《C++面向對象高效程式設計（第2版）》——1.1 背景

本節書摘來自異步社群出版社《c++面向對象高效程式設計（第2版）》一書中的第1章，第1.1節，作者： 【美】kayshav dattatri，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。

c++面向對象高效程式設計（第2版）

程式員開發軟體的曆史已有數十年，他們使用各種不同的程式設計語言，如algol、cobol、lisp、c、pascal等，來實作各種規模的軟體開發——從簡單的小程式到複雜的大型系統。[我們把編寫諸如漢諾塔的解決方法、紙牌遊戲、簡單的快速排序等小程式，僅作為課程學習的作業。雖然這些小程式沒有任何商業價值，但能幫助我們了解新的概念和新的語言。相比之下，大型系統（如庫存控制、字處理、醫院患者管理、天氣預報、個人資金管理等軟體系統）涉及許多重大問題，這樣的軟體系統，需要由設計者和程式員組成的小組協同工作才能實作，然後由公司出售，賺取利潤。我們從設計和實作小程式中學到的知識和經驗，對解決大型問題會有很大幫助。] 日常生活中，我們使用的系統都由這些語言實作。在開發和使用它們的過程中，我們已獲得許多知識和經驗，為什麼還要學習新的程式設計範式？繼續閱讀以下内容，答案就其中。

如果給定一個問題（即問題的口頭或書面說明），如何使用某種語言（如c）設計和實作解決這個問題？首先，我們将該問題分解為多個便于處理的部分，這些部分稱為子產品。然後，設計出許多資料結構儲存資料，并實作一些函數（也稱為過程、例程）來操作這些資料。函數可用于修改資料結構，将它們儲存到檔案中，或列印資料。在面向過程程式設計系統中，解決問題的辦法就是将待解決之事轉換成一組函數。也就是說，我們把注意力都集中在函數身上，沒有函數就無法完成任何操作。這種以函數為主的程式設計方法稱為面向過程程式設計（procedure-oriented programming）。之是以稱為面向過程，是因為它的重點在過程。這種程式設計方法從函數的角度來思考問題，是以也稱為問題的功能分解。

注意：

在c和c++中，過程、函數、子程式和例程這些術語之間沒有差别。然而，在pascal、modula-2和eiffel中，函數是指傳回計算值的例程，而過程是指接收某些參數并執行一項操作，但不向主調函數傳回任何值的例程。在本書中，過程、函數和例程将互換使用，它們的含義相同。algol、fortran、pascal和c等程式設計語言都稱為過程語言（procedural language）。

然而，經過更深入地研究面向過程的實作發現，資料結構更重要。我們最感興趣的是儲存在資料結構中的值，而非過程本身。過程隻是修改資料結構的簡單工具，沒有資料結構，過程什麼也做不了。而且，在程式的運作過程中，資料結構中的資料不斷改變，而過程的代碼絲毫未變。從這個角度而言，過程是靜态的。我們之前費盡心思設計這些過程，殊不知重點根本不在這裡。舉個簡單的例子，假設一個銀行系統，允許客戶有不同類型的銀行賬戶（如存款賬戶、支票賬戶和貸款賬戶），允許客戶存款、取款以及在賬戶之間轉賬。如果該系統用c實作，可以看到以下一組過程1：

// 這是一個極其普通的銀行賬戶檔案

struct account {

　　　　　　char　name;　　/ 賬戶名 */

　　　　　 accountnum　accountid;　

　　　　　　float　　balance;

　　　　　　float　　interestytd; / 資料利息的年份/

　　　　　　char　　accounttype; / 存款，支票，貸款等/

　　　　　　　 / 其他細節 /

};<code>`</code>

可通過下面的函數建立一個account結構的執行個體，為客戶建立一個賬戶。

<code>accountnum createnewaccount(const char name[], char typeofaccount);</code>

建立賬戶的函數将傳回新賬戶的賬号。我們在研究這種解決方案時發現，客戶将銀行賬戶視為他們血汗錢的安全天堂，他們感興趣的是賬戶中的資金和獲得的利息，而非存取款功能。事實上，客戶并不關心在銀行系統中存款或取款的過程如何實作，他們隻需要一種簡單友善的方法完成操作。但是，作為程式員，我們卻冥思苦想如何編寫makedeposit函數（以及其他函數），如何建立一個小型資料結構管理資料。換句話說，我們把注意力放在了客戶毫不關心的問題上。正因如此，我們設計出來的銀行系統導緻客戶與其銀行賬戶間毫無關系，客戶僅僅被看做是一系列的字元和數字。這樣的系統甚至根本無需考慮核對賬戶持有人和賬戶中的内容，就可直接操控資料來操作賬戶。從函數角度看，銀行賬戶僅僅是一串數字——賬号。

進一步分析可以注意到，任何人（或者其他程式或者程式員）都可以建立一個賬戶，并操作它。因為賬戶僅作為一段資料儲存，任何可以通路銀行賬戶檔案的人都可以修改它（甚至非法的）并取款。這是賬戶被當做一系列字元和整數的後果，儲存在客戶銀行賬戶中的值沒有任何保護措施。而且，也沒有任何條款規定銀行賬戶必須隻能由可信任的銀行職員修改，即使有，又由誰來執行？語言（如c或者pascal）不能做到這一點，因為它們并不知道銀行賬戶和普通整數的差別。

如果要列印客戶的賬戶，需要添加一個新函數：

<code>printaccount(account thisaccount)；</code>

該函數将執行列印功能。但是，函數必須知道正在列印何種類型的賬戶（支票賬戶還是存款賬戶？）。這很容易，隻需檢視accounttype中的值即可。假設開始時我們有三種賬戶（支票賬戶、存款賬戶和貸款賬戶），printaccount()函數了解這些類型，它将對其中的代碼進行寫死（hard coded）。到目前為止，一切運作正常。現在再添加一個新的賬戶類型——retirement_account。如果傳遞retirement_account給printaccount函數會出現什麼情況？函數将無法正常工作。我們會看見以下的錯誤資訊：

<code>“unknown acount type- cannot print”（“未知賬戶類型-無法列印”）</code>

或者更糟：

<code>“illegal account type – call supervisor”（“非法賬戶類型-聯系主管”）</code>

之是以會出現這種情況，是因為在該系統中對賬戶的類型采用了寫死方式，除非修改源代碼，重新編譯并再次連結，否則無法通過編譯。是以，如果添加一個新賬戶類型，我們需要修改與該資訊有關的所有函數，并重新進行編譯—連結—測試過程。這些過程都十分冗長，而且極易出錯。怎麼會出現這樣的問題？答案是：函數和資料結構被當做是彼此脫節的實體，是以函數難以了解資料結構中的改動。也就是說，對現有的實作進行改進非常困難。這樣看來，我們隻能以另一種方式建立銀行系統，使得該系統在添加新賬戶類型不會影響其他賬戶類型，而且不會引起代碼的重新編譯。

以上談到的問題都源于在最初的解決方案中誤入歧途。我們将重點錯誤地放在自認為很重要的函數上，徹底忽略了對客戶（即銀行客戶）而言更為重要的資料。換言之，我們之前全神貫注于如何做，其實應該将重點放在做什麼上。這就是面向對象程式設計和面向過程程式設計的差別。

如果用面向對象程式設計（object-oriented programming）技術解決此銀行賬戶的問題，我們會把注意力放在銀行賬戶上。首先分析客戶想用這個賬戶進行什麼操作，對他們而言什麼最重要，諸如此類的問題。簡而言之，在面向對象程式設計中，重點是正在被操作的資料，而不是實作這些操作的過程。我們應該先找出使用者（該例中是銀行客戶）想用資料（即銀行賬戶）進行什麼操作，然後再為其提供必要的操作。而且，資料和操作不像以前那樣被當作彼此孤立的實體，現在它們被看做是一個整體。資料帶有一組操作，允許使用者對資料執行一些有意義的操作。同時，任何外部程式或過程無法直接通路資料本身。修改銀行賬戶内資料唯一的方法，就是使用為修改資料而提供的操作，這些操作為使用者提供修改銀行賬戶的行為。現在，我們可以說，銀行賬戶是一個類（class），我們可以建立任意數量的銀行賬戶執行個體，每個執行個體都是銀行賬戶類的對象（object）。是以，面向對象程式設計是一種由合作對象（cooperating object）（就是類的執行個體）構成程式的程式設計方法。而且，多個類之間可通過繼承關系互相關聯2 。

在面向對象程式設計中，關鍵要了解類和對象的概念。類是一個實體（entity），它擁有一組對象的共同屬性（特性）。對象是類的執行個體（instance），類的所有對象都具有相同的結構和行為。可以把類看做是切甜餅的工具，而甜餅就是切甜餅的工具所建立的執行個體。這個比喻可能有些粗淺，但類似于類建立對象的過程。切甜餅的工具決定了甜餅的大小和形狀（不是味道）。與此類似，類決定了建立對象的大小和行為。在面向對象的解決方案中，一切皆為類的對象3。這樣看來，在面向對象程式設計中，我們隻需考慮類和對象、類之間的關系，以及對象之間的關系4。shalaer-mellor 5 以另一種方式解釋了面向過程程式設計和oop（面向對象程式設計）之間的差別——功能分解按順序提出了系統設計中的三要素（算法、控制流和資料描述），而在oop中，此三要素的順序完全相反。

現在，重新回到銀行賬戶的問題上。我們重點關注的是銀行賬号，将它設計成一個類。在c++中，bankaccount類的架構如下所示。這裡再次提醒讀者，請不要過多擔心c++的文法。

　// bankaccount類其中一項操作的實作

void bankaccount::makedeposit(float amount)

{

　　if (amount &gt; 0.0)

　　　　balance = balance + amount;

}<code>`</code>

隻有在bankaccount類内部聲明的操作，才能通路私有成員balance（和其他私有成員）。類的外部無法使用私有成員。我們将這種私有資料稱為被封裝的資料，以這種方式隐藏在類的内部稱為資料封裝（data encapsulation）。我們将在第2章中詳細介紹資料封裝。

1無需過多關注文法，隻需注意過程和參數的概念。不同的語言都通過不同的文法進行聲明。

2繼承将在第5章中詳細介紹。

3在c++中，如果将main()程式看做是根對象（root object），的确可以說一切皆為類對象。

4在某些語言中，對象可以建立其他類。

5譯者注：shalaer-mellor軟體設計方法，由sally shlaer和stephen mellor共同研發，是衆多面向對象分析（ooa）/ 面向對象設計（ood）方法之一。