面向?qū)ο缶幊獭狾O思想

周立功教授數(shù)年之心血之作《程序設(shè)計與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》以及《面向AMetal框架與接口的編程（上）》，電子版已無償性分享到電子工程師與高校群體，書本內(nèi)容公開后，在電子行業(yè)掀起一片學(xué)習(xí)熱潮。經(jīng)周立功教授授權(quán)，本公眾號特對《程序設(shè)計與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》一書內(nèi)容進(jìn)行連載，愿共勉之。

第四章為面向?qū)ο缶幊?/span>，本文為4.1OO思想。

第四章導(dǎo)讀

面向過程編程（Process-Oriented Programming，POP）是一種以過程為中心的編程思想，以正在發(fā)生的事件為主要目標(biāo)，指導(dǎo)開發(fā)者利用算法作為基本構(gòu)建塊構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)。

面向?qū)ο缶幊蘋OP（Object-Oriented Programming，OOP）是利用類和對象作為基本構(gòu)建塊，指導(dǎo)開發(fā)者探索基于對象和面向?qū)ο缶幊陶Z言的表現(xiàn)力。因此分解系統(tǒng)時，要么從算法開始，要么從對象開始，然后利用得到的結(jié)構(gòu)作為框架構(gòu)建系統(tǒng)。

>>>4.1OO思想

>>>4.1.1 職責(zé)轉(zhuǎn)移

1、人腦的限制

由于受到電腦的信息處理功能的影響，因此于20世紀(jì)60年代初產(chǎn)生了以信息處理論為基礎(chǔ)的認(rèn)知心理學(xué)。美國心理學(xué)家喬治?米勒在信息記憶上的研究成就，為新興的認(rèn)知心理學(xué)提供了理論的證據(jù)。

雖然當(dāng)時的心理學(xué)家已將信息處理的歷程，大致區(qū)分為感官記憶（2秒以下）、短時記憶（15秒以下）與長時記憶，但短時記憶的性質(zhì)及其重要性，則是在喬治?米勒1956 年發(fā)表研究報告《神奇的數(shù)字7 +/- 2，我們信息加工能力的局限》之后才被確定的，即米勒魔術(shù)——人類只能記住和處理7加或減2項內(nèi)容。

后來的證據(jù)表明基數(shù)可能少到3或4，這個數(shù)字代表大腦“暫存器”解決問題時所能保存的信息容量。無論實際數(shù)目是多少，如果要求普通人同時考慮大約15件事情，實際上最多只能記住和處理其中9件甚至更少。

如果要求處理的事情更多，一次只有幾件可以同時處理，其它的會被快速切入或切出暫存器。想一想去商店采購15件東西，如果沒有一份購物清單，你很可能漏掉東西或買回來的東西數(shù)量不正確。同樣的道理，如果需求列表或產(chǎn)品清單中的事項成千上萬，那么你的大腦根本沒辦法處理這樣復(fù)雜的事情，除非將它分解成更小的結(jié)構(gòu)化分組。

2、核心域和非核心域

一個軟件系統(tǒng)封裝了若干領(lǐng)域的知識，其中一個領(lǐng)域知識代表了系統(tǒng)的核心競爭力，這個領(lǐng)域被稱為“核心域”，其它領(lǐng)域稱為“非核心域”。雖然更通俗的說法是“業(yè)務(wù)”和“技術(shù)”，但使用“核心域”和“非核心域”更嚴(yán)謹(jǐn)。

非核心域就是別人的領(lǐng)域，比如，底層驅(qū)動、操作系統(tǒng)和組件，即便你有一些優(yōu)勢，那也是暫時的，競爭對手也能通過其它渠道獲得。非核心域的改進(jìn)是必要的，但不充分，還是要在核心域上深入挖掘，讓競爭對手無法輕易從第三方獲得。因為在核心域上深入挖掘，達(dá)到基于核心域的復(fù)用，這是獲得和保持競爭力的根本手段。

要達(dá)到基于核心域的復(fù)用，有必要將核心域和非核心域分開考慮。因為人腦的容量是有限的，而過早地將各個領(lǐng)域的知識混雜，會增加不必要的負(fù)擔(dān)，從而導(dǎo)致開發(fā)人員騰不出腦力思考核心域中更深刻的問題。

正因為人腦的容量和運算能力有限，待解決的問題的規(guī)模一旦變大，就必須分而治之，因為核心域與非核心域的知識都是獨立的。比如，一個計算器要做到?jīng)]有漏洞，其中的問題也很復(fù)雜。如果不使用狀態(tài)圖對領(lǐng)域邏輯顯式地建模，再根據(jù)模型映射到實現(xiàn)。而是直接下手編程，領(lǐng)域邏輯的知識靠臨時去想，最終得到的代碼肯定破綻百出。其實有利潤的系統(tǒng)，其內(nèi)部都是很復(fù)雜的，千萬不要幼稚地認(rèn)為“我的系統(tǒng)不復(fù)雜”。

3、職責(zé)轉(zhuǎn)移

在面向過程編程時，由于主程序承擔(dān)的責(zé)任太多，要確保一切正確工作，還要協(xié)調(diào)各個函數(shù)并控制它們的先后順序，因此經(jīng)常會產(chǎn)生非常復(fù)雜的代碼。很多時候變化是不可避免的，而功能分解法卻又無法應(yīng)對可能出現(xiàn)的變化。一旦修改代碼，則bug越來越多。更重要的是，由于人類的大腦無法做太多復(fù)雜的處理，記憶力和理解力也是有限的。因此面對復(fù)雜的軟件開發(fā)時，主程序不能做太多的事情，必須通過“分離關(guān)注點”進(jìn)行職轉(zhuǎn)移責(zé)。

假設(shè)要乘出租車去機(jī)場，一種方式是告訴司機(jī)，按照“啟動、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、停止”等單獨的接口去機(jī)場。這種方式需要乘客對自己的行為負(fù)責(zé)，乘客知道每個城市去機(jī)場的路線。

既然用戶的需求總是在變化之中，我們將無法阻止變化。與其抱怨變化，不如改變開發(fā)過程，從而更有效地應(yīng)對變化，面向?qū)ο缶幊叹褪沁@樣作為對抗軟件復(fù)雜性的手段出現(xiàn)的。

在面向?qū)ο缶幊虝r，另一種方式是告訴司機(jī)，“請載我去機(jī)場”。盡管具體實現(xiàn)在廣州、北京或上海等不同城市中是不同的，但在任何城市都可以這么說。因為司機(jī)知道怎么去機(jī)場，司機(jī)對自己的行為負(fù)責(zé)，并信任司機(jī)知道如何執(zhí)行，這就是職責(zé)轉(zhuǎn)移，顯然這種方法比功能分解法要容易得多。

由于每個對象都對自己的行為負(fù)責(zé)，因此必須有方法告訴對象要做什么。而方法都被標(biāo)識為能夠被其它對象調(diào)用，這些方法的集合被稱為對象的公開接口。其形象的比喻為，“將軟件對象看成具有某種職責(zé)的人，他要與其他人協(xié)作完成工作?！?/p>

>>> 4.1.2 OO機(jī)制

面向?qū)ο蟮木幊淌怯深悾╟lass）這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，C++類的概念是對C結(jié)構(gòu)概念擴(kuò)展。因此表面上看起來這些特征與面向?qū)ο缶幊陶Z言有很大的關(guān)聯(lián)，但實際上能用任何一種語言實現(xiàn)。不管實現(xiàn)語言如何，任何大的軟件系統(tǒng)都會以某種形式使用抽象、繼承或多態(tài)性。

1、封裝

封裝是OO方法中的一個重要原則，其含義是將封裝視為任何形式的隱藏，對外形成一個邊界，只暴露有限的對外接口使之與外部發(fā)生聯(lián)系。封裝不僅僅是將對象的全部屬性和全部操作結(jié)合在一起，形成一個不可分割的獨立單位（對象），而是發(fā)現(xiàn)變化將其封裝。

抽象實現(xiàn)封裝的分析工具，抽象可以使我們專注于應(yīng)用程序最本質(zhì)的方面，同時忽略細(xì)節(jié)。在確定如何實現(xiàn)功能之前，先關(guān)注對象是什么？做了什么？更具體地，抽象是將一類對象的共同特征總結(jié)出來創(chuàng)建類的過程，包括數(shù)據(jù)抽象和行為抽象。

數(shù)據(jù)抽象是數(shù)據(jù)和處理方法的結(jié)合，即封裝數(shù)據(jù)和函數(shù)到類中的能力，因此又將數(shù)據(jù)抽象稱為信息隱藏或封裝，信息隱藏是一種軟件設(shè)計思想。由于不必知道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此可以將數(shù)據(jù)當(dāng)作黑盒子來操作。即使將來數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對外部也沒有影響。從而避免程序的各個組成部分過于相互依賴，否則很小的變化也會引起巨大的連鎖反應(yīng)。

在結(jié)構(gòu)化的設(shè)計中，通常將代碼封裝到函數(shù)和模塊中。因此封裝不是OO語言所特有的，但它能將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和行為組織在一個實體中，其主要目的是為使用代碼的程序員提供一致的接口，這是面向?qū)ο缶幊痰耐怀鎏攸c。盡管如此，面向?qū)ο蠛徒Y(jié)構(gòu)化的代碼并不是互斥的，實際上不用結(jié)構(gòu)化代碼將無法創(chuàng)建對象。因此在構(gòu)建面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)時，在設(shè)計中依然離不開結(jié)構(gòu)化的技術(shù)。

2、繼承

雖然結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計通過編寫一個功能塊實現(xiàn)重用，但面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計實現(xiàn)代碼重用的方法是允許定義類之間的關(guān)系。而繼承是實現(xiàn)該功能的主要手段，其將不同代碼中相同的部分提取出來。即抽取不同類的共同屬性和行為創(chuàng)建全新的類，實現(xiàn)代碼最大限度地重用。

利用類和繼承這兩個特性，高效地將抽象數(shù)據(jù)通過類封裝起來，即通過類將同一類對象管理起來。因此可以說類是將數(shù)據(jù)黑盒子化的工具，而繼承可以從其它類繼承屬性，只需要擴(kuò)展實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)稍作改進(jìn)，即可支持軟件重用。

在經(jīng)典的Shape（形狀）示例中，Circle（圓形）、Square（矩形）和Star（星形）都直接繼承自Shape，這種關(guān)系通常被稱為is-a關(guān)系。因為圓是一種形狀，矩形也是一種形狀，星形也是一種形狀，即Circle、Square和Star都是Shape的擴(kuò)展。當(dāng)子類繼承自父類時，任何父類能做的事情子類都可以做。

3、多態(tài)性

當(dāng)你要求某人畫一個形狀Shape時，實際上沒有人能完成這個任務(wù)。因為形狀是一個抽象的概念，所以Shape無法提供繪制代碼，必須指定一個具體的形狀。有了具體形狀，就可以為各種具體形狀實現(xiàn)各自的繪圖代碼。

顯然，無論畫什么形狀，其共性是Draw畫圖方法，每種形狀都可以通過函數(shù)指針調(diào)用各自的繪圖代碼繪制自己，這就是多態(tài)的意義，即多態(tài)允許用相同的方法（代碼）在運行中，根據(jù)對象的類型調(diào)用不同的處理函數(shù)。

4、組合

組合是指在類中包含一個對象，且該對象是其它類的實例，開發(fā)者將責(zé)任委托給所包含的對象完成。組合有兩種方式：聚合和組合，這些方式表示了對象之間的協(xié)作關(guān)系。

聚合就是“可聚可散”的意思，被包含的對象如同一個集合。聚合關(guān)系是整體與部分的關(guān)系，且部分可以離開整體而單獨存在。雖然汽車和發(fā)動機(jī)是整體和部分的關(guān)系，但發(fā)動機(jī)離開汽車仍然可以存在，所以汽車和發(fā)動機(jī)是聚合關(guān)系。

雖然組合關(guān)系也是某種形式的整體和部分的聚合，但部分不能離開整體而單獨存在，部分對象與整體對象之間具有同生共死的關(guān)系。在組合關(guān)系中，部分是整體的一部分，且整體可以控制部分的生命周期，即部分的存在依賴于整體。

雖然花瓣不是一種花，但它是花的一部分，因此它們之間存在一種真正的has-a組合關(guān)系，不存在父子關(guān)系。同樣，頭部是由眼睛、嘴巴、鼻子和耳朵組合而成的，如果頭部不存在，那么這些部件都不能單獨存在。

>>> 4.1.3 OO收益

耦合性與內(nèi)聚性是相輔相成的關(guān)系，內(nèi)聚性描述的是一個模塊內(nèi)部組成部分之間相互聯(lián)系的緊密程度，而耦合性描述的是一個模塊與其它模塊之間聯(lián)系的緊密程度。由此可見，無論使用哪種方法，軟件開發(fā)的目標(biāo)是創(chuàng)建符合“高內(nèi)聚、低耦合”這樣的模塊。也就是說，每個模塊盡可能獨立完成某個特定的功能。

如果模塊之間做到了低耦合，那么修改一個模塊就不需要修改另一個模塊。使用模塊化最重要的一點是，能夠獨立修改單個模塊，而不需要修改系統(tǒng)的其它模塊。一個典型的錯誤是，使用緊耦合的方式做模塊之間的集成，從而使得一個模塊的修改會導(dǎo)致其消費者的修改。一個低耦合的模塊應(yīng)該盡可能少地知道與之協(xié)作的那些模塊的信息，即應(yīng)該限制兩個模塊之間不同調(diào)用形式的數(shù)量，因為除了潛在的性能問題之外，過度的通信可能會導(dǎo)致緊耦合。

內(nèi)聚性用于評估一個組件（包、模塊或配件）中成員的功能相關(guān)性，內(nèi)聚程度高表明各個成員共同完成了一個功能特性或一組功能特性，內(nèi)聚程度低表明各個成員提供的功能互不相干。如果一個類的方法和屬性共同完成了一個功能或一系列緊密相關(guān)的功能，這個類就是內(nèi)聚的。假設(shè)有一個這樣的類，實現(xiàn)了3種完全不同的功能。如果這3個功能的需求細(xì)節(jié)發(fā)生了變化，這個類也必須跟著改變，從而導(dǎo)致更多的開發(fā)和維護(hù)成本。因此高內(nèi)聚就是將相關(guān)的行為聚集在一起，而將不相關(guān)的行為放在別處。這樣做的好處是，如果要修改某個行為，則只在一個地方修改，即可盡快發(fā)布。