六年前，我剛熱戀“面向?qū)ο?rdquo;（Object-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?rdquo;，就象說不清楚什么是數(shù)學那樣。軟件工程中的時髦術語“面向?qū)ο蠓治?rdquo;和“面向?qū)ο笤O計”，通常是針對“需求分析”和“系統(tǒng)設計”環(huán)節(jié)的。“面向?qū)ο?rdquo;有幾大學派。

　　有些學者建議這樣找“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)）。

　　面向?qū)ο蟪绦蛟O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。

　　關于C++程序設計的書藉非常多，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。

　　1. C++面向?qū)ο蟪绦蛟O計的重要概念

　　會用C++的程序員一定懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O計嗎？

　　不會用C++的程序員一定不懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O計嗎？

　　兩者都未必。

　　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蟪绦蛟O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?qū)ο蟪绦蛟O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蟪绦蛟O計也可以用C++編程，如果懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O計則會把C++程序編得更好。本節(jié)講述三個非常基礎的概念：“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“可復用性”與“可擴充性”。

　　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計圖紙。所以面向?qū)ο蟪绦蛟O計的重點是類的設計，而不是對象的設計。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）。類提供關鍵字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。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”的那一派人關注類的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們習慣上將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”的那一派人關注類應該提供什么樣的服務和接口，他們習慣上將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。

談談8年C++面向?qū)ο笤O計的經(jīng)驗體會

　　很多C++教課書主張在設計類時“以數(shù)據(jù)為中心”。我堅持并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么樣的函數(shù)。Microsoft 公司的COM 規(guī)范的核心是接口設計，COM 的接口就相當于類的公有函數(shù)[Rogerson 1999]。在程序設計方面，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。

　　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  
int 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();  
return 0;  
} 

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，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（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。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，但是這種設計卻是錯誤的。很多程序員經(jīng)不起“繼承”的誘惑而犯下設計錯誤。

　　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。

　　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Test 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  
int main()  
{  
A a;  
B b;  
C c;  
Test(&a);  
Test(&b);  
Test(&c);  
return 0;  
}; 

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（override）基類對應的虛函數(shù)的功能。示例程序如下：

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  
int 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  
return 0;  
}; 

如果基類A 定義如下：

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

那么函數(shù)Func1 叫作純虛函數(shù)，含有純虛函數(shù)的類叫作抽象基類。抽象基類只管定義純虛函數(shù)的形式，具體的功能由派生類實現(xiàn)。

　　結(jié)合“抽象基類”和“多態(tài)”有如下突出優(yōu)點：

　?。?）應用程序不必為每一個派生類編寫功能調(diào)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”，可以大大提高程序的可復用性（這是接口設計的復用，而不是代碼實現(xiàn)的復用）。

　?。?）派生類的功能可以被基類指針引用，這叫向后兼容，可以提高程序的可擴充性和可維護性。以前寫的程序可以被將來寫的程序調(diào)用不足為奇，但是將來寫的程序可以被以前寫的程序調(diào)用那可了不起。

　　2 良好的編程風格

　　內(nèi)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序。良好的編程風格是產(chǎn)生高質(zhì)量程序的前提。

　　2.1 命名約定

　　有不少人編程時用拼音給函數(shù)或變量命名，這樣做并不能說明你很愛國，卻會讓用此程序的人迷糊（很多南方人不懂拼音，我就不懂）。程序中的英文一般不會太復雜，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。沒有人強迫你采用何種命名法，但有一點應該做到：自己的程序命名必須一致。

　　以下是我編程時采用的命名約定：

　?。?）宏定義用大寫字母加下劃線表示，如MAX_LENGTH；

　　（2）函數(shù)用大寫字母開頭的單詞組合而成，如SetName, GetName ；

　?。?）指針變量加前綴p，如*pNode ；

　?。?）BOOL 變量加前綴b，如bFlag ；

　?。?）int 變量加前綴i，如iWidth ；

　?。?）float 變量加前綴f，如fWidth ；

　?。?）double 變量加前綴d，如dWidth ；

　?。?）字符串變量加前綴str，如strName ；

　?。?）枚舉變量加前綴e，如eDrawMode ；

　?。?0）類的成員變量加前綴m_，如m_strName, m_iWidth ；

　　對于int, float, double 型的變量，如果變量名的含義十分明顯，則不加前綴，避免煩瑣。如用于循環(huán)的int 型變量i,j,k ；float 型的三維坐標（x,y,z）等。

　　2.2 使用斷言

　　程序一般分為Debug 版本和Release 版本，Debug 版本用于內(nèi)部調(diào)試，Release 版本發(fā)行給用戶使用。斷言assert 是僅在Debug 版本起作用的宏，它用于檢查“不應該”發(fā)生的情況。以下是一個內(nèi)存復制程序，在運行過程中，如果assert 的參數(shù)為假，那么程序就會中止（一般地還會出現(xiàn)提示對話，說明在什么地方引發(fā)了assert）。

//復制不重疊的內(nèi)存塊  
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，為了不在程序的Debug 版本和Release 版本引起差別，assert 不應該產(chǎn)生任何副作用。所以assert 不是函數(shù)，而是宏。程序員可以把assert 看成一個在任何系統(tǒng)狀態(tài)下都可以安全使用的無害測試手段。

　　很少有比跟蹤到程序的斷言，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么。有的時候，程序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么，就很難判斷錯誤是出現(xiàn)在程序中，還是出現(xiàn)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，可是很少有程序員這樣做。這好比一個人在森林里，看到樹上釘著一塊“危險”的大牌子。但危險到底是什么？樹要倒？有廢井？有野獸？除非告訴人們“危險”是什么，否則這個警告牌難以起到積極有效的作用。難以理解的斷言常常被程序員忽略，甚至被刪除。[Maguire 1993]

　　以下是使用斷言的幾個原則：

　?。?）使用斷言捕捉不應該發(fā)生的非法情況。不要混淆非法情況與錯誤情況之間的區(qū)別，后者是必然存在的并且是一定要作出處理的。

　　（2）使用斷言對函數(shù)的參數(shù)進行確認。

　?。?）在編寫函數(shù)時，要進行反復的考查，并且自問：“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。

　?。?）一般教科書都鼓勵程序員們進行防錯性的程序設計，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(fā)生”的事情的確發(fā)生了，則要使用斷言進行報警。

　　2.3 new、delete 與指針

　　在C++中，操作符new 用于申請內(nèi)存，操作符delete 用于釋放內(nèi)存。在C 語言中，函數(shù)malloc 用于申請內(nèi)存，函數(shù)free 用于釋放內(nèi) 存。由于C++兼容C 語言，所以new、delete、malloc、free 都有可能一起使用。new 能比malloc 干更多的事，它可以申請對象的內(nèi)存，而malloc 不能。C++和C 語言中的指針威猛無比，用錯了會帶來災難。對于一個指針p，如果是用new申請的內(nèi)存，則必須用delete 而不能用free 來釋放。如果是用malloc 申請的內(nèi)存，則必須用free 而不能用delete 來釋放。在用delete 或用free 釋放p 所指的內(nèi)存后，應該馬上顯式地將p 置為NULL，以防下次使用p 時發(fā)生錯誤。示例程序如下：

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(xù)使用p  
p = new float[500];  
if(p==NULL) return;  
…// do something else  
delete p;  
p=NULL;  
}  

我們還要預防“野指針”，“野指針”是指向“垃圾”內(nèi)存的指針，主要成因有兩種：

　?。?）指針沒有初始化。

　?。?）指針指向已經(jīng)釋放的內(nèi)存，這種情況最讓人防不勝防，示例程序如下：

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“野指針”，程序出錯  
}  

2.4 使用const

　　在定義一個常量時，const 比#define 更加靈活。用const 定義的常量含有數(shù)據(jù)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(shù)的參數(shù)值不發(fā)生變化

　　以下程序中，函數(shù)f 不會改變輸入?yún)?shù)name 的值，但是函數(shù)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  
int 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  
return 0;  
}  

對于一個函數(shù)而言，如果其‘&’或‘*’類型的參數(shù)只作輸入用，不作輸出用，那么應當在該參數(shù)前加上const，以確保函數(shù)的代碼不會改變該參數(shù)的值（如果改變了該參數(shù)的值，編譯器會出現(xiàn)錯誤警告）。因此上述程序中的函數(shù)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(shù)不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)成員的值

　　以下程序中，類stack 的成員函數(shù)Count 僅用于計數(shù)，為了確保Count 不改變類中的任何數(shù)據(jù)成員的值，應將函數(shù)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(shù)  
private:  
int num;  
int data[100];  
};  
int Stack::Count(void) const  
{  
++ num; // 編譯錯誤，num 值發(fā)生變化  
pop(); // 編譯錯誤，pop 將改變成員變量的值  
return num;  
}  

2.5 其它建議

　?。?）不要編寫一條過分復雜的語句，緊湊的C++/C 代碼并不見到能得到高效率的機器代碼，卻會降低程序的可理解性，程序出錯誤的幾率也會提高。

　?。?）不要編寫集多種功能于一身的函數(shù)，在函數(shù)的返回值中，不要將正常值和錯誤標志混在一起。

　?。?）不要將BOOL 值TRUE 和FALSE 對應于1 和0 進行編程。大多數(shù)編程語言將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。示例程序如下：

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“=”，編譯器不會自動發(fā)現(xiàn)這種錯誤。

　　（5）不要將123 寫成0123，后者是八進制的數(shù)值。

　　（6）將自己經(jīng)常犯的編程錯誤記錄下來，制成表格貼在計算機旁邊。

　　3 小結(jié)

　　C++/C 程序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。所以無論什么時候，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(nèi)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]。你看了后一定會贊不絕口。會編寫C++/C 程序，不要因此得意洋洋，這只是程序員基本的技能要求而已。如果把系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計比作“戰(zhàn)略決策”，那么編程充其量只是“戰(zhàn)術”。如果指揮官是個大笨蛋，士兵再勇敢也會吃敗仗。所以我們程序員不要只把眼光盯在程序上，要讓自己博學多才。我們應該向北京胡同里的小孩們學習，他們小小年紀就能指點江山，評論世界大事。

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