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++語法的好處時便以為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“可復用性”與“可擴充性”。
一、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為(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,什麼東西都往裡扔。
類的設計是以數據為中心,還是以行為為中心?
主張“以數據為中心”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“以行為為中心”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“以數據為中心”。我堅持並且建議讀者在設計類時“以行為為中心”,即首先考慮類應該提供什麼樣的函數。Microsoft 公司的COM 規范的核心是接口設計,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。因為有些程序員搞不清楚“繼承”(Inheritance)、“組合”(Composition)、“多態”( Polymorphism)這些概念。
二、繼承與組合
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:
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”立一些使用規則:
一、如果類A 和類B 毫不相關,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“不吃白不吃”,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:
(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:
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:
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。
一只公雞使勁地追打一只剛下了蛋的母雞,你知道為什麼嗎?
因為母雞下了鴨蛋。
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。
三、 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:
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 來聲明一個函數為虛函數,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:
如果基類A 定義如下:
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)應用程序不必為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復用性(這是接口設計的復用,而不是代碼實現的復用)。
(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為奇,但是將來寫的程序可以被以前寫的程序調用那可了不起 。