O(shè)計(jì)”，通常是針對(duì)“需求分析”和 “系統(tǒng)設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)的?！懊嫦?qū)ο蟆庇袔状髮W(xué)派，就象如來(lái)佛、上帝和真主用各自的方式定 義了這個(gè)世界，并留下一堆經(jīng)書來(lái)解釋這個(gè)世界。 有些學(xué)者建議這樣找“對(duì)象”：分析一個(gè)句子的語(yǔ)法，找出名詞和動(dòng)詞，名詞就是對(duì)象 ，動(dòng)詞則是對(duì)象的方法（即函數(shù)）。 當(dāng)年國(guó)民黨的文人為了對(duì)抗毛澤東的《沁園春·雪》，特意請(qǐng)清朝遺老們寫了一些對(duì)仗 工整的詩(shī)，請(qǐng)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(yè)的軟件工程資料，終于發(fā)現(xiàn)自己有些“弱智”，無(wú)法理解“面向?qū)ο蟆钡睦?論，同時(shí)醒悟到“編程是硬道理。” 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C++等等。C++語(yǔ)言最討人喜歡，因?yàn)樗嫒軨語(yǔ)言，并且具備C語(yǔ)言的性能。近幾 年，一種叫Java的純面向?qū)ο笳Z(yǔ)言紅極一時(shí)，不少人叫喊著要用Java革C++的命。我認(rèn)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(shí)灑 了一泡尿，倆人不該為此而爭(zhēng)吵。 關(guān)于C++程序設(shè)計(jì)的書藉非常多，本章不講C++的語(yǔ)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(wàn)行程序的質(zhì)量了。 6.1 C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的重要概念 早期革命影片里有這樣一個(gè)角色，他說：“我是黨代表，我代表黨，我就是黨。”后來(lái) 他給同志們帶來(lái)了災(zāi)難。 會(huì)用C++的程序員一定懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)嗎？ 不會(huì)用C++的程序員一定不懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)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(yǔ)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(yǔ)言的高手，更遺憾沒有人點(diǎn)撥我如何進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦?設(shè)計(jì)。我和很多C++程序員一樣，在享用到C++語(yǔ)法的好處時(shí)便以為自己已經(jīng)明白了面向 對(duì)象程序設(shè)計(jì)。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(huì)講普通話，如果懂得拼音則會(huì)把普通話講得更好。不懂面向?qū)ο蟪?序設(shè)計(jì)也可以用C++編程，如果懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)則會(huì)把C++程序編得更好。本節(jié)講 述三個(gè)非?；A(chǔ)的概念：“類與對(duì)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(kuò)充性”。 6.1.1 類與對(duì)象 對(duì)象（Object）是類（Class）的一個(gè)實(shí)例（Instance）。如果將對(duì)象比作房子，那 么類就是房子的設(shè)計(jì)圖紙。所以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的重點(diǎn)是類的設(shè)計(jì)，而不是對(duì)象的設(shè) 計(jì)。 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(hù)的或者是 私有的。這樣可以達(dá)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(dāng)成火鍋，什么東西都往里扔。 類的設(shè)計(jì)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?jiān)谠O(shè)計(jì)類時(shí)“以數(shù)據(jù)為中心”。我堅(jiān)持并且建議讀者在設(shè)計(jì)類時(shí)“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(jì)，COM的接口就相當(dāng)于類的公有函數(shù)[Rogerson 1999]。在程序設(shè)計(jì)方面，咱們不要懷疑Microsoft公司的風(fēng)格。 設(shè)計(jì)孤立的類是比較容易的，難的是正確設(shè)計(jì)基類及其派生類。因?yàn)橛行┏绦騿T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(gè)對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的示例程序說明了一個(gè)事實(shí)：C++的“繼承”特性可以提高程序的可復(fù)用性。 正因?yàn)椤袄^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(gè)好端端的健壯青年無(wú)緣無(wú)故地吃人參補(bǔ)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(jì)，冗長(zhǎng)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(dòng)具有Look、 Smell、Eat、Listen這些功能： // 錯(cuò)誤的設(shè)計(jì) class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear { }; 上述程序十分簡(jiǎn)短并且運(yùn)行正確，但是這種設(shè)計(jì)卻是錯(cuò)誤的。很多程序員經(jīng)不起“繼 承”的誘惑而犯下設(shè)計(jì)錯(cuò)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?yàn)槟鸽u下了鴨蛋。 本書3.3節(jié)講過“運(yùn)行正確”的程序不見得就是高質(zhì)量的程序，此處就是一個(gè)例證。 6.1.3 虛函數(shù)與多態(tài) 除了繼承外，C++的另一個(gè)優(yōu)良特性是支持多態(tài)，即允許將派生類的對(duì)象當(dāng)作基類的 對(duì)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(duì)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(jià)值，加上虛函數(shù)和抽象基類后，“多態(tài)”的威力就顯示 出來(lái)了。 C++用關(guān)鍵字virtual來(lái)聲明一個(gè)函數(shù)為虛函數(shù)，派生類的虛函數(shù)將覆蓋（override） 基類對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)的功能。示例程序如下： class A { public: virtual void Func1(void){ cout
軟件工程思想6