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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。