修練8年C++面向對象程序設計之體會

六年前,我剛熱戀「面向對象」(Object-Oriented)時,一口氣記住了近十個定義。六年後,我從幾十萬行程序中滾爬出來預備寫點心得體會時,卻無法解釋什麽是「面向對象」,就象說不清楚什麽是數學那樣。 軟件工程中的時髦術語「面向對象分析」和「面向對象設計」,通常是針對「需求分析」和「系統設計」環節的。「面向對象」有幾大學派,就象如來佛、上帝和真主用各自的方式定義了這個世界,並留下一堆經書來解釋這個世界。

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)。

當年國民黨的文人爲了對抗毛澤東的《沁園春·雪》,特意請清朝遺老們寫了一些對仗工整的詩,請蔣介石過目。老蔣看了氣得大罵:「娘希匹,全都有一股棺材裏腐屍的氣味。」我看了幾千頁的軟件工程資料,終于發現自己有些「弱智」,無法理解「面向對象」的理論,同時醒悟到「編程是硬道理。」

面向對象程序設計語言很多,如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C++等等。C++語言最討人喜歡,因爲它兼容C 語言,並且具備C 語言的性能。近幾年,一種叫java 的純面向對象語言紅極一時,不少人叫喊著要用Java 革C++的命。我認爲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,倆人不該爲此而爭吵。

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。假如我能早幾年明白這些小道理,就可以大大改善數十萬行程序的質量了。

1. C++面向對象程序設計的重要概念

早期革命影片裏有這樣一個角色,他說:「我是黨代表,我代表黨,我就是黨。」後來他給同志們帶來了災難。

會用C++的程序員一定懂得面向對象程序設計嗎?

不會用C++的程序員一定不懂得面向對象程序設計嗎?

兩者都未必。就象壞蛋入黨後未必能成爲好人,好人不入黨未必變成壞蛋那樣。

我不怕觸犯衆怒地說句大話:「C++沒有高手,C 語言才有高手。」在用C 和C++編程8年之後,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對象程序設計。我和很多C++程序員一樣,在享用到C++語法的好處時便以爲自己已經明白了面向對象程序設計。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,假如懂得拼音則會把普通話講得更好。不懂面向對象程序設計也可以用C++編程,假如懂得面向對象程序設計則會把C++程序編得更好。本節講述三個非常基礎的概念:「類與對象」、「繼續與組合」、「虛函數與多態」。理解這些概念,有助于提高程序的質量,非凡是提高「可複用性」與「可擴充性」。

1.1 類與對象

對象(Object)是類(Class)的一個實例(Instance)。假如將對象比作房子,那麽類就是房子的設計圖紙。所以面向對象程序設計的重點是類的設計,而不是對象的設計。類可以將數據和函數封裝在一起,其中函數表示了類的行爲(或稱服務)。類提供要害字public、PRotected 和private 用于聲明哪些數據和函數是公有的、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容,而隱藏其它一切內容。我們不可以濫用類的封裝功能,不要把它當成火鍋,什麽東西都往裏扔。

類的設計是以數據爲中心,還是以行爲爲中心?

主張「以數據爲中心」的那一派人關注類的內部數據結構,他們習慣上將private 類型的數據寫在前面,而將public 類型的函數寫在後面,如表8.1(a)所示。

主張「以行爲爲中心」的那一派人關注類應該提供什麽樣的服務和接口,他們習慣上將public 類型的函數寫在前面,而將private 類型的數據寫在後面,如表8.1(b)所示。

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很多C++教課書主張在設計類時「以數據爲中心」。我堅持並且建議讀者在設計類時「以行爲爲中心」,即首先考慮類應該提供什麽樣的函數。Microsoft 公司的COM 規範的核心是接口設計,COM 的接口就相當于類的公有函數[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輕易的,難的是正確設計基類及其派生類。因爲有些程序員搞不清楚「繼續」(Inheritance)、「組合」(Composition)、「多態」( Polymorphism)這些概念。

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1.2 繼續與組合

假如A 是基類,B 是A 的派生類,那麽B 將繼續A 的數據和函數。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的一個對象

b.Func1(); // B 從A 繼續了函數Func1

b.Func2(); // B 從A 繼續了函數Func2

b.Func3();

b.Func4();

}

這個簡單的示例程序說明了一個事實:C++的「繼續」特性可以提高程序的可複用性。正因爲「繼續」太有用、太輕易用,才要防止亂用「繼續」。我們要給「繼續」立一些使用規則:

一、假如類A 和類B 毫不相關,不可以爲了使B 的功能更多些而讓B 繼續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、假如類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 ),則答應B 繼續A 的功能。如男人(Man)是人(Human)的一種,男孩(Boy)是男人的一種。那麽類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),則不答應B 繼續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;

};

假如答應Head 從Eye、Nose、Mouth、Ear 派生而成,那麽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

{

};

上述程序十分簡短並且運行正確,但是這種設計卻是錯誤的。很多程序員經不起「繼續」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,你知道爲什麽嗎?

因爲母雞下了鴨蛋。

本書3.3 節講過「運行正確」的程序不見得就是高質量的程序,此處就是一個例證。

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1.3 虛函數與多態

除了繼續外,C++的另一個優良特性是支持多態,即答應將派生類的對象當作基類的對象使用。假如A 是基類,B 和C 是A 的派生類,多態函數Test 的參數是A 的 指針。那麽Test 函數可以引用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

main()

{

A a;

B b;

C c;

Test(&a);

Test(&b);

Test(&c);

};

以上程序看不出「多態」有什麽價值,加上虛函數和抽象基類後,「多態」的威力就顯示出來了。

C++用要害字virtual 來聲明一個函數爲虛函數,派生類的虛函數將(override)基類對應的虛函數的功能。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); // 輸出This is A::Func1

Test(&b); // 輸出This is B::Func1

Test(&c); // 輸出This is C::Func1

};

假如基類A 定義如下:

class A

{

public:

virtual void Func1(void)=0;

};

那麽函數Func1 叫作純虛函數,含有純虛函數的類叫作抽象基類。抽象基類只管定義純虛函數的形式,具體的功能由派生類實現。

結合「抽象基類」和「多態」有如下突出優點:

(1)應用程序不必爲每一個派生類編寫功能調用,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複用性(這是接口設計的複用,而不是代碼實現的複用)。

(2)派生類的功能可以被基類指針引用,這叫向後兼容,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用不足爲奇,但是將來寫的程序可以被以前寫的程序調用那可了不起。

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2 良好的編程風格

內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。良好的編程風格是産生高質量程序的前提。

2.1 命名約定

有不少人編程時用拼音給函數或變量命名,這樣做並不能說明你很愛國,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複雜,用詞要力求准確。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:

(1)宏定義用大寫字母加下劃線表示,如MAX_LENGTH;

(2)函數用大寫字母開頭的單詞組合而成,如SetName, GetName ;

(3)指針變量加前綴p,如*pNode ;

(4)BOOL 變量加前綴b,如bFlag ;

(5)int 變量加前綴i,如iWidth ;

(6)float 變量加前綴f,如fWidth ;

(7)double 變量加前綴d,如dWidth ;

(8)字符串變量加前綴str,如strName ;

(9)枚舉變量加前綴e,如eDrawMode ;

(10)類的成員變量加前綴m_,如m_strName, m_iWidth ;

對于int, float, double 型的變量,假如變量名的含義十分明顯,則不加前綴,避免煩瑣。如用于循環的int 型變量i,j,k ;float 型的三維坐標(x,y,z)等。

2.2 使用斷言

程序一般分爲Debug 版本和Release 版本,Debug 版本用于內部調試,Release 版本發行給用戶使用。斷言assert 是僅在Debug 版本起作用的宏,它用于檢查「不應該」發生的情況。以下是一個內存複制程序,在運行過程中,假如assert 的參數爲假,那麽程序就會中止(一般地還會出現提示對話,說明在什麽地方引發了assert)。

//複制不重疊的內存塊

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,爲了不在程序的Debug 版本和Release 版本引起差別,assert 不應該産生任何副作用。所以assert 不是函數,而是宏。程序員可以把assert 看成一個在任何系統狀態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,不是爲了排除錯誤,而只是爲了弄清楚這個錯誤到底是什麽。有的時候,程序員偶然還會設計出有錯誤的斷言。所以假如搞不清楚斷言檢查的是什麽,就很難判定錯誤是出現在程序中,還是出現在斷言中。幸運的是這個問題很好解決,只要加上清楚的注釋即可。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裏,看到樹上釘著一塊「危險」的大牌子。但危險到底是什麽?樹要倒?有廢井?有野獸?除非告訴人們「危險」是什麽,否則這個警告牌難以起到積極有效的作用。難以理解的斷言經常被程序員忽略,甚至被刪除。[Maguire 1993]

以下是使用斷言的幾個原則:

(1)使用斷言捕捉不應該發生的非法情況。不要混淆非法情況與錯誤情況之間的區別,後者是必然存在的並且是一定要作出處理的。

(2)使用斷言對函數的參數進行確認。

(3)在編寫函數時,要進行反複的考查,並且自問:「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。

(4)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,假如「不可能發生」的事情的確發生了,則要使用斷言進行報警。

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2.3 new、delete 與指針

在C++中,操作符new 用于申請內存,操作符delete 用于釋放內存。在C 語言中,函數malloc 用于申請內存,函數free 用于釋放內 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 幹更多的事,它可以申請對象的內存,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,假如是用new申請的內存,則必須用delete 而不能用free 來釋放。假如是用malloc 申請的內存,則必須用free 而不能用delete 來釋放。在用delete 或用free 釋放p 所指的內存後,應該馬上顯式地將p 置爲NULL,以防下次使用p 時發生錯誤。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」內存的指針,主要成因有兩種:

(1)指針沒有初始化。

(2)指針指向已經釋放的內存,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; // 注重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 定義的常量含有數據類型,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、強制保護函數的參數值不發生變化

以下程序中,函數f 不會改變輸入參數name 的值,但是函數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

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

}

對于一個函數而言,假如其『&』或『*』類型的參數只作輸入用,不作輸出用,那麽應當在該參數前加上const,以確保函數的代碼不會改變該參數的值(假如改變了該參數的值,編譯器會出現錯誤警告)。因此上述程序中的函數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不改變任何數據成員的值

以下程序中,類stack 的成員函數Count 僅用于計數,爲了確保Count 不改變類中的任何數據成員的值,應將函數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

private:

int num;

int data[100];

};

int Stack::Count(void) const

{

++ num; // 編譯錯誤,num 值發生變化

pop(); // 編譯錯誤,pop 將改變成員變量的值

return num;

}

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2.5 其它建議

(1)不要編寫一條過分複雜的語句,緊湊的C++/C 代碼並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。

(2)不要編寫集多種功能于一身的函數,在函數的返回值中,不要將正常值和錯誤標志混在一起。

(3)不要將BOOL 值TRUE 和FALSE 對應于1 和0 進行編程。大多數編程語言將FALSE定義爲0,任何非0 值都是TRUE。Visual C++將TRUE 定義爲1,而Visual Basic 則將TRUE定義爲-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「=」,編譯器不會自動發現這種錯誤。

(5)不要將123 寫成0123,後者是八進制的數值。

(6)將自己經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

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。所以無論什麽時候,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。本章的內容少得可憐,就象口渴時只給你一顆楊梅吃,你一定不過瘾。我借花獻佛,推薦一本好書:Marshall P. Cline 著的《C++ FAQs》[Cline 1995]。你看了後一定會贊不絕口。會編寫C++/C 程序,不要因此自得洋洋,這只是程序員基本的技能要求而已。假如把系統分析和系統設計比作「戰略決策」,那麽編程充其量只是「戰術」。假如指揮官是個大笨蛋,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裏的小孩們學習,他們小小年紀就能指點江山,評論世界大事。

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