C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計
    六年前，我剛熱戀''面向?qū)ο?'（Object-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?'，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?'和''面向?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。''面向?qū)ο?'有幾大學(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?'的理論，同時醒悟到''編程是硬道理。''面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言很多，如Smalltalk、Ada、Eiffel、ObjectPascal、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。''后來他給同志們帶來了災(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。''在用C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)講述三個非常基礎(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。
  　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);
            };
            // Example
            main()
            {
            B b; // B的一個對象
            b.Func1(); // B從A繼承了函數(shù)Func1
            b.Func2(); // B從A繼承了函數(shù)Func2
            b.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''（apart  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
            {
            …
            };
            // Example
            main()
            {
            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){ 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
            };
     如果基類A定義如下：
            class A
            {
            public:
            virtual 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，具體的功能由派生類實現(xiàn)。結(jié)合''抽象基類''和''多態(tài)''有如下突出優(yōu)點：
（1）應(yīng)用程序不必為每一個派生類編寫功能調(diào)用，只需要對抽象基類進行處理即可。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)計的復(fù)用，而不是代碼實現(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充性和可維護性。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(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復(fù)雜，用詞要力求準(zhǔn)確。
    匈牙利命名法是Microsoft公司倡導(dǎo)的 [Maguire 1993]，雖然很煩瑣，但用習(xí)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(yīng)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(shù)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，如果變量名的含義十分明顯，則不加前綴，避免煩瑣。如用于循環(huán)的int型變量  i,j,k ；float 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。以下是一個內(nèi)存復(fù)制程序，在運行過程中，如果assert的參數(shù)為假，那么程序就會中止（一般地還會出現(xiàn)提示對話，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 = (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，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 float[100];
            if(p==NULL) return;
            …// do something
            delete p;
            p=NULL; // 良好的編程風(fēng)格
            // 可以繼續(xù)使用p
            p = new float[500];
            if(p==NULL) return;
            …// do something else
            delete 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 = & // 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：
            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(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 value
            void g(String &s); // pass by referance
            void h(String *s); // pass by pointer
            main()
            {
            StringDog'';
            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);
            int Count(void) const; // const類型的函數(shù)
            private:
            int num;
            int data[100];
            };
            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定義為0，任何非0值都是TRUE。Visual  C++將TRUE定義為1，而Visual Basic則將TRUE定義為-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(fā)現(xiàn)這種錯誤。
（5）不要將123寫成0123，后者是八進制的數(shù)值。
（6）將自己經(jīng)常犯的編程錯誤記錄下來，制成表格貼在計算機旁邊。
6.3 小 結(jié)
    C++/C程序設(shè)計如同少林寺的武功一樣博大精深，我練了8年，大概只學(xué)到二三成。所以無論什么時候，都不要覺得自己的編程水平天下第一，看到別人好的技術(shù)和風(fēng)格，要虛心學(xué)習(xí)。
    本章的內(nèi)容少得可憐，就象口渴時只給你一顆楊梅吃，你一定不過癮。我借花獻佛，推薦一本好書：Marshall P. Cline著的《C++ FAQs》[Cline 1995]。你看了后一定會贊不絕口。
   會編寫C++/C程序，不要因此得意洋洋，這只是程序員基本的技能要求而已。如果把系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計比作''戰(zhàn)略決策''，那么編程充其量只是''戰(zhàn)術(shù)''。如果指揮官是個大笨蛋，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(xué)多才。我們應(yīng)該向北京胡同里的小孩們學(xué)習(xí)，他們小小年紀(jì)就能指點江山，評論世界大事。

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