軟體設計本質論——白話面向對象

   不同的人在談面向對象程式設計（OOP）時所指的含義并不相同。有人認為任何采用圖形界面的應用程式都是面向對象的。有人把它作為術語來描述一種特别的程序間通信機制。還有人使用這個詞彙是另有深義的，他們其實是想說：“來啊，買我的産品吧！”我一般不提OOP，但隻要提到，我的意思是指使用繼承和動态綁定的程式設計方式。 --《C++沉思錄》

　　《C++沉思錄》說的是十幾年前的事了，現在大家對面向對象的回答已經是衆口一詞：封裝、繼承和多态。大家都知道，在面向對象中，一輛汽車是一個對象，汽車這個概念是一個類。汽車有漂亮的外觀，把各種内部原理都隐藏起來了，司機不必知道它的内部工作原理仍然能開車，即使汽車随技術的進步不斷更新，對司機也沒有什麼影響，這就是封裝的好處。

　　汽車是交通工具的一種，汽車是一個類，交通工具也是一個類，而交通工具類包括了汽車類，進而具有更廣泛的意義。這種從抽象到具體的關系就是繼承關系，我們可以說汽車類繼承了交通工具類，汽車類是交通工具類的子類，交通工具類是汽車類的父類。

　　作為交通工具，它肯定可以運動(move)，從甲地運動到乙地，就起到了交通的作用。輪船是一種交通工具，是以輪船類也是交通工具類的子類。同樣是運動，輪船的運動和汽車的運動方式肯定有所不同，這樣以不同的方式完成同樣的功能就叫多态。

　　關于對象：對象就是某一具體的事物，比如一個蘋果, 一台電腦都是一個對象。每個對象都是唯一的，兩個蘋果，無論它們的外觀有多麼相像，内部成分有多麼相似，兩個蘋果畢竟是兩個蘋果，它們是兩個不同的對象。對象可以是一個實物，也可能是一個概念，比如某個蘋果對象是實物，而一項政策可能就是一個概念性的對象了。

　　關于類：對象可能是一個無窮的集合，用枚舉的方式來表示對象集合不太現實。抽象出對象的特征和功能，按此标準将對象分類，這就引入類的概念。類就是一類事物的統稱，類實際上就是一個分類的标準，符合這個分類标準的對象都屬于這個類。當然，為了友善起見，通常隻需要抽取那些，對目前應用來說是有用的特征和功能。

　　關于抽象類：類是對對象的抽象，比如，蘋果是對所有具體的蘋果的抽象。如果我們對蘋果這個類進行一步抽象，可以得到一個水果類。這種對類本身進行抽象而得到的類，就是抽象類。抽象類不像普通類，它是沒有對象與之對應的。像蘋果類，你總是可以拿到一個叫蘋果的東西，而對于水果類，根本沒一個真正叫水果的東西。你可以說一個蘋果是一個水果，從邏輯上講沒有錯，但沒有什麼意義。一般在程式中，抽象類是不能執行個體化的。

　　關于面向對象：面向對象就是以對象為中心。為什麼不說是面對類，而說是面向對象呢？類是對象的集合，考慮類實際上也是在考慮對象，有時甚至并不嚴格的區分它們。是以說面向對象一詞比面向類更确切。

　　既然以對象為中心，面向對象所考慮的内容自然是對象、對象間的協作、對象的分類、類之間的關系等等，由此引申了出幾個重要的概念。

　　1. 封裝

　　what：對象也有隐私，對象的隐私就是對象内部的實作細節。要想對象保持良好的形象就要保護好對象隐私，所謂的封裝其實就是保護對象隐私。當然，沒有人能完全隐藏自己的隐私，比如你去轉戶口時，你不得不透露自己的家庭資訊和健康狀況。另外，在不同的場合所透露隐私的數量也不一樣，朋友和家人可能會知道你更多隐私，同僚次之，其他人則知道得更少。面向對象也考慮了這些實際的情況，是以像C++之類的語言有public/private/protected/friend等關鍵字，以适應于不同的情況。

　　why：封裝可以隔離變化。據以往的經驗，我們知道内部實作是容易變化的，比如電腦在不斷的更新，機箱還是方的，但裡面裝的CPU和記憶體已是今非昔比了。變化是不可避免的，但變化所影響的範圍是可以控制的，不管CPU怎麼變，它不應該影響使用者使用的方式。封裝是隔離變化的好辦法，用機箱把CPU和記憶體等等封裝起來，對外隻提供一些标準的接口，如USB插口、網線插口和顯示器插口等等，隻要這些接口不變，内部怎麼變，也不會影響使用者的使用方式。

　　封裝可以提高易用性。封裝後隻暴露最少的資訊給使用者，對外接口清晰，使用更友善，更具使用者友好性。試想，如果普通使用者都要知道機箱内部各種晶片和跳線，那是多麼恐怖的事情，到現在為止我甚至還搞不清楚硬碟的跳線設定，幸好我沒有必要知道。

　　how：在C語言中，可以用結構+函數來模拟類的實作，而用這種結構定義的變量就是對象。封裝有兩層含義，其一是隐藏内部行為，即隐藏内部函數，調用者隻能看到對外提供的公共函數。其二是隐藏内部資訊，即隐藏内部資料成員。現在都建議不要對外公開任何資料成員，即使外部需要知道的資料成員，也隻能通過函數擷取。

　　在C語言中要隐藏内部函數很簡單：不要它把放在頭檔案中，在C檔案中定義時，前面加static關鍵字，每個類放在獨立的檔案中。這樣可以把函數的作用範圍限于目前檔案内，目前檔案隻有類本身的實作，即隻有目前的類自己才能看到這些函數，這就達到了隐藏的目的。

　　在C語言中要隐藏資料成員較為麻煩，它沒有提供像C++中所擁有的public/protected/friend/private類似的關鍵字。隻能通過一些特殊方法模拟部分效果，我常用的方法有兩種。

　　其一是利用C的特殊文法，在頭檔案中提前聲明結構，在C檔案才真正定義它。這樣可以把結構的全部資料資訊都隐藏起來。因為外部不知道對象所占記憶體的大小，是以不能靜态的建立該類的對象，隻能調用類提供的建立函數才能建立。這種方法的缺陷是不支援繼承，因為子類中得不到任何關于父類的資訊。

　　

　　其二是把私有資料資訊放在一個不透明的priv變量中。隻有類的實作代碼才知道priv的真正定義。

　　2. 繼承

　　what: 繼承描述的是一種抽象到具體的關系。具體的東西繼承了抽象的東西的特性，比如說，水果這個概念比蘋果這個概念更抽象，其意義更具有一般性，而蘋果這個概念則更具體，其意義更狹窄一些，在面向對象裡，我們可以說蘋果類繼承了水果類。繼承是指繼承了父類的特性，繼承本質是源于分類學，細的分類繼承大分類的特性。

　　why: 繼承描述了抽象到具體的關系，是以能夠有效利用抽象這件武器來戰勝軟體的複雜性。抽象在實作中無處不在，類就是對事物的抽象，提到蘋果你就想到蘋果這一類事物，無需要關心其大小、顔色和成分，蘋果這兩個字就足夠了。名不正則言不順，言不順則事不成，看來老夫子已經領悟到了抽象的威力。

　　繼承不但利用了抽象的力量來降低系統的複雜性，它還提供了一種重用的方式。假設我們承認下列面這個繼承關系，蘋果繼承了水果，水果繼承了食物，如果我們已經知道什麼是食物，什麼是水果，在描述蘋果時，沒有必要去重複講解食物和水果的概念了，這就是重用，重用了對水果和食物兩個概念的了解。

　　how: 在C語言中實作繼承很簡單，可以用結構來模拟。這種實作基于一個明顯的事實，結構在記憶體中的布局與結構的聲明具有一緻的順序。我們知道在程式描述事物的特征時，主要通過資料變量描述事物的屬性特征，如顔色、重量和體積等，用函數來描述事物的行為特征，和運動、成長和搏鬥等。

　　繼承

　　繼承在現實世界中應用很廣，在程式裡也是一樣，甚至可以說是過度使用了。多年以前一些大師已經提出，優先使用組合而不是繼承。主要原因有三點，首先是多級繼承和多重繼承太複雜了，失去了抽象帶來的簡潔性。其次是父類與子類之間共享太多資訊，它們的耦合太緊密。三是父類與子類之間的關系在編譯時就靜态綁定了，很難做到在運作時多态。

　　現在一般都提倡，隻繼承接口不繼承實作，通過組合達到代碼重用的目的。在《設計模式》中是這樣強調的，在MS的COM裡也是這樣做的。是以我基本上隻使用接口繼承，很少遇到什麼麻煩，建議大家也遵循這一準則。