分享一下8年C++面向?qū)ο笤O計的經(jīng)驗體會
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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