物件導向程式設計之體會

 六年前，我剛熱戀“物件導向”（Object-Oriented）時，一口氣記住了近十個定義。六年後，我從幾十萬行程式中滾爬出來準備寫點心得體會時，卻無法解釋什麼是“物件導向”，就象說不清楚什麼是數學那樣。軟體工程中的時髦術語“物件導向分析”和“物件導向設計”，通常是針對“需求分析”和“系統設計”環節的。“物件導向”有幾大學派，就象如來佛、上帝和真主用各自的方式定義了這個世界，並留下一堆經書來解釋這個世界。

　　有些學者建議這樣找“對象”：分析一個句子的文法，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）。

　　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，全都有一股棺材裡腐屍的氣味。”我看了幾千頁的軟體工程資料，終於發現自己有些“弱智”，無法理解“物件導向”的理論，同時醒悟到“編程是硬道理。”

　　物件導向程式設計語言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C++等等。C++語言最討人喜歡，因為它相容C 語言，並且具備C 語言的效能。近幾年，一種叫Java 的純物件導向語言紅極一時，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。

　　關於C++程式設計的書藉非常多，本章不講C++的文法，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，就可以大大改善數十萬行程式的品質了。

1. C++物件導向程式設計的重要概念

　　早期革命影片裡有這樣一個角色，他說：“我是黨代表，我代表黨，我就是黨。”後來他給同志們帶來了災難。

　　會用C++的程式員一定懂得物件導向程式設計嗎？

　　不會用C++的程式員一定不懂得物件導向程式設計嗎？

　　兩者都未必。就象壞蛋入黨後未必能成為好人，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。”在用C 和C++編程8年之後，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物件導向程式設計。我和很多C++程式員一樣，在享用到C++文法的好處時便以為自己已經明白了物件導向程式設計。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。不懂物件導向程式設計也可以用C++編程，如果懂得物件導向程式設計則會把C++程式編得更好。本節講述三個非常基礎的概念：“類與對象”、“繼承與組合”、“虛函數與多態”。理解這些概念，有助於提高程式的品質，特別是提高“可複用性”與“可擴充性”。

1.1 類與對象

　　對象（Object）是類（Class）的一個執行個體（Instance）。如果將對象比作房子，那麼類就是房子的設計圖紙。所以物件導向程式設計的重點是類的設計，而不是對象的設計。類可以將資料和函數封裝在一起，其中函數表示了類的行為（或稱服務）。類提供關鍵字public、protected 和private 用於聲明哪些資料和函數是公有的、受保護的或者是私人的。

　　這樣可以達到資訊隱藏的目的，即讓類僅僅公開必須要讓外界知道的內容，而隱藏其它一切內容。我們不可以濫用類的封裝功能，不要把它當成火鍋，什麼東西都往裡扔。

　　類的設計是以資料為中心，還是以行為為中心？

　　主張“以資料為中心”的那一派人關注類的內部資料結構，他們習慣上將private 類型的資料寫在前面，而將public 類型的函數寫在後面，如表8.1(a)所示。

　　主張“以行為為中心”的那一派人關注類應該提供什麼樣的服務和介面，他們習慣上將public 類型的函數寫在前面，而將private 類型的資料寫在後面，如表8.1(b)所示。

　　很多C++教課書主張在設計類時“以資料為中心”。我堅持並且建議讀者在設計類時“以行為為中心”，即首先考慮類應該提供什麼樣的函數。Microsoft 公司的COM 規範的核心是介面設計，COM 的介面就相當於類的公有函數[Rogerson 1999]。在程式設計方面，咱們不要懷疑Microsoft 公司的風格。

　　設計孤立的類是比較容易的，難的是正確設計基類及其衍生類別。因為有些程式員搞不清楚“繼承”（Inheritance）、“組合”（Composition）、“多態”（ Polymorphism）這些概念。

 

1.2 繼承與組合

　　如果A 是基類，B 是A 的衍生類別，那麼B 將繼承A 的資料和函數。樣本程式如下：

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Func1
b.Func2(); // B 從A 繼承了函數Func2
b.Func3();
b.Func4();
}

　　這個簡單的樣本程式說明了一個事實：C++的“繼承”特性可以提高程式的可複用性。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”立一些使用規則：

　　一、如果類A 和類B 毫不相關，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“不吃白不吃”，讓一個好端端的健壯青年無緣無故地吃人蔘補身體。

　　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。那麼類Man 可以從類Human 派生，類Boy 可以從類Man 派生。樣本程式如下：

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（Nose）、口（Mouth）、耳（Ear）是頭（Head）的一部分，所以類Head 應該由類Eye、Nose、Mouth、Ear 組合而成，不是派生而成。樣本程式如下：

class Eye
{
public:
void Look(void);
};
class Nose
{
public:
void Smell(void);
};
class Mouth
{
public:
void Eat(void);
};
class Ear
{
public:
void Listen(void);
};
// 正確的設計，冗長的程式
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，那麼Head 將自動具有Look、Smell、Eat、Listen 這些功能：

// 錯誤的設計
class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear
{
};

　　上述程式十分簡短並且運行正確，但是這種設計卻是錯誤的。很多程式員經不起“繼承”的誘惑而犯下設計錯誤。

　　一隻公雞使勁地追打一隻剛下了蛋的母雞，你知道為什麼嗎？

　　因為母雞下了鴨蛋。

　　本書3.3 節講過“運行正確”的程式不見得就是高品質的程式，此處就是一個例證。

 

1.3 虛函數與多態

　　除了繼承外，C++的另一個優良特性是支援多態，即允許將衍生類別的對象當作基類的對象使用。如果A 是基類，B 和C 是A 的衍生類別，多態函數Test 的參數是A 的 指標。那麼Test 函數可以引用A、B、C 的對象。樣本程式如下：

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);
};

　　以上程式看不出“多態”有什麼價值，加上虛函數和抽象基類後，“多態”的威力就顯示出來了。

　　C++用關鍵字virtual 來聲明一個函數為虛函數，衍生類別的虛函數將（override）基類對應的虛函數的功能。樣本程式如下：

class A
{
public:
virtual void Func1(void){ cout<< “This is A::Func1 \n”}
};
void Test(A *a)
{
a->Func1();
}
class B : public A
{
public:
virtual void Func1(void){ cout<< “This is B::Func1 \n”}
};
class C : public A
{
public:
virtual void Func1(void){ cout<< “This is C::Func1 \n”}
};
// Example
main()
{
A a;
B b;
C c;
Test(&a); // 輸出This is A::Func1
Test(&b); // 輸出This is B::Func1
Test(&c); // 輸出This is C::Func1
};

　　如果基類A 定義如下：

class A
{
public:
virtual void Func1(void)=0;
};

　　那麼函數Func1 叫作純虛函數，含有純虛函數的類叫作抽象基類。抽象基類只管定義純虛函數的形式，具體的功能由衍生類別實現。

　　結合“抽象基類”和“多態”有如下突出優點：

　　（1）應用程式不必為每一個衍生類別編寫功能調用，只需要對抽象基類進行處理即可。這一
招叫“以不變應萬變”，可以大大提高程式的可複用性（這是介面設計的複用，而不是代碼實現的複用）。

　　（2）衍生類別的功能可以被基類指標引用，這叫向後相容，可以提高程式的可擴充性和可維護性。以前寫的程式可以被將來寫的程式調用不足為奇，但是將來寫的程式可以被以前寫的程式調用那可了不起。

 

2 良好的編程風格

　　內功深厚的武林高手出招往往平淡無奇。同理，編程高手也不會用奇門怪招寫程式。良好的編程風格是產生高品質程式的前提。

2.1 命名規範

　　有不少人編程時用拼音給函數或變數命名，這樣做並不能說明你很愛國，卻會讓用此程式的人迷糊（很多南方人不懂拼音，我就不懂）。程式中的英文一般不會太複雜，用詞要力求準確。匈牙利命名法是Microsoft 公司倡導的[Maguire 1993]，雖然很煩瑣，但用習慣了也就成了自然。沒有人強迫你採用何種命名法，但有一點應該做到：自己的程式命名必須一致。

　　以下是我編程時採用的命名規範：

　　（1）宏定義用大寫字母加底線表示，如MAX_LENGTH；

　　（2）函數用大寫字母開頭的單片語合而成，如SetName, GetName ；

　　（3）指標變數加首碼p，如*pNode ；

　　（4）BOOL 變數加首碼b，如bFlag ；

　　（5）int 變數加首碼i，如iWidth ；

　　（6）float 變數加首碼f，如fWidth ；

　　（7）double 變數加首碼d，如dWidth ；

　　（8）字串變數加首碼str，如strName ；

　　（9）枚舉變數加首碼e，如eDrawMode ；

　　（10）類的成員變數加首碼m_，如m_strName, m_iWidth ；

　　對於int, float, double 型的變數，如果變數名的含義十分明顯，則不加首碼，避免煩瑣。如用於迴圈的int 型變數i,j,k ；float 型的三維座標（x,y,z）等。

2.2 使用斷言

　　程式一般分為Debug 版本和Release 版本，Debug 版本用於內部調試，Release 版本發行給使用者使用。斷言assert 是僅在Debug 版本起作用的宏，它用於檢查“不應該”發生的情況。以下是一個記憶體複製程式，在運行過程中，如果assert 的參數為假，那麼程式就會中止（一般地還會出現提示對話，說明在什麼地方引發了assert）。

//複製不重疊的記憶體塊
void memcpy(void *pvTo, void *pvFrom, size_t size)
{
void *pbTo = (byte *) pvTo;
void *pbFrom = (byte *) pvFrom;
assert( pvTo != NULL && pvFrom != NULL );
while(size - - > 0 )
*pbTo + + = *pbFrom + + ;
return (pvTo);
}

　　assert 不是一個倉促拼湊起來的宏，為了不在程式的Debug 版本和Release 版本引起差別，assert 不應該產生任何副作用。所以assert 不是函數，而是宏。程式員可以把assert 看成一個在任何系統狀態下都可以安全使用的無害測試手段。

　　很少有比跟蹤到程式的斷言，卻不知道該斷言的作用更讓人沮喪的事了。你化了很多時間，不是為了排除錯誤，而只是為了弄清楚這個錯誤到底是什麼。有的時候，程式員偶爾還會設計出有錯誤的斷言。所以如果搞不清楚斷言檢查的是什麼，就很難判斷錯誤是出現在程式中，還是出現在斷言中。幸運的是這個問題很好解決，只要加上清晰的注釋即可。這本是顯而易見的事情，可是很少有程式員這樣做。這好比一個人在森林裡，看到樹上釘著一塊“危險”的大牌子。但危險到底是什嗎？樹要倒？有廢井？有野獸？除非告訴人們“危險”是什麼，否則這個警告牌難以起到積極有效作用。難以理解的斷言常常被程式員忽略，甚至被刪除。[Maguire
1993]

　　以下是使用斷言的幾個原則：

　　（1）使用斷言捕捉不應該發生的非法情況。不要混淆非法情況與錯誤情況之間的區別，後者是必然存在的並且是一定要作出處理的。

　　（2）使用斷言對函數的參數進行確認。

　　（3）在編寫函數時，要進行反覆的考查，並且自問：“我打算做哪些假定？”一旦確定了的
假定，就要使用斷言對假定進行檢查。

　　（4）一般教科書都鼓勵程式員們進行防錯性的程式設計，但要記住這種編程風格會隱瞞錯誤。當進行防錯性編程時，如果“不可能發生”的事情的確發生了，則要使用斷言進行警示。

 

2.3 new、delete 與指標

　　在C++中，操作符new 用於申請記憶體，操作符delete 用於釋放記憶體。在C 語言中，函數malloc 用於申請記憶體，函數free 用於釋放內 存。由於C++相容C 語言，所以new、delete、malloc、free 都有可能一起使用。new 能比malloc 幹更多的事，它可以申請對象的記憶體，而malloc 不能。C++和C 語言中的指標威猛無比，用錯了會帶來災難。對於一個指標p，如果是用new申請的記憶體，則必須用delete 而不能用free 來釋放。如果是用malloc 申請的記憶體，則必須用free
而不能用delete 來釋放。在用delete 或用free 釋放p 所指的記憶體後，應該馬上顯式地將p 置為NULL，以防下次使用p 時發生錯誤。樣本程式如下：

void Test(void)
{
float *p;
p = new float[100];
if(p==NULL) return;
…// do something
delete p;
p=NULL; // 良好的編程風格
// 可以繼續使用p
p = new float[500];
if(p==NULL) return;
…// do something else
delete p;
p=NULL;
}

　　我們還要預防“野指標”，“野指標”是指向“垃圾”記憶體的指標，主要成因有兩種：

　　（1）指標沒有初始化。
　　（2）指標指向已經釋放的記憶體，這種情況最讓人防不勝防，樣本程式如下：

class A
{
public:
void Func(void){…}
};
void Test(void)
{
A *p;
{
A a;
p = &a; // 注意a 的生命期
}
p->Func(); // p 是“野指標”，程式出錯
}

2.4 使用const

　　在定義一個常量時，const 比#define 更加靈活。用const 定義的常量含有資料類型，該常量可以參與邏輯運算。例如：

const int LENGTH = 100; // LENGTH 是int 類型
const float MAX=100; // MAX 是float 類型
#define LENGTH 100 // LENGTH 無類型
#define MAX 100 // MAX 無類型

　　除了能定義常量外，const 還有兩個“保護”功能：

　　一、強制保護函數的參數值不發生變化

　　以下程式中，函數f 不會改變輸入參數name 的值，但是函數g 和h 都有可能改變name的值。

void f(String s); // pass by value
void g(String &s); // pass by referance
void h(String *s); // pass by pointer
main()
{
String name=“Dog”;
f(name); // name 的值不會改變
g(name); // name 的值可能改變
h(name); // name 的值可能改變
}

　　對於一個函數而言，如果其‘&’或‘*’類型的參數只作輸入用，不作輸出用，那麼應當在該參數前加上const，以確保函數的代碼不會改變該參數的值（如果改變了該參數的值，編譯器會出現錯誤警告）。因此上述程式中的函數g 和h 應該定義成：

void g(const String &s);
void h(const String *s);

　　二、強制保護類的成員函數不改變任何資料成員的值

　　以下程式中，類stack 的成員函數Count 僅用於計數，為了確保Count 不改變類中的任何資料成員的值，應將函數Count 定義成const 類型。

class Stack
{
public:
void push(int elem);
void pop(void);
int Count(void) const; // const 類型的函數
private:
int num;
int data[100];
};
int Stack::Count(void) const
{
++ num; // 編譯錯誤，num 值發生變化
pop(); // 編譯錯誤，pop 將改變成員變數的值
return num;
}

2.5 其它建議

　　（1）不要編寫一條過分複雜的語句，緊湊的C++/C 代碼並不見到能得到高效率的機器代碼，卻會降低程式的可理解性，程式出錯誤的幾率也會提高。
　　（2）不要編寫集多種功能於一身的函數，在函數的傳回值中，不要將正常值和錯誤標誌混在一起。
　　（3）不要將BOOL 值TRUE 和FALSE 對應於1 和0 進行編程。大多數程式設計語言將FALSE定義為0，任何非0 值都是TRUE。Visual C++將TRUE 定義為1，而Visual Basic 則將TRUE定義為-1。樣本程式如下：

BOOL flag;
…
if(flag) { // do something } // 正確的用法
if(flag==TRUE) { // do something } // 危險的用法
if(flag==1) { // do something } // 危險的用法
if(!flag) { // do something } // 正確的用法
if(flag==FALSE) { // do something } // 不合理的用法
if(flag==0) { // do something } // 不合理的用法

　　（4）小心不要將“= =”寫成“=”，編譯器不會自動探索這種錯誤。

　　（5）不要將123 寫成0123，後者是八進位的數值。

　　（6）將自己經常犯的編程錯誤記錄下來，製成表格貼在電腦旁邊。

3 小結

　　C++/C 程式設計如同少林寺的武功一樣博大精深，我練了8 年，大概只學到二三成。所以無論什麼時候，都不要覺得自己的編程水平天下第一，看到別人好的技術和風格，要虛心學習。本章的內容少得可憐，就象口渴時只給你一顆楊梅吃，你一定不過癮。我借花獻佛，推薦一本好書：Marshall P. Cline 著的《C++ FAQs》[Cline 1995]。你看了後一定會讚不絕口。會編寫C++/C 程式，不要因此得意洋洋，這隻是程式員基本的技能要求而已。如果把系統分析和系統設計比作“戰略決策”，那麼編程充其量只是“戰術”。如果指揮官是個大笨蛋，士兵再勇敢也會吃敗仗。所以我們程式員不要只把眼光盯在程式上，要讓自己博學多才。我們應該向北京胡同裡的小孩們學習，他們小小年紀就能指點江山，評論世界大事。