第六章C++面向对象程序设计

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、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。6.1C++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。ClassA{private:inti,j;floatx,y;…public:voidFunc1(void);voidFunc2(void);…}classA{public:voidFunc1(void);voidFunc2(void);…private:inti,j;floatx,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[Rogerson1999]。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：classA{public:voidFunc1(void);voidFunc2(void);};classB:publicA{public:voidFunc3(void);voidFunc4(void);};//Examplemain(){Bb;//B的一个对象b.Func1();//B从A继承了函数Func1b.Func2();//B从A继承了函数Func2b.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”（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。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{…};//Examplemain(){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，派生类的虚函数将覆盖（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”}};//Examplemain(){Aa;Bb;Cc;Test(&a);//输出ThisisA::Func1Test(&b);//输出ThisisB::Func1Test(&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。6.2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。6.2.1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。6.2.2使用断言程序一般分