C++基礎(chǔ)之面向?qū)ο缶幊趟枷耄ㄒ唬?/h1>
我們都知道，C++中最重要的概念——類，了解了類之后，已經(jīng)可以開始做些編程方面比較高級(jí)的應(yīng)用——設(shè)計(jì)程序，而不再只是將算法變成代碼。要說(shuō)明如何設(shè)計(jì)程序，有必要先了解何謂編程思想。建議大家閱讀這一系列的文章，供大家參考。
編程思想
編程，即編寫程序，而之前已經(jīng)說(shuō)過，程序就是方法的描述，那么編程就是編寫方法的描述。我知道如何到人民公園，然后我就編寫了到人民公園的方法的描述—— 從市中心開始向東走400米再向右轉(zhuǎn)走200米就是。接著另一個(gè)人也知道如何去，但他編的程序卻是——從市中心沿人民東路走過兩個(gè)交叉口，在第三個(gè)交叉口處右轉(zhuǎn)，直走就能在右手方看到。很明顯，兩個(gè)程序不同，但最后走的路線是相同的，即大家的方法相同，但描述不同。
所謂的編程思想，就是如何編程，即編寫程序的方法。這也是為什么不同的人對(duì)同一算法編寫出的程序不同（指程序邏輯，不是簡(jiǎn)單的變量或函數(shù)名不同），不同的人的編程思想不同。
如果多編或多看一些程序，就會(huì)發(fā)現(xiàn)編程思想是很重要的。好的編程思想編出的程序條理分明，可維護(hù)性高；差的編程思想編出的程序晦澀難懂，可維護(hù)性低。注意，這里是從程序的易讀性來(lái)比較的，實(shí)際出于效率，是會(huì)使用不符合人腦思維習(xí)慣的編程思想，進(jìn)而導(dǎo)致代碼的難于維護(hù)，但為了效率還是會(huì)經(jīng)常在程序的瓶頸位置使用被優(yōu)化了的代碼（這種代碼一般使用匯編語(yǔ)言編寫，算法則很大程度上是數(shù)學(xué)上的優(yōu)化，丟棄了大部分其在人類世界中的意義）。
本系列一直堅(jiān)持并推薦這么一個(gè)編程思想——一切均按照語(yǔ)義來(lái)編寫。而語(yǔ)義是語(yǔ)言的意義，之前說(shuō)它是代碼在人類世界中的意義。比如桌子，映射成一個(gè)結(jié)構(gòu)，有桌腳數(shù)、顏色等成員變量，那么為什么沒有質(zhì)量、材料、價(jià)格、生產(chǎn)日期等成員？對(duì)此有必要說(shuō)明一下“人類世界”的含義。
世界
我們生活在一個(gè)四維的客觀物理世界中，游戲中的怪物生活在游戲定義的游戲世界中，白雪公主生活在一個(gè)童話世界中。什么叫世界？世界即規(guī)則的集合。比如客觀世界中，力可作用于有質(zhì)量的物體上，并進(jìn)而按照運(yùn)動(dòng)學(xué)定律改變物體的速度；電荷異性相吸同性相斥；能量守恒等，這些都是對(duì)客觀世界這個(gè)規(guī)則的集合中的某些規(guī)則的描述。
注意它們都只是規(guī)則的描述，不是規(guī)則，就好像程序是方法的描述，但不是方法。即方法和規(guī)則都是抽象的邏輯概念，各自通過程序和論調(diào)來(lái)表現(xiàn)。程序就是我們要編寫的，而論調(diào)就是一門理論，如概率論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)等。而前面所說(shuō)的游戲世界，是因?yàn)橛螒蛞彩且幌盗幸?guī)則。
同樣，童話世界也是由一系列的規(guī)則組成。如白雪公主能吃東西，能睡覺，并且能因?yàn)槌粤硕咎O果而中毒；魔鏡能回答問題等。
那么就算了解了世界這個(gè)概念又怎樣？有什么用？前面說(shuō)了本系列是推薦按照語(yǔ)義來(lái)編寫程序。而算法是基于某些規(guī)則的，如給出1到100求和的算法是(1+100)*100/2，這里就暗示已經(jīng)有那么些規(guī)則說(shuō)明什么是加減乘除，什么是求和。即一個(gè)算法一定是就一個(gè)世界來(lái)說(shuō)的，它在另一個(gè)世界可能毫無(wú)意義。因?yàn)樗惴ň褪欠椒ǎ怯芍罢f(shuō)的命令和被操作的資源組成，而命令和資源就是由世界來(lái)定義的。
前面說(shuō)根據(jù)算法寫代碼，其實(shí)是先制訂了一個(gè)世界來(lái)做為算法展示的平臺(tái)。如之前的商人過河，其就在如下的一個(gè)規(guī)則集上表現(xiàn)的：有一只能坐兩人的船可以載人過河；有三個(gè)商人和三個(gè)仆人在河的一邊；河的任意一邊仆人數(shù)多過商人數(shù)商人就會(huì)被殺。這是對(duì)過河問題所基于的世界的嚴(yán)重不準(zhǔn)確的描述，但在這過于抽象并沒什么好處，只用注意：上面的商人和仆人不是現(xiàn)實(shí)世界中的商人和仆人，他們不能吃飯不能睡覺不能講話，甚至連走路都不會(huì)，唯一會(huì)的是通過坐船過河來(lái)改變自身的位置。當(dāng)某一位置（即河的某一岸）的仆人的實(shí)例多于商人的實(shí)例時(shí)（且商人的實(shí)例至少有一個(gè)），則稱商人被殺。上面的描述暫且稱為商人仆人論，它是對(duì)過河問題所基于的世界的一個(gè)描述。
另一個(gè)人卻不像上面那樣看待問題。河有兩個(gè)岸，每個(gè)河岸總對(duì)應(yīng)著兩個(gè)數(shù)字——商人數(shù)和仆人數(shù)。有一個(gè)途徑能按照某個(gè)規(guī)則改變河岸對(duì)應(yīng)的兩個(gè)數(shù)字（就是坐只能坐兩人的船過河），而當(dāng)任何一個(gè)河岸所對(duì)應(yīng)的仆人數(shù)多于商人數(shù)時(shí)（且商人數(shù)不為零），則稱商人被殺。此人沒有定義商人和仆人這么兩個(gè)概念，而只定義了一個(gè)概念——河岸，此概念具有兩個(gè)屬性——商人數(shù)和仆人數(shù)。這是另一個(gè)論調(diào)，暫且稱為河岸論。
什么意思？上面就是對(duì)商人過河問題所基于的世界的兩個(gè)不同論調(diào)。注意上面論調(diào)不同，但描述的都是同一個(gè)世界，就好像動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)，都是對(duì)客觀世界物體之間作用規(guī)則的描述，但大相徑庭。算法總是基于一個(gè)世界，但更準(zhǔn)確點(diǎn)的說(shuō)法應(yīng)是算法總是基于一個(gè)世界的描述，而所謂的設(shè)計(jì)程序就是編寫算法所基于的世界描述，即論調(diào)，而論調(diào)其實(shí)就是問題的描述。
現(xiàn)在考慮前面說(shuō)的商人仆人論和河岸論，它們都是同一世界的描述，但前者提出兩個(gè)名詞性概念——商人和仆人，各自具有“位置”這個(gè)狀態(tài)和“坐船”這么一個(gè)功能以及“商人被殺”這個(gè)動(dòng)詞性概念；后者提出一個(gè)名詞性概念——河岸，具有“商人數(shù)”和“仆人數(shù)”兩個(gè)屬性和“商人被殺”及“坐船”兩個(gè)動(dòng)詞性概念。
在此，說(shuō)后者比前者好，因?yàn)楹笳叨x的名詞性概念更少（即名詞性概念比動(dòng)詞性概念更容易增加架構(gòu)的復(fù)雜性，因?yàn)槠浯砹耸澜缰袞|西的種類，種類越繁多則世界越復(fù)雜，越難以實(shí)現(xiàn)），雖說(shuō)不一定更容易理解，但結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。
易發(fā)現(xiàn)，所有的論調(diào)都可以只由“名詞性概念”和“動(dòng)詞性概念”組成，其中前者在數(shù)學(xué)中就是數(shù)、實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)等，后者是加減乘除、求導(dǎo)等，它們都被稱作定義。在《游戲論》中，我將前者稱為類，而類的實(shí)例就是方法中被操作的的資源，后者稱為命令。
而在方法中，前者是資源的類型，后者是操作的類型。一個(gè)論調(diào)，提出的概念越少，結(jié)構(gòu)就越簡(jiǎn)單，也就越好。但應(yīng)注意，就電腦編程來(lái)說(shuō)，由于電腦并不是抽象的概念，而是存在效率因素的，因此基于前述的好的論調(diào)的算法而編出的代碼的運(yùn)行效率并不一定高。
因此，所謂的程序設(shè)計(jì)，就是設(shè)計(jì)算法所基于的論調(diào)，而好的程序設(shè)計(jì)，就是相應(yīng)的論調(diào)設(shè)計(jì)得好。但前面說(shuō)了，效率并不一定高，對(duì)此，一般僅在代碼的瓶頸位置另外設(shè)計(jì)，而程序的整體架構(gòu)依舊按照之前的設(shè)計(jì)。隨著程序的日趨龐大，清晰簡(jiǎn)明的程序架構(gòu)越顯重要，而要保持程序架構(gòu)的簡(jiǎn)明，就應(yīng)設(shè)計(jì)好的論調(diào)；要保持架構(gòu)的清晰，就應(yīng)按照語(yǔ)義來(lái)編寫代碼。下面，介紹如此風(fēng)靡的面向?qū)ο缶幊趟枷雭?lái)幫助設(shè)計(jì)程序。
何謂對(duì)象
要說(shuō)明面向?qū)ο?，首先?yīng)了解何謂對(duì)象。對(duì)象就是前述的“名詞性概念”的實(shí)現(xiàn)，即一個(gè)實(shí)例。如商人仆人論中有商人和仆人兩個(gè)“名詞性概念”，其有三個(gè)商人和三個(gè)仆人，則稱有六個(gè)對(duì)象，分別是三個(gè)商人的實(shí)例和三個(gè)仆人的實(shí)例。應(yīng)注意對(duì)象和實(shí)例的區(qū)別，其實(shí)它們沒有區(qū)別，如果非要說(shuō)區(qū)別，可以認(rèn)為對(duì)象能夠沒有狀態(tài)，但實(shí)例一定有狀態(tài)。
那么什么叫狀態(tài)？還是先來(lái)看看什么叫屬性。桌子有個(gè)屬性叫顏色，這張桌子是紅色的而那張是綠的。人有個(gè)狀態(tài)叫臉色，這個(gè)人的臉色紅潤(rùn)而那個(gè)的慘白。都是顏色，但一個(gè)是屬性一個(gè)是狀態(tài)，什么區(qū)別？
如果把桌子和人都映射成類，那么桌子的顏色和人的臉色都應(yīng)映射成相應(yīng)類的成員變量，而兩者的區(qū)別就是桌子的實(shí)例在主要運(yùn)作過程中顏色都不變化，其主要用于讀；人的臉色在人的實(shí)例的主要運(yùn)作過程中可能變化，其主要用于寫。什么叫運(yùn)作過程？類映射的是資源，資源可以具有功能，即成員函數(shù)，當(dāng)一個(gè)實(shí)例的功能執(zhí)行時(shí)，就是這個(gè)實(shí)例的運(yùn)作過程。
桌子有個(gè)功能是“放東西”，當(dāng)調(diào)用這個(gè)成員函數(shù)時(shí)，其中會(huì)讀取顏色這個(gè)屬性的值以判斷放在桌子上的東西的顏色是否和桌子的顏色搭配協(xié)調(diào)。人有個(gè)功能是“泡澡”，其可以使相應(yīng)實(shí)例的臉色從慘白向紅潤(rùn)轉(zhuǎn)變。但桌子也有個(gè)功能是“改變顏色”，調(diào)用它可以改變桌子的顏色。
按照前面所說(shuō)，顏色是屬性，應(yīng)該被讀，但這里卻在實(shí)例的運(yùn)作過程中對(duì)它進(jìn)行了寫操作。注意前面說(shuō)的是“主要運(yùn)作過程”，即桌子的目的是用來(lái)“放東西”，不是“改變顏色”。如果桌子這個(gè)概念在其相應(yīng)世界中主要是用來(lái)改變其顏色而不是放東西，此時(shí)桌子只不過是一個(gè)能記錄顏色值的容器，而這時(shí)桌子的顏色就是狀態(tài)，不是屬性了。
有何意義？屬性和狀態(tài)都映射為成員變量，從代碼上是看不出它們的區(qū)別的，但它們的語(yǔ)義是有嚴(yán)重區(qū)別的。屬性是用來(lái)配置實(shí)例而狀態(tài)是用來(lái)表現(xiàn)實(shí)例。在面向?qū)ο缶幊趟枷胫校皇呛?jiǎn)單地說(shuō)對(duì)象是具有屬性和功能（也被稱作方法）的實(shí)例，這在編寫的程序所基于的世界比較復(fù)雜時(shí)顯得非常地孱弱，而且就是對(duì)“屬性”的錯(cuò)誤理解，再加上“封裝”這個(gè)詞匯的席卷，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的荒謬代碼，后面說(shuō)明。
屬性和狀態(tài)的差別導(dǎo)致出現(xiàn)所謂的無(wú)狀態(tài)對(duì)象（在MTS——Microsoft Transaction Server中提出，稱作Stateless Component，無(wú)狀態(tài)組件），這正是對(duì)象和實(shí)例的差別——對(duì)象是實(shí)現(xiàn)，因此可以是一個(gè)抽象概念的實(shí)現(xiàn)；實(shí)例是實(shí)際存在，不能是抽象概念的實(shí)現(xiàn)。這在 C++代碼上就表現(xiàn)為沒有成員變量的類和有成員變量的類。如下：
- struct Search { virtual int search( int*, int, int ); };
- Search a, b; int c[3] = { 10, 20, 5 }; a.search( c, 3, 20 );
這里就生成兩個(gè)對(duì)象a和b，它們都是抽象概念——搜索功能的對(duì)象。注意結(jié)構(gòu)Search沒有成員變量，因?yàn)椴恍枰敲碼和b的長(zhǎng)度是多少？由于可能出現(xiàn)下面的情況，一般的編譯器都將上面的a和b的長(zhǎng)度定為一個(gè)字節(jié)，進(jìn)而&a就不等于&b。
- struct BSearch : public Search { int search( int*, int, int ); };
- Search *p; BSearch d; p = &a; p = &b; p = &d; p->search( c, 3, 5 );
注意從代碼上依舊可以稱上面生成了Search的兩個(gè)實(shí)例a和b，BSearch的一個(gè)實(shí)例d（即使實(shí)際上它們根本不存在，邏輯上大小為零），這也就是為什么之前說(shuō)它和對(duì)象沒有區(qū)別，僅僅有概念上的微小差別。
應(yīng)注意前面提到的無(wú)狀態(tài)對(duì)象并不是說(shuō)沒有成員變量的類的實(shí)例，只是沒狀態(tài)，并不代表沒有屬性。如前面的BSearch可能有個(gè)屬性 m_MaxSearchTimes以表示折半搜索時(shí)如果搜索m_MaxSearchTimes那么多次仍沒找到，則BSearch::search返回沒找到。
雖然這里BSearch有了成員變量，但就邏輯上它還是一個(gè)抽象概念。由于屬性和狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)相同（都通過成員變量），因此要實(shí)現(xiàn)無(wú)狀態(tài)對(duì)象需要一些特殊手段，由于與本系列無(wú)關(guān)，在此不表。
前面的a和b有區(qū)別嗎？為什么要有兩個(gè)實(shí)例？“搜索功能”按照之前說(shuō)的語(yǔ)義不是更應(yīng)該映射為函數(shù)？為什么要映射成沒有成員變量的類？上面的用法在 STL（Standard Template Library——標(biāo)準(zhǔn)模版庫(kù)）中被使用，做了一些變形，稱作函數(shù)類，是一種編程技巧。
但的確有這種語(yǔ)義——查找功能有三個(gè)參數(shù)：查找條件、查找位置（即欲搜索的容器或集合）、查找前排序容器或集合的方法。這里傳遞函數(shù)指針不是剛剛好嗎（實(shí)際并不剛剛好，指針的語(yǔ)義是引用，在這并不很準(zhǔn)確）？這就是所謂的面向?qū)ο缶幊趟枷搿?/p>
