软件工程思想6
第六章 C++面向对象程序设计 六年前，我刚热恋“面向对象”（Object- Oriented）时，一口气记住了近十个定义。六年后，我从几十万行程序中滚爬出来准备 写点心得体会时，却无法解释什么是“面向对象”，就象说不清楚什么是数学那样。 软件工程中的时髦术语“面向对象分析”和“面向对象设计”，通常是针对“需求分析”和 “系统设计”环节的。“面向对象”有几大学派，就象如来佛、上帝和真主用各自的方式定 义了这个世界，并留下一堆经书来解释这个世界。 有些学者建议这样找“对象”：分析一个句子的语法，找出名词和动词，名词就是对象 ，动词则是对象的方法（即函数）。 当年国民党的文人为了对抗毛泽东的《沁园春·雪》，特意请清朝遗老们写了一些对仗 工整的诗，请蒋介石过目。老蒋看了气得大骂：“娘希匹，全都有一股棺材里腐尸的气味 。” 我看了几千页的软件工程资料，终于发现自己有些“弱智”，无法理解“面向对象”的理 论，同时醒悟到“编程是硬道理。” 面向对象程序设计语言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C++等等。C++语言最讨人喜欢，因为它兼容C语言，并且具备C语言的性能。近几 年，一种叫Java的纯面向对象语言红极一时，不少人叫喊着要用Java革C++的命。我认为 Java好比是C++的外甥，虽然不是直接遗传的，但也几分象样。外甥在舅舅身上玩耍时洒 了一泡尿，俩人不该为此而争吵。 关于C++程序设计的书藉非常多，本章不讲C++的语法，只讲一些小小的编程道理。如 果我能早几年明白这些小道理，就可以大大改善数十万行程序的质量了。 6.1 C++面向对象程序设计的重要概念 早期革命影片里有这样一个角色，他说：“我是党代表，我代表党，我就是党。”后来 他给同志们带来了灾难。 会用C++的程序员一定懂得面向对象程序设计吗？ 不会用C++的程序员一定不懂得面向对象程序设计吗？ 两者都未必。就象坏蛋入党后未必能成为好人，好人不入党未必变成坏蛋那样。 我不怕触犯众怒地说句大话：“C++没有高手，C语言才有高手。”在用C和C++编程8年 之后，我深深地遗憾自己不是C语言的高手，更遗憾没有人点拨我如何进行面向对象程序 设计。我和很多C++程序员一样，在享用到C++语法的好处时便以为自己已经明白了面向 对象程序设计。就象挤掉牙膏卖牙膏皮那样，真是暴殄天物呀。 人们不懂拼音也会讲普通话，如果懂得拼音则会把普通话讲得更好。不懂面向对象程 序设计也可以用C++编程，如果懂得面向对象程序设计则会把C++程序编得更好。本节讲 述三个非常基础的概念：“类与对象”、“继承与组合”、“虚函数与多态”。理解这些概念 ，有助于提高程序的质量，特别是提高“可复用性”与“可扩充性”。 6.1.1 类与对象 对象（Object）是类（Class）的一个实例（Instance）。如果将对象比作房子，那 么类就是房子的设计图纸。所以面向对象程序设计的重点是类的设计，而不是对象的设 计。 类可以将数据和函数封装在一起，其中函数表示了类的行为（或称服务）。类提供关 键字public、protected和private用于声明哪些数据和函数是公有的、受保护的或者是 私有的。这样可以达到信息隐藏的目的，即让类仅仅公开必须要让外界知道的内容，而 隐藏其它一切内容（参见5.2.1节“信息隐藏”）。我们不可以滥用类的封装功能，不要把 它当成火锅，什么东西都往里扔。 类的设计是以数据为中心，还是以行为为中心？ 主张“以数据为中心”的那一派人关注类的内部数据结构，他们习惯上将private类型 的数据写在前面，而将public类型的函数写在后面，如表8.1(a)所示。 主张“以行为为中心”的那一派人关注类应该提供什么样的服务和接口，他们习惯上将 public类型的函数写在前面，而将private类型的数据写在后面，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) 以数据为中心的书写风格 表8.1(b)以行为为中心的书写风格 很多C++教课书主张在设计类时“以数据为中心”。我坚持并且建议读者在设计类时“以 行为为中心”，即首先考虑类应该提供什么样的函数。Microsoft 公司的COM规范的核心是接口设计，COM的接口就相当于类的公有函数[Rogerson 1999]。在程序设计方面，咱们不要怀疑Microsoft公司的风格。 设计孤立的类是比较容易的，难的是正确设计基类及其派生类。因为有些程序员搞不 清楚“继承”（Inheritance）、“组合”（Composition）、“多态”（ Polymorphism）这些概念。 6.1.2 继承与组合 如果A是基类，B是A的派生类，那么B将继承A的数据和函数。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的一个对象 b.Func1(); // B从A继承了函数Func1 b.Func2(); // B从A继承了函数Func2 b.Func3(); b.Func4(); } 这个简单的示例程序说明了一个事实：C++的“继承”特性可以提高程序的可复用性。 正因为“继承”太有用、太容易用，才要防止乱用“继承”。我们要给“继承”立一些使用规 则： 一、如果类A和类B毫不相关，不可以为了使B的功能更多些而让B继承A的功能。不要 觉得“白吃白不吃”，让一个好端端的健壮青年无缘无故地吃人参补身体。 二、如果类B有必要使用A的功能，则要分两种情况考虑： （1）若在逻辑上B是A的“一种”（a kind of ），则允许B继承A的功能。如男人（Man）是人（Human）的一种，男孩（Boy）是男人的 一种。那么类Man可以从类Human派生，类Boy可以从类Man派生。示例程序如下： class Human { … }; class Man : public Human { … }; class Boy : public Man { … }; （2）若在逻辑上A是B的“一部分”（a part of），则不允许B继承A的功能，而是要用A和其它东西组合出B。例如眼（Eye）、鼻（N ose）、口（Mouth）、耳（Ear）是头（Head）的一部分，所以类Head应该由类Eye、No se、Mouth、Ear组合而成，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); }; // 正确的设计，冗长的程序 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; }; 如果允许Head从Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成，那么Head将自动具有Look、 Smell、Eat、Listen这些功能： // 错误的设计 class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear { }; 上述程序十分简短并且运行正确，但是这种设计却是错误的。很多程序员经不起“继 承”的诱惑而犯下设计错误。 一只公鸡使劲地追打一只刚下了蛋的母鸡，你知道为什么吗？ 因为母鸡下了鸭蛋。 本书3.3节讲过“运行正确”的程序不见得就是高质量的程序，此处就是一个例证。 6.1.3 虚函数与多态 除了继承外，C++的另一个优良特性是支持多态，即允许将派生类的对象当作基类的 对象使用。如果A是基类，B和C是A的派生类，多态函数Test的参数是A的指针。那么Tes t函数可以引用A、B、C的对象。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“多态”有什么价值，加上虚函数和抽象基类后，“多态”的威力就显示 出来了。 C++用关键字virtual来声明一个函数为虚函数，派生类的虚函数将覆盖（override） 基类对应的虚函数的功能。示例程序如下： class A { public: virtual void Func1(void){ cout
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