软件设计本质论(Essential Design) —白话面向对象

软件设计本质论(Essential Design) —白话面向对象

 

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不同的人在谈面向对象编程（OOP）时所指的含义并不相同。有人认为任何采用图形界面的应用程序都是面向对象的。有人把它作为术语来描述一种特别的进程间通信机制。还有人使用这个词汇是另有深义的，他们其实是想说：“来啊，买我的产品吧！”我一般不提OOP，但只要提到，我的意思是指使用继承和动态绑定的编程方式。 --《C++沉思录》

 

《C++沉思录》说的是十几年前的事了，现在大家对面向对象的回答已经是众口一词：封装、继承和多态。大家都知道，在面向对象中，一辆汽车是一个对象，汽车这个概念是一个类。汽车有漂亮的外观，把各种内部原理都隐藏起来了，司机不必知道它的内部工作原理仍然能开车，即使汽车随技术的进步不断升级，对司机也没有什么影响，这就是封装的好处。

 

汽车是交通工具的一种，汽车是一个类，交通工具也是一个类，而交通工具类包括了汽车类，从而具有更广泛的意义。这种从抽象到具体的关系就是继承关系，我们可以说汽车类继承了交通工具类，汽车类是交通工具类的子类，交通工具类是汽车类的父类。

 

作为交通工具，它肯定可以运动(move)，从甲地运动到乙地，就起到了交通的作用。轮船是一种交通工具，所以轮船类也是交通工具类的子类。同样是运动，轮船的运动和汽车的运动方式肯定有所不同，这样以不同的方式完成同样的功能就叫多态。

 

关于对象：对象就是某一具体的事物，比如一个苹果, 一台电脑都是一个对象。每个对象都是唯一的，两个苹果，无论它们的外观有多么相像，内部成分有多么相似，两个苹果毕竟是两个苹果，它们是两个不同的对象。对象可以是一个实物，也可能是一个概念，比如某个苹果对象是实物，而一项政策可能就是一个概念性的对象了。

 

关于类：对象可能是一个无穷的集合，用枚举的方式来表示对象集合不太现实。抽象出对象的特征和功能，按此标准将对象分类，这就引入类的概念。类就是一类事物的统称，类实际上就是一个分类的标准，符合这个分类标准的对象都属于这个类。当然，为了方便起见，通常只需要抽取那些，对当前应用来说是有用的特征和功能。

 

关于抽象类：类是对对象的抽象，比如，苹果是对所有具体的苹果的抽象。如果我们对苹果这个类进行一步抽象，可以得到一个水果类。这种对类本身进行抽象而得到的类，就是抽象类。抽象类不像普通类，它是没有对象与之对应的。像苹果类，你总是可以拿到一个叫苹果的东西，而对于水果类，根本没一个真正叫水果的东西。你可以说一个苹果是一个水果，从逻辑上讲没有错，但没有什么意义。一般在程序中，抽象类是不能实例化的。

 

关于面向对象：面向对象就是以对象为中心。为什么不说是面对类，而说是面向对象呢？类是对象的集合，考虑类实际上也是在考虑对象，有时甚至并不严格的区分它们。所以说面向对象一词比面向类更确切。

 

既然以对象为中心，面向对象所考虑的内容自然是对象、对象间的协作、对象的分类、类之间的关系等等，由此引申了出几个重要的概念。

 

1.         封装

what：对象也有隐私，对象的隐私就是对象内部的实现细节。要想对象保持良好的形象就要保护好对象隐私，所谓的封装其实就是保护对象隐私。当然，没有人能完全隐藏自己的隐私，比如你去转户口时，你不得不透露自己的家庭信息和健康状况。另外，在不同的场合所透露隐私的数量也不一样，朋友和家人可能会知道你更多隐私，同事次之，其他人则知道得更少。面向对象也考虑了这些实际的情况，所以像C++之类的语言有public/private/protected/friend等关键字，以适应于不同的情况。

 

why：封装可以隔离变化。据以往的经验，我们知道内部实现是容易变化的，比如电脑在不断的升级，机箱还是方的，但里面装的CPU和内存已是今非昔比了。变化是不可避免的，但变化所影响的范围是可以控制的，不管CPU怎么变，它不应该影响用户使用的方式。封装是隔离变化的好办法，用机箱把CPU和内存等等封装起来，对外只提供一些标准的接口，如USB插口、网线插口和显示器插口等等，只要这些接口不变，内部怎么变，也不会影响用户的使用方式。

 

封装可以提高易用性。封装后只暴露最少的信息给用户，对外接口清晰，使用更方便，更具用户友好性。试想，如果普通用户都要知道机箱内部各种芯片和跳线，那是多么恐怖的事情，到现在为止我甚至还搞不清楚硬盘的跳线设置，幸好我没有必要知道。

 

how：在C语言中，可以用结构+函数来模拟类的实现，而用这种结构定义的变量就是对象。封装有两层含义，其一是隐藏内部行为，即隐藏内部函数，调用者只能看到对外提供的公共函数。其二是隐藏内部信息，即隐藏内部数据成员。现在都建议不要对外公开任何数据成员，即使外部需要知道的数据成员，也只能通过函数获取。

 

在C语言中要隐藏内部函数很简单：不要它把放在头文件中，在C文件中定义时，前面加static关键字，每个类放在独立的文件中。这样可以把函数的作用范围限于当前文件内，当前文件只有类本身的实现，即只有当前的类自己才能看到这些函数，这就达到了隐藏的目的。

 

在C语言中要隐藏数据成员较为麻烦，它没有提供像C++中所拥有的public/protected/friend/private类似的关键字。只能通过一些特殊方法模拟部分效果，我常用的方法有两种。

 

其一是利用C的特殊语法，在头文件中提前声明结构，在C文件才真正定义它。这样可以把结构的全部数据信息都隐藏起来。因为外部不知道对象所占内存的大小，所以不能静态的创建该类的对象，只能调用类提供的创建函数才能创建。这种方法的缺陷是不支持继承，因为子类中得不到任何关于父类的信息。如：

头文件：

struct _LrcPool; typedef struct _LrcPool LrcPool;   LrcPool* lrc_pool_new(size_t unit_size, size_t n_prealloc_units); void*    lrc_pool_alloc(LrcPool* thiz); void     lrc_pool_free(LrcPool* thiz, void* p); void     lrc_pool_destroy(LrcPool* thiz);

C文件：

struct _LrcPool {     size_t unit_size;     size_t n_prealloc_units; };   LrcPool* lrc_pool_new(size_t unit_size, size_t n_prealloc_units) {     LrcPool* thiz = LRC_ALLOC(LrcPool, 1);             if(thiz != NULL)     {           thiz->unit_size = unit_size;         thiz->n_prealloc_units = n_prealloc_units;     }         return thiz; }

 

其二是把私有数据信息放在一个不透明的priv变量中。只有类的实现代码才知道priv的真正定义。如：

头文件：

struct _LrcBuilder {     LrcBuilderBegin     on_begin;     LrcBuilderOnIDTag   on_id_tag;     LrcBuilderOnTimeTag on_time_tag;     LrcBuilderOnLrc     on_lrc;     LrcBuilderEnd       on_end;     LrcBuilderDestroy   destroy;       char priv[1]; };

 

C文件：

struct _LrcDumpBuilder {     FILE* fp; };   typedef struct _LrcDumpBuilder LrcDumpBuilder; LrcBuilder* lrc_dump_builder_new(FILE* fp) {     LrcDumpBuilder* data =  NULL;     LrcBuilder* thiz = (LrcBuilder*)calloc(sizeof(LrcBuilder) + sizeof(LrcDumpBuilder), 1);       if(thiz != NULL)     {         thiz->on_begin     = lrc_dump_builder_on_begin;         thiz->on_id_tag    = lrc_dump_builder_on_id_tag;         thiz->on_time_tag  = lrc_dump_builder_on_time_tag;         thiz->on_lrc       = lrc_dump_builder_on_lrc;         thiz->on_end       = lrc_dump_builder_on_end;         thiz->destroy      = lrc_dump_builder_destroy;         data = (LrcDumpBuilder*)thiz->priv;         data->fp = fp != NULL ? fp : stdout;     }       return thiz; }

 

2.         继承

what: 继承描述的是一种抽象到具体的关系。具体的东西继承了抽象的东西的特性，比如说，水果这个概念比苹果这个概念更抽象，其意义更具有一般性，而苹果这个概念则更具体，其意义更狭窄一些，在面向对象里，我们可以说苹果类继承了水果类。继承是指继承了父类的特性，继承本质是源于分类学，细的分类继承大分类的特性。

 

why: 继承描述了抽象到具体的关系，所以能够有效利用抽象这件武器来战胜软件的复杂性。抽象在实现中无处不在，类就是对事物的抽象，提到苹果你就想到苹果这一类事物，无需要关心其大小、颜色和成分，苹果这两个字就足够了。名不正则言不顺，言不顺则事不成，看来老夫子已经领悟到了抽象的威力。

 

继承不但利用了抽象的力量来降低系统的复杂性，它还提供了一种重用的方式。假设我们承认下列面这个继承关系，苹果继承了水果，水果继承了食物，如果我们已经知道什么是食物，什么是水果，在描述苹果时，没有必要去重复讲解食物和水果的概念了，这就是重用，重用了对水果和食物两个概念的理解。

 

how: 在C语言中实现继承很简单，可以用结构来模拟。这种实现基于一个明显的事实，结构在内存中的布局与结构的声明具有一致的顺序。我们知道在程序描述事物的特征时，主要通过数据变量描述事物的属性特征，如颜色、重量和体积等，用函数来描述事物的行为特征，和运动、成长和搏斗等。在C语言中实现继承的方式如：

struct  _GObject {   GTypeInstance  g_type_instance;   volatile guint ref_count;   GData         *qdata; };   struct _GtkObject {   GObject parent_instance;   guint32 flags; };   struct _GtkWidget {   GtkObject parent_instance;   guint16 private_flags;   guint8 state;   guint8 saved_state;   gchar *name;   GtkStyle *style;   GtkRequisition requisition;   GtkAllocation allocation;   GdkWindow *window;   GtkWidget *parent; };

 

(GtkWidget继承GtkObject，GtkObject继承GObject)

      

继承在现实世界中应用很广，在程序里也是一样，甚至可以说是过度使用了。多年以前一些大师已经提出，优先使用组合而不是继承。主要原因有三点，首先是多级继承和多重继承太复杂了，失去了抽象带来的简洁性。其次是父类与子类之间共享太多信息，它们的耦合太紧密。三是父类与子类之间的关系在编译时就静态绑定了，很难做到在运行时多态。

 

现在一般都提倡，只继承接口不继承实现，通过组合达到代码重用的目的。在《设计模式》中是这样强调的，在MS的COM里也是这样做的。所以我基本上只使用接口继承，很少遇到什么麻烦，建议大家也遵循这一准则。

 

3.         多态

what: 尽管多态这个词本身就表明了它所代表的意义，但还是让初学者感到多少有些神秘。多态就是完成相同功能的多种方式，比如拿动物的运动来说吧，鸟的运动通常是飞，鱼的运动通常是游，陆上动物的运动通常是跑，同是运动，但方式不一样，这就是多态。不少人对多态的回答是，允许同名函数存在。这种回答显然没有抓住多态的本质。

 

why: 关于动物运动这个例子，可能无法展示多态的好处。我们来考虑另外一个多态的例子，U盘。U盘的技术含量可能不是很高，有很多厂家都在设计和生产，就是说U盘有多种不同的实现，这就是U盘的多态。U盘的多态性对消费者来说是有好处的，选择多了，你可以在价格、质量和外观等方式做出平衡，选择你中意的U盘。多态的前提是接口的一致性，否则多态造成的麻烦远胜于它带来的好处。不管U盘的体积、颜色和质量如何，它都必需遵循相应的USB标准，这些U盘在任何带USB接口的电脑上都可以使用。

 

how: 多态在C语言中通常用函数指针来实现，函数指针定义了函数的原型，即它的参数和返回值的描述，以及函数的意义，不同的函数可以有相同的函数原型，比如排序函数，无论是快速排序还是归并排序，它们的实现不一样，但函数原型可以一样。在不同的情况下，让函数指针到不同的函数实现上，这就实现了多态。下面的C语言例子：

 

       接口：

struct _LrcBuilder; typedef struct _LrcBuilder LrcBuilder;   typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderBegin)(LrcBuilder* thiz, const char* buffer); typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderOnIDTag)(LrcBuilder* thiz, const char* key, size_t key_length,                     const char* value, size_t value_length); typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderOnTimeTag)(LrcBuilder* thiz, size_t start_time); typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderOnLrc)(LrcBuilder* thiz, const char* lrc, size_t lrc_length); typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderEnd)(LrcBuilder* thiz); typedef LRC_RESULT (*LrcBuilderDestroy)(LrcBuilder* thiz);   struct _LrcBuilder {     LrcBuilderBegin     on_begin;     LrcBuilderOnIDTag   on_id_tag;     LrcBuilderOnTimeTag on_time_tag;     LrcBuilderOnLrc     on_lrc;     LrcBuilderEnd       on_end;     LrcBuilderDestroy   destroy;       char priv[1]; };

 

       实现一：

LrcBuilder* lrc_dump_builder_new(FILE* fp) {     LrcDumpBuilder* data =  NULL;     LrcBuilder* thiz = (LrcBuilder*)calloc(sizeof(LrcBuilder) + sizeof(LrcDumpBuilder), 1);       if(thiz != NULL)     {         thiz->on_begin     = lrc_dump_builder_on_begin;         thiz->on_id_tag    = lrc_dump_builder_on_id_tag;         thiz->on_time_tag  = lrc_dump_builder_on_time_tag;         thiz->on_lrc       = lrc_dump_builder_on_lrc;         thiz->on_end       = lrc_dump_builder_on_end;         thiz->destroy      = lrc_dump_builder_destroy;         data = (LrcDumpBuilder*)thiz->priv;         data->fp = fp != NULL ? fp : stdout;     }       return thiz; }

       实现二：

      

LrcBuilder* lrc_default_builder_new(void) {     LrcDefaultBuilder* data =  NULL;     LrcBuilder* thiz = (LrcBuilder*)calloc(sizeof(LrcBuilder) + sizeof(LrcDefaultBuilder), 1);       if(thiz != NULL)     {         thiz->on_begin     = lrc_default_builder_on_begin;         thiz->on_id_tag    = lrc_default_builder_on_id_tag;         thiz->on_time_tag  = lrc_default_builder_on_time_tag;         thiz->on_lrc       = lrc_default_builder_on_lrc;         thiz->on_end       = lrc_default_builder_on_end;         thiz->destroy      = lrc_default_builder_destroy;         data = (LrcDefaultBuilder*)thiz->priv;     }       return thiz; }

 

类的三个层次：

类这个概念比较微妙，即使在软件开发领域，不同的人提到这个概念所指的内容也不一样。一些大师早就注意到了这一点，为了让这个概念在不同情况下，具有较准确的意义，他们建议从三个层次看待类这个概念：

 

1.         概念层(Conceptual)

这是一个较高的层次，通常在进行领域分析时，为了建立概念模型时使用。这时使用的术语是现实世界中的术语，而不是软件开发中的术语。在这个层次，类只是一个概念，加上一些不太严谨的特征说明，甚至只有一个名称。尽管它往往与软件开发中的类一一对应，便这种映射并不一定是直接的。

 

2.         规格层(Specification)

在这个层次，类已经是属于软件开发范畴了，但主要关注的是类的接口，而不是类的实现。此时你可能想到它的一组接口函数，而不关心这些函数是如何实现的。

 

3.         实现层(Implementation)

在这个层次，我们才真正关注类的实现，此时你可能会想到一些用某种语言写成的函数体，定义的成员变量等等。

 

面向对象的好处：

面向对象已经征服了软件开发的绝大部分领域，近几年来出现的面向方面的编程(AOP)、产生式编程(GP)和面向组件的开发等等，都提出了一些新的思维，在某些方面大提高了开发效率，但它们并非是取代了面向对象，相反是对面向对象的补充和完善，面向对象始终稳坐第一把交椅。

 

面向对象到底有何德何能，它凭借什么取代面向对程呢？封装、继承和多态到底有何种魔力，吸引众多的高手去完善它，让布道者们不厌其烦的颂扬它呢？归根结底，面向对象会带来两个好处，这两个好处正是设计者们一直在追求的：

 

1.         降低系统的复杂度。

众所周知，随着硬件的飞速发展，计算机的计算能力越来越强大，人们对软件期望也越来越高，而软件复杂度又与它的规模成指数倍数增长。软件复杂度可以说是软件开发的第一大难题，我们可以轻而易举的写出5000行代码，而面对100万行代码规模的软件，会有点让人觉得人的智力是多么有限。

 

而面向对象正是降低系统复杂度的好方法。首先它按类来组织系统，把系统分成几个大的部分，每个部分又由更小的子类组成，如此细分下去直到我们能轻易实现它为此，这种分而治之的方法符合人类解决复杂问题的习惯。

 

其次是它采用从抽象到具体的顺序来把握事物，抽象让我们用少量精力先掌握事物的共性，然后再去研究事物更具体的特性，这种逐渐细化的方法也是符合人类解决复杂问题的习惯的。

 

2.         隔离变化。

需求变化和技术变化也是软件开发所面临的两大难题。用户似乎从来不知道什么是他们真正的需求，或许他们真正的需求也是在变化的。技术可谓日新月异，我们不断的发明新技术，这些技术帮我们提高了生产力。但有时新技术也会砸到自己的脚，为了运用这些新技术，我们要花更多时间学习和工作。或者说创新只是满足了少数人的乐趣，让多数人吃了苦头。

 

只有变化才是永恒的，诅咒变化无济于事，面对它并搞掂它才是正途。大师也建议我们去拥抱变化，而不是逃避变化。面向对象正是拥抱变化的银弹之一，它不是尝试阻止变化的发生(对此谁也无能为力)，而是努力去隔离变化。与整体比较，变化的部分毕竟只占很小的分量，如果这些变化被隔离开了，它不影响不变的部分的，变的部分独立变化，不会牵一发而动全身，这可以大大减少变化引起的麻烦。针对接口编程而不是针对实现编程，这是面对象的精髓，也是拥抱变化的良方。

 

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