修练8年C面向对象程序设计之体会解析.docx
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修练8年C面向对象程序设计之体会解析
修练8年C++面向对象程序设计之体会
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、ObjectPascal、VisualBasic、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++程序设计的书籍非常多，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。
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”。
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。
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。
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[Roberson1999]。
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。
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：
classA
{
public:
voidFunc1（void）;
voidFunc2（void）;
};
classB:
publicA
{
public:
voidFunc3（void）;
voidFunc4（void）;
};
//Example
main（）
{
Bb;//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“不吃白不吃”，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”（akindof），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：
classHuman
{
…
};
classMan:
publicHuman
{
…
};
classBoy:
publicMan
{
…
};
（2）若在逻辑上A是B的“一部分”（apartof），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（Nose）、口（Mouth）、耳（Ear）是头（Head）的一部分，所以类Head应该由类Eye、Nose、Mouth、Ear组合而成，不是派生而成。
示例程序如下：
classEye
{
public:
voidLook（void）;
};
classNose
{
public:
voidSmell（void）;
};
classMouth
{
public:
voidEat（void）;
};
classEar
{
public:
voidListen（void）;
};
//正确的设计，冗长的程序
classHead
{
public:
voidLook（void）{m_eye.Look（）;}
voidSmell（void）{m_nose.Smell（）;}
voidEat（void）{m_mouth.Eat（）;}
voidListen（void）{m_ear.Listen（）;}
private:
Eyem_eye;
Nosem_nose;
Mouthm_mouth;
Earm_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
classHead:
publicEye,publicNose,publicMouth,publicEar
{
};
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。
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Test函数可以引用A、B、C的对象。
示例程序如下：
classA
{
public:
voidFunc1（void）;
};
voidTest（A*a）
{
a->Func1（）;
}
classB:
publicA
{
…
};
classC:
publicA
{
…
};
//Example
main（）
{
Aa;
Bb;
Cc;
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（override）基类对应的虚函数的功能。
示例程序如下：
classA
{
public:
virtualvoidFunc1（void）{cout<<“ThisisA:
:
Func1\n”}
};
voidTest（A*a）
{
a->Func1（）;
}
classB:
publicA
{
public:
virtualvoidFunc1（void）{cout<<“ThisisB:
:
Func1\n”}
};
classC:
publicA
{
public:
virtualvoidFunc1（void）{cout<<“ThisisC:
:
Func1\n”}
};
//Example
main（）
{
Aa;
Bb;
Cc;
Test（&a）;//输出ThisisA:
:
Func1
Test（&b）;//输出ThisisB:
:
Func1
Test（&c）;//输出ThisisC:
:
Func1
};
如果基类A定义如下：
classA
{
public:
virtualvoidFunc1（void）=0;
};
那么函数Func1叫作纯虚函数，含有纯虚函数的类叫作抽象基类。
抽象基类只管定义纯虚函数的形式，具体的功能由派生类实现。
结合“抽象基类”和“多态”有如下突出优点：
（1）应用程序不必为每一个派生类编写功能调用，只需要对抽象基类进行处理即可。
这一招叫“以不变应万变”，可以大大提高程序的可复用性（这是接口设计的复用，而不是代码实现的复用）。
（2）派生类的功能可以被基类指针引用，这叫向后兼容，可以提高程序的可扩充性和可维护性。
以前写的程序可以被将来写的程序调用不足为奇，但是将来写的程序可以被以前写的程序调用那可了不起。
2良好的编程风格
内功深厚的武林高手出招往往平淡无奇。
同理，编程高手也不会用奇门怪招写程序。
良好的编程风格是产生高质量程序的前提。
2.1命名约定
有不少人编程时用拼音给函数或变量命名，这样做并不能说明你很爱国，却会让用此程序的人迷糊（很多南方人不懂拼音，我就不懂）。
程序中的英文一般不会太复杂，用词要力求准确。
匈牙利命名法是Microsoft公司倡导的[Maguire1993]，虽然很烦琐，但用习惯了也就成了自然。
没有人强迫你采用何种命名法，但有一点应该做到：
自己的程序命名必须一致。
以下是我编程时采用的命名约定：
（1）宏定义用大写字母加下划线表示，如MAX_LENGTH；
（2）函数用大写字母开头的单词组合而成，如SetName,GetName；
（3）指针变量加前缀p，如*pNode；
（4）BOOL变量加前缀b，如bFlag；
（5）int变量加前缀i，如iWidth；
（6）float变量加前缀f，如fWidth；
（7）double变量加前缀d，如dWidth；
（8）字符串变量加前缀str，如strName；
（9）枚举变量加前缀e，如eDrawMode；
（10）类的成员变量加前缀m_，如m_strName,m_iWidth；
对于int,float,double型的变量，如果变量名的含义十分明显，则不加前缀，避免烦琐。
如用于循环的int型变量i,j,k；float型的三维坐标（x,y,z）等。
2.2使用断言
程序一般分为Debug版本和Release版本，Debug版本用于内部调试，Release版本发行给用户使用。
断言assert是仅在Debug版本起作用的宏，它用于检查“不应该”发生的情况。
以下是一个内存复制程序，在运行过程中，如果assert的参数为假，那么程序就会中止（一般地还会出现提示对话，说明在什么地方引发了assert）。
//复制不重叠的内存块
voidmemcpy（void*pvTo,void*pvFrom,size_tsize）
{
void*pbTo=（byte*）pvTo;
void*pbFrom=（byte*）pvFrom;
assert（pvTo!
=NULL&&pvFrom!
=NULL）;
while（size-->0）
*pbTo++=*pbFrom++;
return（pvTo）;
}
assert不是一个仓促拼凑起来的宏，为了不在程序的Debug版本和Release版本引起差别，assert不应该产生任何副作用。
所以assert不是函数，而是宏。
程序员可以把assert看成一个在任何系统状态下都可以安全使用的无害测试手段。
很少有比跟踪到程序的断言，却不知道该断言的作用更让人沮丧的事了。
你化了很多时间，不是为了排除错误，而只是为了弄清楚这个错误到底是什么。
有的时候，程序员偶尔还会设计出有错误的断言。
所以如果搞不清楚断言检查的是什么，就很难判断错误是出现在程序中，还是出现在断言中。
幸运的是这个问题很好解决，只要加上清晰的注释即可。
这本是显而易见的事情，可是很少有程序员这样做。
这好比一个人在森林里，看到树上钉着一块“危险”的大牌子。
但危险到底是什么？
树要倒？
有废井？
有野兽？
除非告诉人们“危险”是什么，否则这个警告牌难以起到积极有效的作用。
难以理解的断言常常被程序员忽略，甚至被删除。
[Maguire1993]
以下是使用断言的几个原则：
（1）使用断言捕捉不应该发生的非法情况。
不要混淆非法情况与错误情况之间的区别，后者是必然存在的并且是一定要作出处理的。
（2）使用断言对函数的参数进行确认。
（3）在编写函数时，要进行反复的考查，并且自问：
“我打算做哪些假定？
”一旦确定了的假定，就要使用断言对假定进行检查。
（4）一般教科书都鼓励程序员们进行防错性的程序设计，但要记住这种编程风格会隐瞒错误。
当进行防错性编程时，如果“不可能发生”的事情的确发生了，则要使用断言进行报警。
2.3new、delete与指针mallocrealloccallocfree
在C++中，操作符new用于申请内存，操作符delete用于释放内存。
在C语言中，函数malloc用于申请内存，函数free用于释放内存。
由于C++兼容C语言，所以new、delete、malloc、free都有可能一起使用。
new能比malloc干更多的事，它可以申请对象的内存，而malloc不能。
C++和C语言中的指针威猛无比，用错了会带来灾难。
对于一个指针p，如果是用new申请的内存，则必须用delete而不能用free来释放。
如果是用malloc申请的内存，则必须用free而不能用delete来释放。
在用delete或用free释放p所指的内存后，应该马上显式地将p置为NULL，以防下次使用p时发生错误。
示例程序如下：
voidTest（void）
{
float*p;
p=newfloat[100];
if（p==NULL）return;
…//dosomething
deletep;
p=NULL;//良好的编程风格可以继续使用p
p=newfloat[500];
if（p==NULL）return;
…//dosomethingelse
deletep;
p=NULL;
}
我们还要预防“野指针”，“野指针”是指向“垃圾”内存的指针，主要成因有两种：
（1）指针没有初始化。
（2）指针指向已经释放的内存，这种情况最让人防不胜防，示例程序如下：
classA
{
public:
voidFunc（void）{…}
};
voidTest（void）
{
A*p;
{
Aa;
p=&a;//注意a的生命期
}
p->Func（）;//p是“野指针”，程序出错
}
2.4使用const
在定义一个常量时，const比#define更加灵活。
用const定义的常量含有数据类型，该常量可以参与逻辑运算。
例如：
constintLENGTH=100;//LENGTH是int类型
constfloatMAX=100;//MAX是float类型
#defineLENGTH100//LENGTH无类型
#defineMAX100//MAX无类型
除了能定义常量外，const还有两个“保护”功能：
一、强制保护函数的参数值不发生变化
以下程序中，函数f不会改变输入参数name的值，但是函数g和h都有可能改变name的值。
voidf（Strings）;//passbyvalue
voidg（String&s）;//passbyreferance
voidh（String*s）;//passbypointer
main（）
{
Stringname=“Dog”;
f（name）;//name的值不会改变
g（name）;//name的值可能改变
h（name）;//name的值可能改变
}
对于一个函数而言，如果其‘&’或‘*’类型的参数只作输入用，不作输出用，那么应当在该参数前加上const，以确保函数的代码不会改变该参数的值（如果改变了该参数的值，编译器会出现错误警告）。
因此上述程序中的函数g和h应该定义成：
voidg（constString&s）;
voidh（constString*s）;
二、强制保护类的成员函数不改变任何数据成员的值
以下程序中，类stack的成员函数Count仅用于计数，为了确保Count不改变类中的任何数据成员的值，应将函数Count定义成const类型。
classStack
{
public:
voidpush（intelem）;
voidpop（void）;
intCount（void）const;//const类型的函数
private:
intnum;
intdata[100];
};
intStack:
:
Count（void）const
{
++num;//编译错误，num值发生变化
pop（）;//编译错误，pop将改变成员变量的值
returnnum;
}
2.5其它建议
（1）不要编写一条过分复杂的语句，紧凑的C++/C代码并不见到能得到高效率的机器代码，却会降低程序的可理解性，程序出错误的几率也会提高。
（2）不要编写集多种功能于一身的函数，在函数的返回值中，不要将正常值和错误标志混在一起。
（3）不要将BOOL值TRUE和FALSE对应于1和0进行编程。
大多数编程语言将FALSE定义为0，任何非0值都是TRUE。
VisualC++将TRUE定义为1，而VisualBasic则将TRUE定义为-1。
示例程序如下：
BOOLflag;
…
if（flag）{//dosomething}//正确的用法
if（flag==TRUE）{//dosomething}//危险的用法
if（flag==1）{//dosomething}//危险的用法
if（!
flag）{//dosomething}//正确的用法
if（flag==FALSE）{//dosomething}//不合理的用法
if（flag==0）{//dosomething}//不合理的用法
（4）小心不要将“==”写成“=”，编译器不会自动发现这种错误。
（5）不要将123写成0123，后者是八进制的数值。
（6）将自己经常犯的编程错误记录下来，制成表格贴在计算机旁边。
3小结
C++/C程序设计如同少林寺的武功一样博大精深，我练了8年，大概只学到二三成。
所以无论什么时候，都不要觉得自己的编程水平天下第一，看到别人好的技术和风格，要虚心学习。
本章的内容少得可怜，就象口渴时只给你一颗杨梅吃，你一定不过瘾。
我借花献佛，推荐一本好书：
MarshallP.Cline著的《C++FAQs》[Cline1995]。
你看了后一定会赞不绝口。
会编写C++/C程序，不要因此得意洋洋，这只是程序员基本的技能要求而已。
如果把系统分析和系统设计比作“战略决策”，那么编程充其量只是“战术”。
如果指挥官是个大笨蛋，士兵再勇敢也会吃败仗。
所以我们程序员不要只把眼光盯在程序上，要让自己博学多才。
我们应该向北京胡同里的小孩们学习，他们小小年纪就能指点江山，评论世界大事。
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