軟件工程思想-C面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計.doc

C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計六年前，我剛熱戀“面向?qū)ο蟆保∣bject-Oriented）時，一口氣記住了近十個定義。六年后，我從幾十萬行程序中滾爬出來準(zhǔn)備寫點心得體會時，卻無法解釋什么是“面向?qū)ο蟆?，就象說不清楚什么是數(shù)學(xué)那樣。軟件工程中的時髦術(shù)語“面向?qū)ο蠓治觥焙汀懊嫦驅(qū)ο笤O(shè)計”，通常是針對“需求分析”和“系統(tǒng)設(shè)計”環(huán)節(jié)的?！懊嫦?qū)ο蟆庇袔状髮W(xué)派，就象如來佛、上帝和真主用各自的方式定義了這個世界，并留下一堆經(jīng)書來解釋這個世界。有些學(xué)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(shù)）。當(dāng)年國民黨的文人為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，全都有一股棺材里腐尸的氣味。”我看了幾千頁的軟件工程資料，終于發(fā)現(xiàn)自己有些“弱智”，無法理解“面向?qū)ο蟆钡睦碚?，同時醒悟到“編程是硬道理?！泵嫦?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C+等等。C+語言最討人喜歡，因為它兼容C語言，并且具備C語言的性能。近幾年，一種叫Java的純面向?qū)ο笳Z言紅極一時，不少人叫喊著要用Java革C+的命。我認(rèn)為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，倆人不該為此而爭吵。關(guān)于C+程序設(shè)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。如果我能早幾年明白這些小道理，就可以大大改善數(shù)十萬行程序的質(zhì)量了。6.1 C+面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的重要概念早期革命影片里有這樣一個角色，他說：“我是黨代表，我代表黨，我就是黨?！焙髞硭o同志們帶來了災(zāi)難。會用C+的程序員一定懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計嗎？不會用C+的程序員一定不懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計嗎？兩者都未必。就象壞蛋入黨后未必能成為好人，好人不入黨未必變成壞蛋那樣。我不怕觸犯眾怒地說句大話：“C+沒有高手，C語言才有高手?！痹谟肅和C+編程8年之后，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?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。我和很多C+程序員一樣，在享用到C+語法的好處時便以為自己已經(jīng)明白了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)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，如果懂得拼音則會把普通話講得更好。不懂面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計也可以用C+編程，如果懂得面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計則會把C+程序編得更好。本節(jié)講述三個非?；A(chǔ)的概念：“類與對象”、“繼承與組合”、“虛函數(shù)與多態(tài)”。理解這些概念，有助于提高程序的質(zhì)量，特別是提高“可復(fù)用性”與“可擴充性”。6.1.1 類與對象對象（Object）是類（Class）的一個實例（Instance）。如果將對象比作房子，那么類就是房子的設(shè)計圖紙。所以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的重點是類的設(shè)計，而不是對象的設(shè)計。類可以將數(shù)據(jù)和函數(shù)封裝在一起，其中函數(shù)表示了類的行為（或稱服務(wù)）。類提供關(guān)鍵字public、protected和private用于聲明哪些數(shù)據(jù)和函數(shù)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(nèi)容，而隱藏其它一切內(nèi)容（參見5.2.1節(jié)“信息隱藏”）。我們不可以濫用類的封裝功能，不要把它當(dāng)成火鍋，什么東西都往里扔。類的設(shè)計是以數(shù)據(jù)為中心，還是以行為為中心？主張“以數(shù)據(jù)為中心”的那一派人關(guān)注類的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們習(xí)慣上將private類型的數(shù)據(jù)寫在前面，而將public類型的函數(shù)寫在后面，如表8.1(a)所示。主張“以行為為中心”的那一派人關(guān)注類應(yīng)該提供什么樣的服務(wù)和接口，他們習(xí)慣上將public類型的函數(shù)寫在前面，而將private類型的數(shù)據(jù)寫在后面，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) 以數(shù)據(jù)為中心的書寫風(fēng)格 表8.1(b)以行為為中心的書寫風(fēng)格很多C+教課書主張在設(shè)計類時“以數(shù)據(jù)為中心”。我堅持并且建議讀者在設(shè)計類時“以行為為中心”，即首先考慮類應(yīng)該提供什么樣的函數(shù)。Microsoft 公司的COM規(guī)范的核心是接口設(shè)計，COM的接口就相當(dāng)于類的公有函數(shù)Rogerson 1999。在程序設(shè)計方面，咱們不要懷疑Microsoft公司的風(fēng)格。設(shè)計孤立的類是比較容易的，難的是正確設(shè)計基類及其派生類。因為有些程序員搞不清楚“繼承”（Inheritance）、“組合”（Composition）、“多態(tài)”（ Polymorphism）這些概念。6.1.2 繼承與組合如果A是基類，B是A的派生類，那么B將繼承A的數(shù)據(jù)和函數(shù)。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);/ Examplemain()B b;/ B的一個對象b.Func1();/ B從A繼承了函數(shù)Func1b.Func2();/ B從A繼承了函數(shù)Func2b.Func3();b.Func4();這個簡單的示例程序說明了一個事實：C+的“繼承”特性可以提高程序的可復(fù)用性。正因為“繼承”太有用、太容易用，才要防止亂用“繼承”。我們要給“繼承”立一些使用規(guī)則：一、如果類A和類B毫不相關(guān)，不可以為了使B的功能更多些而讓B繼承A的功能。不要覺得“白吃白不吃”，讓一個好端端的健壯青年無緣無故地吃人參補身體。二、如果類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 ），則允許B繼承A的功能。如男人（Man）是人（Human）的一種，男孩（Boy）是男人的一種。那么類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），則不允許B繼承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(yīng)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(shè)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;如果允許Head從Eye、Nose、Mouth、Ear派生而成，那么Head將自動具有Look、 Smell、Eat、Listen這些功能：/ 錯誤的設(shè)計class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear;上述程序十分簡短并且運行正確，但是這種設(shè)計卻是錯誤的。很多程序員經(jīng)不起“繼承”的誘惑而犯下設(shè)計錯誤。一只公雞使勁地追打一只剛下了蛋的母雞，你知道為什么嗎？因為母雞下了鴨蛋。本書3.3節(jié)講過“運行正確”的程序不見得就是高質(zhì)量的程序，此處就是一個例證。6.1.3 虛函數(shù)與多態(tài)除了繼承外，C+的另一個優(yōu)良特性是支持多態(tài)，即允許將派生類的對象當(dāng)作基類的對象使用。如果A是基類，B和C是A的派生類，多態(tài)函數(shù)Test的參數(shù)是A的指針。那么Test函數(shù)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;/ Examplemain()A a;B b;C c;Test(&a);Test(&b);Test(&c);以上程序看不出“多態(tài)”有什么價值，加上虛函數(shù)和抽象基類后，“多態(tài)”的威力就顯示出來了。C+用關(guān)鍵字virtual來聲明一個函數(shù)為虛函數(shù)，派生類的虛函數(shù)將覆蓋（override）基類對應(yīng)的虛函數(shù)的功能。示例程序如下：class A public:virtual void Func1(void) coutFunc1();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 0 )*pbTo + + = *pbFrom + + ;return (pvTo);assert不是一個倉促拼湊起來的宏，為了不在程序的Debug版本和Release版本引起差別，assert不應(yīng)該產(chǎn)生任何副作用。所以assert不是函數(shù)，而是宏。程序員可以把assert看成一個在任何系統(tǒng)狀態(tài)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，不是為了排除錯誤，而只是為了弄清楚這個錯誤到底是什么。有的時候，程序員偶爾還會設(shè)計出有錯誤的斷言。所以如果搞不清楚斷言檢查的是什么，就很難判斷錯誤是出現(xiàn)在程序中，還是出現(xiàn)在斷言中。幸運的是這個問題很好解決，只要加上清晰的注釋即可。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里，看到樹上釘著一塊“危險”的大牌子。但危險到底是什么？樹要倒？有廢井？有野獸？除非告訴人們“危險”是什么，否則這個警告牌難以起到積極有效的作用。難以理解的斷言常常被程序員忽略，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(yīng)該發(fā)生的非法情況。不要混淆非法情況與錯誤情況之間的區(qū)別，后者是必然存在的并且是一定要作出處理的。（2）使用斷言對函數(shù)的參數(shù)進行確認(rèn)。（3）在編寫函數(shù)時，要進行反復(fù)的考查，并且自問：“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(shè)計，但要記住這種編程風(fēng)格會隱瞞錯誤。當(dāng)進行防錯性編程時，如果“不可能發(fā)生”的事情的確發(fā)生了，則要使用斷言進行報警。6.2.3 new、delete與指針在C+中，操作符new用于申請內(nèi)存，操作符delete用于釋放內(nèi)存。在C語言中，函數(shù)malloc用于申請內(nèi)存，函數(shù)free用于釋放內(nèi)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干更多的事，它可以申請對象的內(nèi)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(zāi)難。對于一個指針p，如果是用new申請的內(nèi)存，則必須用delete而不能用free來釋放。如果是用malloc申請的內(nèi)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(nèi)存后，應(yīng)該馬上顯式地將p置為NULL，以防下次使用p時發(fā)生錯誤。示例程序如下：void Test(void)float *p;p = new float100;if(p=NULL) return;/ do somethingdelete p;p=NULL; / 良好的編程風(fēng)格/ 可以繼續(xù)使用pp = new float500;if(p=NULL) return;/ do something elsedelete p;p=NULL; 我們還要預(yù)防“野指針”，“野指針”是指向“垃圾”內(nèi)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(jīng)釋放的內(nèi)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;/ 注意 a 的生命期p-Func();/ p是“野指針”，程序出錯6.2.4 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(shù)據(jù)類型，該常量可以參與邏輯運算。例如：constint LENGTH = 100;/ LENGTH是int類型constfloatMAX=100;/ MAX是float類型#defineLENGTH 100/ LENGTH 無類型#defineMAX 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(shù)的參數(shù)值不發(fā)生變化以下程序中，函數(shù)f不會改變輸入?yún)?shù)name的值，但是函數(shù)g和h都有可能改變name的值。void f(String s);/ pass by valuevoid g(String &s);/ pass by referancevoid h(String *s);/ pass by pointermain()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(shù)而言，如果其&或*類型的參數(shù)只作輸入用，不作輸出用，那么應(yīng)當(dāng)在該參數(shù)前加上const，以確保函數(shù)的代碼不會改變該參數(shù)的值（如果改變了該參數(shù)的值，編譯器會出現(xiàn)錯誤警告）。因此上述程序中的函數(shù)g和h應(yīng)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(shù)不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)成員的值以下程序中，類stack的成員函數(shù)Count僅用于計數(shù)，為了確保Count不改變類中的任何數(shù)據(jù)成員的值，應(yīng)將函數(shù)Count定義成const類型。class Stack public:void push(int elem);void pop(void);intCount(void) const;/ const類型的函數(shù) private:intnum;intdata100;int Stack:Count(void) const+ num;/ 編譯錯誤，num值發(fā)生變化pop();/ 編譯錯誤，pop將改變成員變量的值return num;6.2.5 其它建議（1）不要編寫一條過分復(fù)雜的語句，緊湊的C+/C代碼并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(shù)，在函數(shù)的返回值中，不要將正常值和錯誤標(biāo)志混在一起。（3）不要將BOOL值TRUE和FALSE對應(yīng)于1和0進行編程。大多數(shù)編程語言將FALSE