C++ 數(shù)據(jù)封裝

所有的 C++ 程序都有以下兩個(gè)基本要素：

• 程序語(yǔ)句（代碼）：這是程序中執(zhí)行動(dòng)作的部分，它們被稱(chēng)為函數(shù)。
• 程序數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)是程序的信息，會(huì)受到程序函數(shù)的影響。
  

封裝是面向?qū)ο缶幊讨械陌褦?shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)綁定在一起的一個(gè)概念，這樣能避免受到外界的干擾和誤用，從而確保了安全。數(shù)據(jù)封裝引申出了另一個(gè)重要的 OOP 概念，即數(shù)據(jù)隱藏。

數(shù)據(jù)封裝是一種把數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的函數(shù)捆綁在一起的機(jī)制，數(shù)據(jù)抽象是一種僅向用戶暴露接口而把具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來(lái)的機(jī)制。

C++ 通過(guò)創(chuàng)建類(lèi)來(lái)支持封裝和數(shù)據(jù)隱藏（public、protected、private）。我們已經(jīng)知道，類(lèi)包含私有成員（private）、保護(hù)成員（protected）和公有成員（public）成員。默認(rèn)情況下，在類(lèi)中定義的所有項(xiàng)目都是私有的。例如：

class Box
{
  public:
   double getVolume(void)
   {
     return length * breadth * height;
   }
  private:
   double length;   // 長(zhǎng)度
   double breadth;   // 寬度
   double height;   // 高度
};

變量 length、breadth 和 height 都是私有的（private）。這意味著它們只能被 Box 類(lèi)中的其他成員訪問(wèn)，而不能被程序中其他部分訪問(wèn)。這是實(shí)現(xiàn)封裝的一種方式。

為了使類(lèi)中的成員變成公有的（即，程序中的其他部分也能訪問(wèn)），必須在這些成員前使用 public 關(guān)鍵字進(jìn)行聲明。所有定義在 public 標(biāo)識(shí)符后邊的變量或函數(shù)可以被程序中所有其他的函數(shù)訪問(wèn)。

把一個(gè)類(lèi)定義為另一個(gè)類(lèi)的友元類(lèi)，會(huì)暴露實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而降低了封裝性。理想的做法是盡可能地對(duì)外隱藏每個(gè)類(lèi)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

數(shù)據(jù)封裝的實(shí)例

C++ 程序中，任何帶有公有和私有成員的類(lèi)都可以作為數(shù)據(jù)封裝和數(shù)據(jù)抽象的實(shí)例。請(qǐng)看下面的實(shí)例：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Adder{
  public:
   // 構(gòu)造函數(shù)
   Adder(int i = 0)
   {
    total = i;
   }
   // 對(duì)外的接口
   void addNum(int number)
   {
     total += number;
   }
   // 對(duì)外的接口
   int getTotal()
   {
     return total;
   };
  private:
   // 對(duì)外隱藏的數(shù)據(jù)
   int total;
};
int main( )
{
  Adder a;
  
  a.addNum(10);
  a.addNum(20);
  a.addNum(30);
 
  cout << "Total " << a.getTotal() <<endl;
  return 0;
}

當(dāng)上面的代碼被編譯和執(zhí)行時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生下列結(jié)果：

Total 60

上面的類(lèi)把數(shù)字相加，并返回總和。公有成員 addNum 和 getTotal 是對(duì)外的接口，用戶需要知道它們以便使用類(lèi)。私有成員 total 是對(duì)外隱藏的，用戶不需要了解它，但它又是類(lèi)能正常工作所必需的。

設(shè)計(jì)策略

通常情況下，我們都會(huì)設(shè)置類(lèi)成員狀態(tài)為私有（private），除非我們真的需要將其暴露，這樣才能保證良好的封裝性。

這通常應(yīng)用于數(shù)據(jù)成員，但它同樣適用于所有成員，包括虛函數(shù)。

C++ 數(shù)據(jù)抽象

數(shù)據(jù)抽象是指，只向外界提供關(guān)鍵信息，并隱藏其后臺(tái)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，即只表現(xiàn)必要的信息而不呈現(xiàn)細(xì)節(jié)。

數(shù)據(jù)抽象是一種依賴(lài)于接口和實(shí)現(xiàn)分離的編程（設(shè)計(jì)）技術(shù)。

讓我們舉一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)例子，比如一臺(tái)電視機(jī)，您可以打開(kāi)和關(guān)閉、切換頻道、調(diào)整音量、添加外部組件（如喇叭、錄像機(jī)、DVD 播放器），但是您不知道它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，也就是說(shuō)，您并不知道它是如何通過(guò)纜線接收信號(hào)，如何轉(zhuǎn)換信號(hào)，并最終顯示在屏幕上。

因此，我們可以說(shuō)電視把它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)和外部接口分離開(kāi)了，您無(wú)需知道它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理，直接通過(guò)它的外部接口（比如電源按鈕、遙控器、聲量控制器）就可以操控電視。

現(xiàn)在，讓我們言歸正傳，就 C++ 編程而言，C++ 類(lèi)為數(shù)據(jù)抽象提供了可能。它們向外界提供了大量用于操作對(duì)象數(shù)據(jù)的公共方法，也就是說(shuō)，外界實(shí)際上并不清楚類(lèi)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

例如，您的程序可以調(diào)用 sort() 函數(shù)，而不需要知道函數(shù)中排序數(shù)據(jù)所用到的算法。實(shí)際上，函數(shù)排序的底層實(shí)現(xiàn)會(huì)因庫(kù)的版本不同而有所差異，只要接口不變，函數(shù)調(diào)用就可以照常工作。

在 C++ 中，我們使用類(lèi)來(lái)定義我們自己的抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型（ADT）。您可以使用類(lèi) iostream 的 cout 對(duì)象來(lái)輸出數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)輸出，如下所示：

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main( )
{
  cout << "Hello C++" <<endl;
  return 0;
}

在這里，您不需要理解 cout 是如何在用戶的屏幕上顯示文本。您只需要知道公共接口即可，cout 的底層實(shí)現(xiàn)可以自由改變。

訪問(wèn)標(biāo)簽強(qiáng)制抽象

在 C++ 中，我們使用訪問(wèn)標(biāo)簽來(lái)定義類(lèi)的抽象接口。一個(gè)類(lèi)可以包含零個(gè)或多個(gè)訪問(wèn)標(biāo)簽：

• 使用公共標(biāo)簽定義的成員都可以訪問(wèn)該程序的所有部分。一個(gè)類(lèi)型的數(shù)據(jù)抽象視圖是由它的公共成員來(lái)定義的。
• 使用私有標(biāo)簽定義的成員無(wú)法訪問(wèn)到使用類(lèi)的代碼。私有部分對(duì)使用類(lèi)型的代碼隱藏了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
  

訪問(wèn)標(biāo)簽出現(xiàn)的頻率沒(méi)有限制。每個(gè)訪問(wèn)標(biāo)簽指定了緊隨其后的成員定義的訪問(wèn)級(jí)別。指定的訪問(wèn)級(jí)別會(huì)一直有效，直到遇到下一個(gè)訪問(wèn)標(biāo)簽或者遇到類(lèi)主體的關(guān)閉右括號(hào)為止。

數(shù)據(jù)抽象的好處

數(shù)據(jù)抽象有兩個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)：

• 類(lèi)的內(nèi)部受到保護(hù)，不會(huì)因無(wú)意的用戶級(jí)錯(cuò)誤導(dǎo)致對(duì)象狀態(tài)受損。
• 類(lèi)實(shí)現(xiàn)可能隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，以便應(yīng)對(duì)不斷變化的需求，或者應(yīng)對(duì)那些要求不改變用戶級(jí)代碼的錯(cuò)誤報(bào)告。
  

如果只在類(lèi)的私有部分定義數(shù)據(jù)成員，編寫(xiě)該類(lèi)的作者就可以隨意更改數(shù)據(jù)。如果實(shí)現(xiàn)發(fā)生改變，則只需要檢查類(lèi)的代碼，看看這個(gè)改變會(huì)導(dǎo)致哪些影響。如果數(shù)據(jù)是公有的，則任何直接訪問(wèn)舊表示形式的數(shù)據(jù)成員的函數(shù)都可能受到影響。

數(shù)據(jù)抽象的實(shí)例

C++ 程序中，任何帶有公有和私有成員的類(lèi)都可以作為數(shù)據(jù)抽象的實(shí)例。請(qǐng)看下面的實(shí)例：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Adder{
  public:
   // 構(gòu)造函數(shù)
   Adder(int i = 0)
   {
    total = i;
   }
   // 對(duì)外的接口
   void addNum(int number)
   {
     total += number;
   }
   // 對(duì)外的接口
   int getTotal()
   {
     return total;
   };
  private:
   // 對(duì)外隱藏的數(shù)據(jù)
   int total;
};
int main( )
{
  Adder a;
  
  a.addNum(10);
  a.addNum(20);
  a.addNum(30);
 
  cout << "Total " << a.getTotal() <<endl;
  return 0;
}

當(dāng)上面的代碼被編譯和執(zhí)行時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生下列結(jié)果：

Total 60

上面的類(lèi)把數(shù)字相加，并返回總和。公有成員 addNum 和 getTotal 是對(duì)外的接口，用戶需要知道它們以便使用類(lèi)。私有成員 total 是用戶不需要了解的，但又是類(lèi)能正常工作所必需的。

設(shè)計(jì)策略

抽象把代碼分離為接口和實(shí)現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)組件時(shí)，必須保持接口獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)，這樣，如果改變底層實(shí)現(xiàn)，接口也將保持不變。

在這種情況下，不管任何程序使用接口，接口都不會(huì)受到影響，只需要將最新的實(shí)現(xiàn)重新編譯即可。

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