6-C++面向对象程序设计

zym

贡献于2015-05-20

字数:0 关键词: C/C++开发 C/C++

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、Object Pascal、Visual Basic、 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。 6.1 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”。 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。 Class A { private: int i, j; float x, y; … public: void Func1(void); void Func2(void); … } class A { public: void Func1(void); void Func2(void); … private: int i, j; float x, 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[Rogerson 1999]。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: class A { public: void Func1(void); void Func2(void); }; class B : public A { public: void Func3(void); void Func4(void); }; // Example main() { B b; // 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“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”(a kind of ),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: class Human { … }; class Man : public Human { … }; class Boy : public Man { … }; (2)若在逻辑上 A 是 B 的“一部分”(a part of),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: class Eye { public: void Look(void); }; class Nose { public: void Smell(void); }; class Mouth { public: void Eat(void); }; class Ear { public: void Listen(void); }; // 正确的设计,冗长的程序 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 class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear { }; 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: class A { public: void Func1(void); }; void Test(A *a) { a->Func1(); } class B : public A { … }; class C : public A { … }; // Example main() { A a; B b; C c; 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: 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 main() { A a; B b; C c; Test(&a); // 输出 This is A::Func1 Test(&b); // 输出 This is B::Func1 Test(&c); // 输出 This is C::Func1 }; 如果基类 A 定义如下: class A { public: virtual void Func1(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 [Maguire 1993],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 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。[Maguire 1993] 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。 6.2.3 new、delete 与指针 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: void Test(void) { float *p; p = new float[100]; if(p==NULL) return; …// do something delete p; p=NULL; // 良好的编程风格 // 可以继续使用 p p = new float[500]; if(p==NULL) return; …// do something else delete p; 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: 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“野指针”,程序出错 } 6.2.4 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: const int LENGTH = 100; // LENGTH 是 int 类型 const float MAX=100; // MAX 是 float 类型 #define LENGTH 100 // LENGTH 无类型 #define MAX 100 // 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。 void f(String s); // pass by value void g(String &s); // pass by referance void h(String *s); // pass by pointer main() { String name=“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: void g(const String &s); void h(const String *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。 class Stack { public: void push(int elem); void pop(void); int Count(void) const; // const 类型的函数 private: int num; int data[100]; }; int Stack::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 return num; } 6.2.5 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。Visual C++将 TRUE 定义为 1,而 Visual Basic 则将 TRUE 定义为-1。示例程序如下: BOOL flag; … if(flag) { // do something } // 正确的用法 if(flag==TRUE) { // do something } // 危险的用法 if(flag==1) { // do something } // 危险的用法 if(!flag) { // do something } // 正确的用法 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。 6.3 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:Marshall P. Cline 著的《C++ FAQs》[Cline 1995]。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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