发布日期:2015-12-08 11:02 来源: 标签: 编程语言 C++教程 C++面向对象 C++对象设计
本章我们主要学习C++面向对象设计的一些使用心得的经验,下面我们就做一下具体讲解,希望大家多多支持中国站长网络学院
1 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。
1.2 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:
C++代码
    class A  
    {  
    public:  
    void Func1(void);  
    void Func2(void);  
    };  
    class B : public A  
    {  
    public:  
    void Func3(void);  
    void Func4(void);  
    };  
    // Example  
    int 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();  
    return 0;  
    }  
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。
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:
C++代码
    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:
C++代码
    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:
C++代码
    // 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。
1.3 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:
C++代码
    class A  
    {  
    public:  
    void Func1(void);  
    };  
    void Test(A *a)  
    {  
    a->Func1();  
    }  
    class B : public A  
    {  
    …  
    };  
    class C : public A  
    {  
    …  
    };  
    // Example  
    int main()  
    {  
    A a;  
    B b;  
    C c;  
    Test(&a);  
    Test(&b);  
    Test(&c);  
    return 0;  
    };  
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:
C++代码
    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  
    int 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  
    return 0;  
    };  
如果基类A 定义如下:
C++代码
    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。
2.1 命名约定
有不少人编程时用拼音给函数或变量命名,这样做并不能说明你很爱国,却会让用此程序的人迷糊(很多南方人不懂拼音,我就不懂)。程序中的英文一般不会太复杂,用词要力求准确。匈牙利命名法是Microsoft 公司倡导的[Maguire 1993],虽然很烦琐,但用习惯了也就成了自然。没有人强迫你采用何种命名法,但有一点应该做到:自己的程序命名必须一致。
以下是我编程时采用的命名约定:
(1)宏定义用大写字母加下划线表示,如MAX_LENGTH;
(2)函数用大写字母开头的单词组合而成,如SetName, GetName ;
(3)指针变量加前缀p,如*pNode ;
(4)BOOL 变量加前缀b,如bFlag ;
(5)int 变量加前缀i,如iWidth ;
(6)float 变量加前缀f,如fWidth ;
(7)double 变量加前缀d,如dWidth ;
(8)字符串变量加前缀str,如strName ;
(9)枚举变量加前缀e,如eDrawMode ;
(10)类的成员变量加前缀m_,如m_strName, m_iWidth ;
对于int, float, double 型的变量,如果变量名的含义十分明显,则不加前缀,避免烦琐。如用于循环的int 型变量i,j,k ;float 型的三维坐标(x,y,z)等。
2.2 使用断言
程序一般分为Debug 版本和Release 版本,Debug 版本用于内部调试,Release 版本发行给用户使用。断言assert 是仅在Debug 版本起作用的宏,它用于检查“不应该”发生的情况。以下是一个内存复制程序,在运行过程中,如果assert 的参数为假,那么程序就会中止(一般地还会出现提示对话,说明在什么地方引发了assert)。
C++代码
    //复制不重叠的内存块  
    void memcpy(void *pvTo, void *pvFrom, size_t size)  
    {  
    void *pbTo = (byte *) pvTo;  
    void *pbFrom = (byte *) pvFrom;  
    assert( pvTo != NULL && pvFrom != NULL );  
    while(size - - > 0 )  
    *pbTo + + = *pbFrom + + ;  
    return (pvTo);  
    }  
assert 不是一个仓促拼凑起来的宏,为了不在程序的Debug 版本和Release 版本引起差别,assert 不应该产生任何副作用。所以assert 不是函数,而是宏。程序员可以把assert 看成一个在任何系统状态下都可以安全使用的无害测试手段。
很少有比跟踪到程序的断言,却不知道该断言的作用更让人沮丧的事了。你化了很多时间,不是为了排除错误,而只是为了弄清楚这个错误到底是什么。有的时候,程序员偶尔还会设计出有错误的断言。所以如果搞不清楚断言检查的是什么,就很难判断错误是出现在程序中,还是出现在断言中。幸运的是这个问题很好解决,只要加上清晰的注释即可。这本是显而易见的事情,可是很少有程序员这样做。这好比一个人在森林里,看到树上钉着一块“危险”的大牌子。但危险到底是什么?树要倒?有废井?有野兽?除非告诉人们“危险”是什么,否则这个警告牌难以起到积极有效的作用。难以理解的断言常常被程序员忽略,甚至被删除。[Maguire 1993]
以下是使用断言的几个原则:
(1)使用断言捕捉不应该发生的非法情况。不要混淆非法情况与错误情况之间的区别,后者是必然存在的并且是一定要作出处理的。
(2)使用断言对函数的参数进行确认。
(3)在编写函数时,要进行反复的考查,并且自问:“我打算做哪些假定?”一旦确定了的
假定,就要使用断言对假定进行检查。
(4)一般教科书都鼓励程序员们进行防错性的程序设计,但要记住这种编程风格会隐瞒错误。当进行防错性编程时,如果“不可能发生”的事情的确发生了,则要使用断言进行报警。
2.3 new、delete 与指针
在C++中,操作符new 用于申请内存,操作符delete 用于释放内存。在C 语言中,函数malloc 用于申请内存,函数free 用于释放内 存。由于C++兼容C 语言,所以new、delete、malloc、free 都有可能一起使用。new 能比malloc 干更多的事,它可以申请对象的内存,而malloc 不能。C++和C 语言中的指针威猛无比,用错了会带来灾难。对于一个指针p,如果是用new申请的内存,则必须用delete 而不能用free 来释放。如果是用malloc 申请的内存,则必须用free 而不能用delete 来释放。在用delete 或用free 释放p 所指的内存后,应该马上显式地将p 置为NULL,以防下次使用p 时发生错误。示例程序如下:
C++代码
    void Test(void)  
    {  
    float *p;  
    p = new float[100];  
    if(p==NULL) return;  
    …// do something  
    delete p;  
    p=NULL; // 良好的编程风格  
    // 可以继续使用p  
    p = new float[500];  
    if(p==NULL) return;  
    …// do something else  
    delete p;  
    p=NULL;  
    }  
我们还要预防“野指针”,“野指针”是指向“垃圾”内存的指针,主要成因有两种:
(1)指针没有初始化。
(2)指针指向已经释放的内存,这种情况最让人防不胜防,示例程序如下:
C++代码
    class A  
    {  
    public:  
    void Func(void){…}  
    };  
    void Test(void)  
    {  
    A *p;  
    {  
    A a;  
    p = &a; // 注意a 的生命期  
    }  
    p->Func(); // p 是“野指针”,程序出错  
    }  
2.4 使用const
在定义一个常量时,const 比#define 更加灵活。用const 定义的常量含有数据类型,该常量可以参与逻辑运算。例如:
C++代码
    const int LENGTH = 100; // LENGTH 是int 类型  
    const float MAX=100; // MAX 是float 类型  
    #define LENGTH 100 // LENGTH 无类型  
    #define MAX 100 // MAX 无类型  
除了能定义常量外,const 还有两个“保护”功能:
一、强制保护函数的参数值不发生变化
以下程序中,函数f 不会改变输入参数name 的值,但是函数g 和h 都有可能改变name的值。
C++代码
    void f(String s); // pass by value  
    void g(String &s); // pass by referance  
    void h(String *s); // pass by pointer  
    int main()  
    {  
    String name=“Dog”;  
    f(name); // name 的值不会改变  
    g(name); // name 的值可能改变  
    h(name); // name 的值可能改变  
    return 0;  
    }  
对于一个函数而言,如果其‘&’或‘*’类型的参数只作输入用,不作输出用,那么应当在该参数前加上const,以确保函数的代码不会改变该参数的值(如果改变了该参数的值,编译器会出现错误警告)。因此上述程序中的函数g 和h 应该定义成:
C++代码
    void g(const String &s);  
    void h(const String *s);  
二、强制保护类的成员函数不改变任何数据成员的值
以下程序中,类stack 的成员函数Count 仅用于计数,为了确保Count 不改变类中的任何数据成员的值,应将函数Count 定义成const 类型。
C++代码
    class Stack  
    {  
    public:  
    void push(int elem);  
    void pop(void);  
    int Count(void) const; // const 类型的函数  
    private:  
    int num;  
    int data[100];  
    };  
    int Stack::Count(void) const  
    {  
    ++ num; // 编译错误,num 值发生变化  
    pop(); // 编译错误,pop 将改变成员变量的值  
    return num;  
    }  
2.5 其它建议
(1)不要编写一条过分复杂的语句,紧凑的C++/C 代码并不见到能得到高效率的机器代码,却会降低程序的可理解性,程序出错误的几率也会提高。
(2)不要编写集多种功能于一身的函数,在函数的返回值中,不要将正常值和错误标志混在一起。
(3)不要将BOOL 值TRUE 和FALSE 对应于1 和0 进行编程。大多数编程语言将FALSE定义为0,任何非0 值都是TRUE。Visual C++将TRUE 定义为1,而Visual Basic 则将TRUE定义为-1。示例程序如下:
C++代码
    BOOL flag;  
    …  
    if(flag) { // do something } // 正确的用法  
    if(flag==TRUE) { // do something } // 危险的用法  
    if(flag==1) { // do something } // 危险的用法  
    if(!flag) { // do something } // 正确的用法  
    if(flag==FALSE) { // do something } // 不合理的用法  
    if(flag==0) { // do something } // 不合理的用法  
(4)小心不要将“= =”写成“=”,编译器不会自动发现这种错误。
(5)不要将123 写成0123,后者是八进制的数值。
(6)将自己经常犯的编程错误记录下来,制成表格贴在计算机旁边。

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专题信息
    C++是在C语言的基础上开发的一种面向对象编程语言,应用广泛。C++支持多种编程范式 --面向对象编程、泛型编程和过程化编程。最新正式标准C++于2014年8月18日公布。 其编程领域众广,常用于系统开发,引擎开发等应用领域,是至今为止最受广大程序员受用的最强大编程语言之一,支持类:类、封装、重载等特性! 本教程从基础讲解了C++语言,希望对大家有所帮助,望多多支持中国站长网络学院。