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C++面向对象设计的经验体会

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。

　　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”。

　　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。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。

谈谈8年C++面向对象设计的经验体会

　　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。

　　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：

C++代码
  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4. void Func1(void);  
  5. void Func2(void);  
  6. };  
  7. class B : public A  
  8. {  
  9. public:  
  10. void Func3(void);  
  11. void Func4(void);  
  12. };  
  13. // Example  
  14. int main()  
  15. {  
  16. B b; // B的一个对象  
  17. b.Func1(); // B 从A 继承了函数Func1  
  18. b.Func2(); // B 从A 继承了函数Func2  
  19. b.Func3();  
  20. b.Func4();  
  21. return 0;  
  22. }  

　　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“不吃白不吃”，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：

C++代码
  1. class Human  
  2. {  
  3. …  
  4. };  
  5. class Man : public Human  
  6. {  
  7. …  
  8. };  
  9. class Boy : public Man  
  10. {  
  11. …  
  12. };  

       （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：

C++代码
  1. class Eye  
  2. {  
  3. public:  
  4. void Look(void);  
  5. };  
  6. class Nose  
  7. {  
  8. public:  
  9. void Smell(void);  
  10. };  
  11. class Mouth  
  12. {  
  13. public:  
  14. void Eat(void);  
  15. };  
  16. class Ear  
  17. {  
  18. public:  
  19. void Listen(void);  
  20. };  
  21. // 正确的设计，冗长的程序  
  22. class Head  
  23. {  
  24. public:  
  25. void Look(void) { m_eye.Look(); }  
  26. void Smell(void) { m_nose.Smell(); }  
  27. void Eat(void) { m_mouth.Eat(); }  
  28. void Listen(void) { m_ear.Listen(); }  
  29. private:  
  30. Eye m_eye;  
  31. Nose m_nose;  
  32. Mouth m_mouth;  
  33. Ear m_ear;  
  34. };  

       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：

C++代码
  1. // 错误的设计  
  2. class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear  
  3. {  
  4. };  

　　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。

　　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：

C++代码
  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4. void Func1(void);  
  5. };  
  6. void Test(A *a)  
  7. {  
  8. a->Func1();  
  9. }  
  10. class B : public A  
  11. {  
  12. …  
  13. };  
  14. class C : public A  
  15. {  
  16. …  
  17. };  
  18. // Example  
  19. int main()  
  20. {  
  21. A a;  
  22. B b;  
  23. C c;  
  24. Test(&a);  
  25. Test(&b);  
  26. Test(&c);  
  27. return 0;  
  28. };  

　　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（override）基类对应的虚函数的功能。示例程序如下：

C++代码
  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4. virtual void Func1(void){ cout<< “This is A::Func1 \n”}  
  5. };  
  6. void Test(A *a)  
  7. {  
  8. a->Func1();  
  9. }  
  10. class B : public A  
  11. {  
  12. public:  
  13. virtual void Func1(void){ cout<< “This is B::Func1 \n”}  
  14. };  
  15. class C : public A  
  16. {  
  17. public:  
  18. virtual void Func1(void){ cout<< “This is C::Func1 \n”}  
  19. };  
  20. // Example  
  21. int main()  
  22. {  
  23. A a;  
  24. B b;  
  25. C c;  
  26. Test(&a); // 输出This is A::Func1  
  27. Test(&b); // 输出This is B::Func1  
  28. Test(&c); // 输出This is C::Func1  
  29. return 0;  
  30. };  

       如果基类A 定义如下：

C++代码
  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4. virtual void Func1(void)=0;  
  5. };  

　　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。

　　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。

　　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。

　　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）。

C++代码
  1. //复制不重叠的内存块  
  2. void memcpy(void *pvTo, void *pvFrom, size_t size)  
  3. {  
  4. void *pbTo = (byte *) pvTo;  
  5. void *pbFrom = (byte *) pvFrom;  
  6. assert( pvTo != NULL && pvFrom != NULL );  
  7. while(size - - > 0 )  
  8. *pbTo + + = *pbFrom + + ;  
  9. return (pvTo);  
  10. }  

　　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。

　　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：

C++代码
  1. void Test(void)  
  2. {  
  3. float *p;  
  4. p = new float[100];  
  5. if(p==NULL) return;  
  6. …// do something  
  7. delete p;  
  8. p=NULL; // 良好的编程风格  
  9. // 可以继续使用p  
  10. p = new float[500];  
  11. if(p==NULL) return;  
  12. …// do something else  
  13. delete p;  
  14. p=NULL;  
  15. }  

　　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：

C++代码
  1. class A  
  2. {  
  3. public:  
  4. void Func(void){…}  
  5. };  
  6. void Test(void)  
  7. {  
  8. A *p;  
  9. {  
  10. A a;  
  11. p = &a; // 注意a 的生命期  
  12. }  
  13. p->Func(); // p 是“野指针”，程序出错  
  14. }  

　　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：

C++代码
  1. const int LENGTH = 100; // LENGTH 是int 类型  
  2. const float MAX=100; // MAX 是float 类型  
  3. #define LENGTH 100 // LENGTH 无类型  
  4. #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。

C++代码
  1. void f(String s); // pass by value  
  2. void g(String &s); // pass by referance  
  3. void h(String *s); // pass by pointer  
  4. int main()  
  5. {  
  6. String name=“Dog”;  
  7. f(name); // name 的值不会改变  
  8. g(name); // name 的值可能改变  
  9. h(name); // name 的值可能改变  
  10. return 0;  
  11. }  

　　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：

C++代码
  1. void g(const String &s);  
  2. 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。

C++代码
  1. class Stack  
  2. {  
  3. public:  
  4. void push(int elem);  
  5. void pop(void);  
  6. int Count(void) const; // const 类型的函数  
  7. private:  
  8. int num;  
  9. int data[100];  
  10. };  
  11. int Stack::Count(void) const  
  12. {  
  13. ++ num; // 编译错误，num 值发生变化  
  14. pop(); // 编译错误，pop 将改变成员变量的值  
  15. return num;  
  16. }  

　　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：

C++代码
  1. BOOL flag;  
  2. …  
  3. if(flag) { // do something } // 正确的用法  
  4. if(flag==TRUE) { // do something } // 危险的用法  
  5. if(flag==1) { // do something } // 危险的用法  
  6. if(!flag) { // do something } // 正确的用法  
  7. if(flag==FALSE) { // do something } // 不合理的用法  
  8. 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。

　　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。