軟件工程思想-C面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)

1、 C+面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)六年前，我剛熱戀“面對(duì)對(duì)象”（Object-Oriented）時(shí)，一口氣記住了近十個(gè)定義。六年后，我從幾十萬行程序中滾爬出來籌備寫點(diǎn)心得體會(huì)時(shí)，卻無法解釋什么是“面對(duì)對(duì)象”，就象說不清晰什么是數(shù)學(xué)那樣。軟件工程中的時(shí)髦術(shù)語“面對(duì)對(duì)象分析”和“面對(duì)對(duì)象設(shè)計(jì)”，通常是針對(duì)“需求分析”和“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)的?！懊鎸?duì)對(duì)象”有幾高校派，就象如來佛、上帝和真主用各自的方式定義了這個(gè)世界，并留下一堆經(jīng)書來解釋這個(gè)世界。有些學(xué)者建議這樣找“對(duì)象”：分析一個(gè)句子的語法，找出名詞和動(dòng)詞，名詞就是對(duì)象，動(dòng)詞則是對(duì)象的方法（即函數(shù)）。當(dāng)年國民黨的文人為了對(duì)抗毛澤東的沁園春·雪，特意請(qǐng)清朝

2、遺老們寫了一些對(duì)仗工整的詩，請(qǐng)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?！蔽铱戳藥浊ы摰能浖こ藤Y料，終究發(fā)現(xiàn)自己有些“弱智”，無法理解“面對(duì)對(duì)象”的理論，同時(shí)醒悟到“編程是硬道理。”面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)語言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、Object Pascal、Visual Basic、C+等等。C+語言最討人喜愛，由于它兼容C語言，并且具備C語言的性能。近幾年，一種叫Java的純面對(duì)對(duì)象語言紅極一時(shí)，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(shí)灑了一泡尿，倆人不該為此而

3、爭吵。關(guān)于C+程序設(shè)計(jì)的書藉特別多，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+面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)的重要概念早期革命影片里有這樣一個(gè)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(huì)用C+的程序員肯定懂得面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)嗎？不會(huì)用C+的程序員肯定不懂得面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)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，我深深地圓滿自己不是C語言的高手，更圓滿沒有人點(diǎn)撥我如何進(jìn)行面對(duì)對(duì)象程

4、序設(shè)計(jì)。我和很多C+程序員一樣，在享用到C+語法的好處時(shí)便以為自己已經(jīng)明白了面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)。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(huì)講一般話，如果懂得拼音則會(huì)把一般話講得更好。不懂面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)也可以用C+編程，如果懂得面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)則會(huì)把C+程序編得更好。本節(jié)敘述三個(gè)特別基礎(chǔ)的概念：“類與對(duì)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(kuò)充性”。6.1.1 類與對(duì)象對(duì)象（Object）是類（Class）的一個(gè)實(shí)例（Instance）。如果將對(duì)象比作房子，那么類就是房子的設(shè)計(jì)圖紙。所以面對(duì)對(duì)象程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是類的

5、設(shè)計(jì)，而不是對(duì)象的設(shè)計(jì)。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)）。類供應(yīng)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(hù)的或者是私有的。這樣可以達(dá)到信息隱藏的目的，即讓類僅僅公開必必要讓外界知道的內(nèi)容，而隱藏其它一切內(nèi)容（參見5.2.1節(jié)“信息隱藏”）。我們不行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(jì)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

6、心”的那一派人關(guān)注類應(yīng)該供應(yīng)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?jiān)谠O(shè)計(jì)類時(shí)“以數(shù)據(jù)為中心”。我堅(jiān)持并且建

7、議讀者在設(shè)計(jì)類時(shí)“以行為為中心”，即首先考慮類應(yīng)該供應(yīng)什么樣的函數(shù)。Microsoft 公司的COM規(guī)范的核心是接口設(shè)計(jì)，COM的接口就相當(dāng)于類的公有函數(shù)Rogerson 1999。在程序設(shè)計(jì)方面，咱們不要懷疑Microsoft公司的風(fēng)格。設(shè)計(jì)孤立的類是比較容易的，難的是正確設(shè)計(jì)基類及其派生類。由于有些程序員搞不清晰“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);vo

8、id Func2(void);class B : public A public:void Func3(void);void Func4(void);/ Examplemain()B b;/ B的一個(gè)對(duì)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(gè)簡潔的示例程序說明白一個(gè)事實(shí)：C+的“繼承”特性可以提高程序的可復(fù)用性。正由于“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)章：一、如果類A和類B毫不相關(guān)，不行以為了使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

9、”，讓一個(gè)好端端的健壯青年無緣無故地吃人參補(bǔ)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）若在規(guī)律上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）若在規(guī)律上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（

10、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(jì)，冗長的程序class Head public:void Look(void) m_eye.Look(); void Smell(void) m_nose.Smel

11、l(); 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(dòng)具有Look、 Smell、Eat、Listen這些功能：/ 錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear;上述程序十分簡短并且運(yùn)行正確，但是這種設(shè)計(jì)卻是錯(cuò)誤的。很多程序員經(jīng)不起“繼

12、承”的誘惑而犯下設(shè)計(jì)錯(cuò)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？由于母雞下了鴨蛋。本書3.3節(jié)講過“運(yùn)行正確”的程序不見得就是高質(zhì)量的程序，此處就是一個(gè)例證。6.1.3 虛函數(shù)與多態(tài)除了繼承外，C+的另一個(gè)優(yōu)良特性是支持多態(tài)，即允許將派生類的對(duì)象當(dāng)作基類的對(duì)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(duì)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

13、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(jià)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(gè)函數(shù)為虛函數(shù)，派生類的虛函數(shù)將掩蓋（override）基類對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)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 publ

14、ic: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”;/ Examplemain()A a;B b;C c;Test(&a);/ 輸出 This is A:Func1Test(&b); / 輸出 This is B:Func1Test(&c); / 輸出 This is C:Func1;如果基類A定義如下：class A public:v

15、irtual void Func1(void)=0;那么函數(shù)Func1叫作純虛函數(shù)，含有純虛函數(shù)的類叫作抽象基類。抽象基類只管定義純虛函數(shù)的形式，簡略的功能由派生類實(shí)現(xiàn)。結(jié)合“抽象基類”和“多態(tài)”有如下突出優(yōu)點(diǎn)：（1）應(yīng)用程序不必為每一個(gè)派生類編寫功能調(diào)用，只需要對(duì)抽象基類進(jìn)行處理即可。這一招叫“以不變應(yīng)萬變”，可以大大提高程序的可復(fù)用性（這是接口設(shè)計(jì)的復(fù)用，而不是代碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)用）。（2）派生類的功能可以被基類指針引用，這叫向后兼容，可以提高程序的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。以前寫的程序可以被將來寫的程序調(diào)用不足為奇，但是將來寫的程序可以被以前寫的程序調(diào)用那可了不起。6.2 良好的編程風(fēng)格內(nèi)功深厚的武

16、林高手出招往往平淡無奇。同理，編程高手也不會(huì)用奇門怪招寫程序。良好的編程風(fēng)格是產(chǎn)生高質(zhì)量程序的前提。6.2.1 命名約定有不少人編程時(shí)用拼音給函數(shù)或變量命名，這樣做并不能說明你很愛國，卻會(huì)讓用此程序的人模糊（很多南方人不懂拼音，我就不懂）。程序中的英文一般不會(huì)太簡單，用詞要力求精確。匈牙利命名法是Microsoft公司提倡的 Maguire 1993，雖然很煩瑣，但用習(xí)慣了也就成了自然。沒有人強(qiáng)迫你接受何種命名法，但有一點(diǎn)應(yīng)該做到：自己的程序命名必須全都。以下是我編程時(shí)接受的命名約定：（1）宏定義用大寫字母加下劃線表示，如MAX_LENGTH；（2）函數(shù)用大寫字母開頭的單詞組合而成，如SetN

17、ame, 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(duì)于 int, float, double 型的變量，如果變量名的含義十分明顯，則不加前綴，避開煩瑣。如用于循環(huán)的int型變量 i,j,k ；flo

18、at 型的三維坐標(biāo)（x,y,z）等。6.2.2 使用斷言程序一般分為Debug版本和Release版本，Debug版本用于內(nèi)部調(diào)試，Release版本發(fā)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(yīng)該”發(fā)生的情況。以下是一個(gè)內(nèi)存復(fù)制程序，在運(yùn)行過程中，如果assert的參數(shù)為假，那么程序就會(huì)中止（一般地還會(huì)消失提示對(duì)話，說明在什么地方引發(fā)了assert）。/復(fù)制不重疊的內(nèi)存塊void memcpy(void *pvTo, void *pvFrom, size_t size)void *pbTo = (byte *) pvTo;void *pbFrom = (by

19、te *) pvFrom;assert( pvTo != NULL && pvFrom != NULL );while(size - - > 0 )*pbTo + + = *pbFrom + + ;return (pvTo);assert不是一個(gè)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a(bǔ)ssert看成一個(gè)在任何系統(tǒng)狀態(tài)下都可以平安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懊喪的事了。你化了很多時(shí)間，不是為了排解錯(cuò)誤，而只是為了弄

20、清晰這個(gè)錯(cuò)誤到底是什么。有的時(shí)候，程序員偶爾還會(huì)設(shè)計(jì)出有錯(cuò)誤的斷言。所以如果搞不清晰斷言檢查的是什么，就很難推斷錯(cuò)誤是消失在程序中，還是消失在斷言中。幸運(yùn)的是這個(gè)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(gè)人在森林里，看到樹上釘著一塊“危險(xiǎn)”的大牌子。但危險(xiǎn)到底是什么？樹要倒？有廢井？有野獸？除非告知人們“危險(xiǎn)”是什么，否則這個(gè)警告牌難以起到樂觀有效的作用。難以理解的斷言常常被程序員忽視，甚至被刪除。Maguire 1993以下是使用斷言的幾個(gè)原則：（1）使用斷言捕獲不應(yīng)該發(fā)生的非法情況。不要混淆非法情況與錯(cuò)誤情況之間的區(qū)分，后者是必定存在的并

21、且是肯定要作出處理的。（2）使用斷言對(duì)函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。（3）在編寫函數(shù)時(shí)，要進(jìn)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(duì)假定進(jìn)行檢查。（4）一般教科書都激勵(lì)程序員們進(jìn)行防錯(cuò)性的程序設(shè)計(jì)，但要記住這種編程風(fēng)格會(huì)隱瞞錯(cuò)誤。當(dāng)進(jìn)行防錯(cuò)性編程時(shí)，如果“不行能發(fā)生”的事情的確發(fā)生了，則要使用斷言進(jìn)行報(bào)警。6.2.3 new、delete與指針在C+中，操作符new用于申請(qǐng)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(qǐng)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。ne

22、w能比malloc干更多的事，它可以申請(qǐng)對(duì)象的內(nèi)存，而malloc不能。C+和C語言中的指針威猛無比，用錯(cuò)了會(huì)帶來災(zāi)難。對(duì)于一個(gè)指針p，如果是用new申請(qǐng)的內(nèi)存，則必須用delete而不能用free來釋放。如果是用malloc申請(qǐng)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)該立刻顯式地將p置為NULL，以防下次使用p時(shí)發(fā)生錯(cuò)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

23、/ 可以連續(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(cuò)6.2.4 使用const在定義一個(gè)常量時(shí)，const比 #def

24、ine更加敏捷。用const定義的常量含有數(shù)據(jù)類型，該常量可以參加規(guī)律運(yùn)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(gè)“保護(hù)”功能：一、強(qiáng)制保護(hù)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(huì)轉(zhuǎn)變輸入?yún)?shù)name的值，但是函數(shù)g和h都有可能轉(zhuǎn)變name的值。void f(String s);/ pass by valuevoid g(String &s);

25、/ pass by referancevoid h(String *s);/ pass by pointermain()String name=“Dog”;f(name);/ name的值不會(huì)轉(zhuǎn)變g(name);/ name的值可能轉(zhuǎn)變h(name);/ name的值可能轉(zhuǎn)變對(duì)于一個(gè)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(huì)轉(zhuǎn)變該參數(shù)的值（如果轉(zhuǎn)變了該參數(shù)的值，編譯器會(huì)消失錯(cuò)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 *

26、s);二、強(qiáng)制保護(hù)類的成員函數(shù)不轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)，為了確保Count不轉(zhuǎn)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(cuò)誤，num值發(fā)生變化pop();/ 編譯錯(cuò)誤，pop將轉(zhuǎn)變成員變量的值return num;6.2.5 其它建議（1）不要編