修練8年C++面向對象程序設計之體會
2005年04月29日 作者：林銳 責任編輯：xietaoming
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準備寫點心得體會時，卻無法解釋什麼是“面向對象”，就象說不清楚什麼是數學那樣。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，終於發現自己有些“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 的純面嚮對象語言紅極一時，不少人叫喊着要用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。
關於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。如果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 語言纔有高手。”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，如果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，如果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”、“繼承與組合”、“虛函數與多態”。理解這些概念，有助於提高程序的質量，特別是提高“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）。如果將對象比作房子，那麼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）。類提供關鍵字public、protected 和private 用於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，什麼東西都往裏扔。
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麼樣的服務和接口，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。
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麼樣的函數。Microsoft 公司的COM 規範的核心是接口設計，COM 的接口就相當於類的公有函數[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容易的，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“繼承”（Inheritance）、“組合”（Composition）、“多態”（ Polymorphism）這些概念。
如果A 是基類，B 是A 的派生類，那麼B 將繼承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 繼承了函數Func1
b.Func2(); // B 從A 繼承了函數Func2
b.Func3();
b.Func4();
}
這個簡單的示例程序說明了一個事實：C++的“繼承”特性可以提高程序的可複用性。正因爲“繼承”太有用、太容易用，纔要防止亂用“繼承”。我們要給“繼承”立一些使用規則：
一、如果類A 和類B 毫不相關，不可以爲了使B 的功能更多些而讓B 繼承A 的功能。
不要覺得“不喫白不喫”，讓一個好端端的健壯青年無緣無故地喫人蔘補身體。
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。那麼類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;
};
如果允許Head 從Eye、Nose、Mouth、Ear 派生而成，那麼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“繼承”的誘惑而犯下設計錯誤。
一隻公雞使勁地追打一隻剛下了蛋的母雞，你知道爲什麼嗎？
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。
1.3 虛函數與多態
除了繼承外，C++的另一個優良特性是支持多態，即允許將派生類的對象當作基類的對象使用。如果A 是基類，B 和C 是A 的派生類，多態函數Test 的參數是A 的 指針。那麼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”有什麼價值，加上虛函數和抽象基類後，“多態”的威力就顯示出來了。
C++用關鍵字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
};
如果基類A 定義如下：
class A
{
public:
virtual void Func1(void)=0;
};
那麼函數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。
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。良好的編程風格是產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，用詞要力求準確。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。沒有人強迫你採用何種命名法，但有一點應該做到：自己的程序命名必須一致。
以下是我編程時採用的命名約定：
（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 ；
對於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。如用於循環的int 型變量i,j,k ；float 型的三維座標（x,y,z）等。
2.2 使用斷言
程序一般分爲Debug 版本和Release 版本，Debug 版本用於內部調試，Release 版本發行給用戶使用。斷言assert 是僅在Debug 版本起作用的宏，它用於檢查“不應該”發生的情況。以下是一個內存複製程序，在運行過程中，如果assert 的參數爲假，那麼程序就會中止（一般地還會出現提示對話，說明在什麼地方引發了assert）。
//複製不重疊的內存塊
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 不應該產生任何副作用。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麼。有的時候，程序員偶爾還會設計出有錯誤的斷言。所以如果搞不清楚斷言檢查的是什麼，就很難判斷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，只要加上清晰的註釋即可。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，看到樹上釘着一塊“危險”的大牌子。但危險到底是什麼？樹要倒？有廢井？有野獸？除非告訴人們“危險”是什麼，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，要進行反覆的考查，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，如果“不可能發生”的事情的確發生了，則要使用斷言進行報警。
2.3 new、delete 與指針
在C++中，操作符new 用於申請內存，操作符delete 用於釋放內存。在C 語言中，函數malloc 用於申請內存，函數free 用於釋放內 存。由於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。對於一個指針p，如果是用new申請的內存，則必須用delete 而不能用free 來釋放。如果是用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; // 注意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
}
對於一個函數而言，如果其‘&’或‘*’類型的參數只作輸入用，不作輸出用，那麼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（如果改變了該參數的值，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 僅用於計數，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;
}
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，程序出錯誤的機率也會提高。
（2）不要編寫集多種功能於一身的函數，在函數的返回值中，不要將正常值和錯誤標誌混在一起。
（3）不要將BOOL 值TRUE 和FALSE 對應於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，製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。所以無論什麼時候，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喫，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]。你看了後一定會讚不絕口。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。如果把系統分析和系統設計比作“戰略決策”，那麼編程充其量只是“戰術”。如果指揮官是個大笨蛋，士兵再勇敢也會喫敗仗。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。