C++新手之C++面向对象程序设计的重要概念

开发 后端
本文介绍的是C++面向程序设计的一些重要概念,重要从类和对象,虚函数等方面给大家介绍的。希望对你有帮助,一起来看。

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”。

一、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。

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。

二、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:

  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. 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();  

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:

  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:

  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:

  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。

本书3.3 节讲过“运行正确”的程序不见得就是高质量的程序,此处就是一个例证。

三、 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:

  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. main()  
  20. {  
  21. A a;  
  22. B b;  
  23. C c;  
  24. Test(&a);  
  25. Test(&b);  
  26. Test(&c);  
  27. }; 

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:

  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. 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. }; 

如果基类A 定义如下:

  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 。

责任编辑:于铁 来源: 互联网
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