C++新手之C++面向对象程序设计的重要概念

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：

class A  
{  
public:  
void Func1(void);  
void Func2(void);  
};  
class B : public A  
{  
public:  
void Func3(void);  
void Func4(void);  
};  
// Example  
main()  
{  
B b; // B的一个对象  
b.Func1(); // B 从A 继承了函数Func1  
b.Func2(); // B 从A 继承了函数Func2  
b.Func3();  
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：

class Human  
{  
…  
};  
class Man : public Human  
{  
…  
};  
class Boy : public Man  
{  
…  
}; 

（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：

class Eye  
{  
public:  
void Look(void);  
};  
class Nose  
{  
public:  
void Smell(void);  
};  
class Mouth  
{  
public:  
void Eat(void);  
};  
class Ear  
{  
public:  
void Listen(void);  
};  
// 正确的设计，冗长的程序  
class Head  
{  
public:  
void Look(void) { m_eye.Look(); }  
void Smell(void) { m_nose.Smell(); }  
void Eat(void) { m_mouth.Eat(); }  
void Listen(void) { m_ear.Listen(); }  
private:  
Eye m_eye;  
Nose m_nose;  
Mouth m_mouth;  
Ear m_ear;  
}; 

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：

// 错误的设计  
class Head : public Eye, public Nose, public Mouth, public Ear  
{  
}; 

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：

class A  
{  
public:  
void Func1(void);  
};  
void Test(A *a)  
{  
a->Func1();  
}  
class B : public A  
{  
…  
};  
class C : public A  
{  
…  
};  
// Example  
main()  
{  
A a;  
B b;  
C c;  
Test(&a);  
Test(&b);  
Test(&c);  
}; 

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：

class A  
{  
public:  
virtual void Func1(void){ cout<< “This is A::Func1 \n”}  
};  
void Test(A *a)  
{  
a->Func1();  
}  
class B : public A  
{  
public:  
virtual void Func1(void){ cout<< “This is B::Func1 \n”}  
};  
class C : public A  
{  
public:  
virtual void Func1(void){ cout<< “This is C::Func1 \n”}  
};  
// Example  
main()  
{  
A a;  
B b;  
C c;  
Test(&a); // 输出This is A::Func1  
Test(&b); // 输出This is B::Func1  
Test(&c); // 输出This is C::Func1  
}; 

如果基类A 定义如下：

class A  
{  
public:  
virtual void Func1(void)=0;  
}; 

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 。