面向?qū)ο缶幊獭惻c對(duì)象

周立功教授數(shù)年之心血之作《程序設(shè)計(jì)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(hào)特對(duì)《程序設(shè)計(jì)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4.2 類與對(duì)象。

4.2 類與對(duì)象

亞里士多德可能是第一個(gè)研究類型概念的人，他提到了“魚類和鳥類”。將具有共同的行為和特征的所有對(duì)象歸為一個(gè)類的思想，在第一個(gè)面向?qū)ο笳Z言Simula-67中得到了直接應(yīng)用，其目的是為了解決模擬問題。比如，銀行的出納業(yè)務(wù)，包括出納部門、顧客、業(yè)務(wù)、貨幣的單位等大量的對(duì)象，將具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（屬性）和行為（操作）的對(duì)象歸在一起為一個(gè)類，屬于類的任何對(duì)象都共享該類的所有屬性，這就是類的來源。

創(chuàng)建抽象數(shù)據(jù)類型是OOP的基本思想，幾乎能象完全內(nèi)建類型一樣使用。程序員可以創(chuàng)建類型的變量和操作這些變量。每個(gè)類的成員都有共性，每個(gè)賬戶有余額，每個(gè)出納員都能接收存款等。同時(shí)每個(gè)成員都有自己的狀態(tài)，每個(gè)賬戶有不同的余額，每個(gè)出納員都有名字。通常在計(jì)算機(jī)中出納員、客戶、賬戶和交易等都被描述為唯一的實(shí)體，這個(gè)實(shí)體就是對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都屬于一個(gè)定義了它的行為和特性的特定類。

由此可見，類和類的對(duì)象不是相同的概念，與圖紙和建筑的關(guān)系類似，對(duì)象的描述依賴描述它的類。因此可以通過創(chuàng)建類的實(shí)例創(chuàng)建對(duì)象，即定義類的變量，這個(gè)過程叫做實(shí)例化。

>>>4.2.1對(duì)象

從人類認(rèn)知的抽象角度來看，對(duì)象可以是下列事物之一：

• 一個(gè)可以觸摸或可以看見的東西；

• 在智力上可以理解的東西；

• 可以指導(dǎo)思考或行動(dòng)的東西。

顯而易見，一個(gè)對(duì)象反映了某一部分的真實(shí)存在，因此對(duì)象是在時(shí)間和空間中存在的某種東西。軟件中的“對(duì)象”術(shù)語首先出現(xiàn)在Simula語言中，對(duì)象存在于Simula程序中，用于模擬現(xiàn)實(shí)世界的某個(gè)方面。

某些對(duì)象可能有明確的概念邊界，但代表的是不可觸摸的事件或過程。比如，一個(gè)立方體和一個(gè)球相交，它們的相交線是一條不規(guī)則的曲線。雖然它離開了球體或立方體就不存在了，但這條線仍然是一個(gè)對(duì)象，因?yàn)樗忻鞔_定義的概念邊界。

某些對(duì)象可能是可觸摸的，但物理邊界不太清晰。比如，河流、霧和人群等就屬于這種類型的對(duì)象。雖然類似于美和色彩這樣的屬性不是對(duì)象，愛和恨這樣的感情也不是對(duì)象，但這些東西有可能成為其它對(duì)象的屬性，比如，一個(gè)男人（一個(gè)對(duì)象）愛他的妻子（另一個(gè)對(duì)象），或者說某只貓（又一個(gè)對(duì)象）是灰色的。由此可見，屬性表示對(duì)象記憶的信息，且只能通過對(duì)象的操作來訪問和修改。

當(dāng)傳統(tǒng)的過程模塊或函數(shù)返回調(diào)用者時(shí)，不會(huì)帶來任何副作用，模塊運(yùn)行結(jié)束，只將其結(jié)果返回。當(dāng)同一模塊再次被調(diào)用時(shí)，就象是第一次誕生一樣。模塊對(duì)以前的存在沒有任何記憶，就象人類一樣對(duì)以前的存在一無所知。

就對(duì)象而言，對(duì)象的一個(gè)重要特征是它們充當(dāng)數(shù)據(jù)的容器，因此對(duì)象具有記憶功能，對(duì)象知道它的過去，通常也將包含在對(duì)象屬性中的數(shù)據(jù)值稱為對(duì)象的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)對(duì)象的調(diào)用者給該對(duì)象一個(gè)信息后，如果該調(diào)用者或其它調(diào)用者要求該對(duì)象再次提供這一信息，則該對(duì)象執(zhí)行結(jié)束后并沒有死，因此對(duì)象具有如何保持其狀態(tài)（狀態(tài)即對(duì)象擁有值的集合）的能力。

假設(shè)你在看一個(gè)人，肯定會(huì)將這個(gè)人當(dāng)作一個(gè)對(duì)象。顯然，每個(gè)人都有數(shù)據(jù)，比如，name、birthdate和weight等；一個(gè)人還有行為，比如，走路、說話和呼吸等，因此可以說對(duì)象是由“數(shù)據(jù)和行為”構(gòu)成的。在現(xiàn)實(shí)世界里，由于每個(gè)對(duì)象的狀態(tài)不一樣，因此可以用存儲(chǔ)在一個(gè)對(duì)象中的數(shù)據(jù)表示對(duì)象的狀態(tài)，數(shù)據(jù)包含了能夠區(qū)分不同對(duì)象的信息。

在OO程序設(shè)計(jì)中，每個(gè)對(duì)象都有唯一的標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)是一個(gè)對(duì)象的屬性，用于區(qū)分這個(gè)對(duì)象與其它所有對(duì)象。而這個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)可以通過句柄機(jī)制提供，因此可以借助這個(gè)句柄引用對(duì)象。不同的語言實(shí)現(xiàn)句柄的方式不一樣，比如，地址、數(shù)組下標(biāo)或人為編號(hào)。

在現(xiàn)實(shí)世界中一些對(duì)象有對(duì)等物，比如，ZLG公司，另一些對(duì)象則是概念實(shí)體，比如，解一元一次方程，還有一些其它的對(duì)象，比如，棧、數(shù)組變量名a，都是為了實(shí)現(xiàn)而引入的，沒有對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體。

許多開發(fā)人員可能會(huì)認(rèn)為“一個(gè)包含了另一個(gè)對(duì)象的對(duì)象”，其本質(zhì)上與“一個(gè)具有純數(shù)據(jù)成員的對(duì)象”是完全不同的，但是那些看起來不是對(duì)象的數(shù)據(jù)成員實(shí)際上也是對(duì)象，比如，整數(shù)和雙精度數(shù)。在真正的面向?qū)ο笳Z言中，萬事萬物都是對(duì)象，甚至內(nèi)置數(shù)據(jù)也是對(duì)象，即使其行為只是運(yùn)算。

由此可見，雖然對(duì)象是具有明確定義的邊界的東西，但還不足以區(qū)分不同的對(duì)象。因?yàn)橥粋€(gè)類的每個(gè)對(duì)象具有不同的句柄，在任何特定時(shí)刻，每個(gè)對(duì)象可能有不同的狀態(tài)（指存儲(chǔ)在變量中的不同的“值”），因此對(duì)象是一個(gè)具有狀態(tài)、行為和標(biāo)識(shí)的實(shí)體。

對(duì)象又分持久對(duì)象和主動(dòng)對(duì)象，持久對(duì)象是指生存期可以超越程序的執(zhí)行時(shí)間，而長期存在的且所有的操作都是被動(dòng)執(zhí)行的對(duì)象。在主動(dòng)對(duì)象概念出現(xiàn)之前，人們所理解的對(duì)象概念只是被動(dòng)對(duì)象，即對(duì)象的每個(gè)操作都是被動(dòng)地響應(yīng)從外部發(fā)來的消息才可以執(zhí)行。

在開發(fā)一個(gè)具有多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的系統(tǒng)時(shí)，如果僅有被動(dòng)對(duì)象的概念，則很難描述系統(tǒng)中的多個(gè)任務(wù)。其實(shí)并發(fā)不僅僅存在操作系統(tǒng)中，如今多個(gè)任務(wù)并發(fā)可以說無處不在。每個(gè)任務(wù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)該成為一個(gè)可以并發(fā)執(zhí)行的主動(dòng)程序單位，那么如何描述呢？

如果用被動(dòng)對(duì)象將無法描述那些不接收任何消息也要主動(dòng)工作的對(duì)象，比如，交通燈控制系統(tǒng)中的信號(hào)燈，溫控器中的傳感器，它們的行為都是主動(dòng)發(fā)起的，即主動(dòng)對(duì)象至少有一個(gè)操作不需要接收消息就就能主動(dòng)執(zhí)行的對(duì)象。

盡管發(fā)現(xiàn)對(duì)象的活動(dòng)是從具體事物出發(fā)分析和認(rèn)識(shí)問題的，但人們在進(jìn)行這種活動(dòng)時(shí)實(shí)際上并不局限于對(duì)個(gè)別事物的認(rèn)識(shí)，而是尋找一類事物的共同特征，將對(duì)象抽象為類。

>>>4.2.2 類

類的概念早在柏拉圖之前就出現(xiàn)了，面向?qū)ο缶幊叹拖癜乩瓐D之后的西方哲學(xué)家一樣延續(xù)了這種思維。類的概念與對(duì)象的概念是緊密交織在一起，因?yàn)樵谟懻撘粋€(gè)對(duì)象時(shí)不得不提到它的類，但是這兩個(gè)術(shù)語又存在重要的差別。對(duì)象是存在于時(shí)間和空間中的具體實(shí)體，而類僅代表一種抽象，因此可以說Validator類代表了所有校驗(yàn)器的共同特征。要確定這個(gè)類中的某個(gè)具體的校驗(yàn)器，則必須說“范圍值校驗(yàn)器”或“奇偶校驗(yàn)器”。

在面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)的上下文中，將類定義為——類是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中事物的描述，類描述了擁有相同屬性、行為和關(guān)系類別的一組對(duì)象，一個(gè)對(duì)象就是類的一個(gè)實(shí)例，因此沒有共同的屬性和行為的對(duì)象不能劃分為一個(gè)類。比如，一個(gè)相當(dāng)高層的抽象，一個(gè)GUI框架，一個(gè)數(shù)據(jù)庫和整個(gè)系統(tǒng)在概念上都是獨(dú)立的對(duì)象，因此不能將它們表示為一個(gè)單獨(dú)的類。相反應(yīng)該將這些抽象表示為一組類，通過這些類的實(shí)例互相協(xié)作，提供我們期望的功能。

通常將這樣的一組類稱為一個(gè)組件，而組件是預(yù)先創(chuàng)建好的程序模塊，可與其它模塊一起構(gòu)成一個(gè)程序。通常組件以二進(jìn)制形式發(fā)布，其實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者來說是隱藏的。如果組件設(shè)計(jì)良好，使用者甚至不需要知道這個(gè)組件使用什么語言編寫的。但組件必須至少暴露一個(gè)接口才能使用，通常組件會(huì)有暴露多個(gè)接口。從使用者的角度來看，一個(gè)組件是一些前端接口的后端服務(wù)者，程序員通過組件接口所暴露的函數(shù)操作該組件。由此可見，組件擴(kuò)展了面向?qū)ο笾袑?duì)象作為服務(wù)提供者通過高層接口提供服務(wù)的概念。

在現(xiàn)實(shí)世界里，餅干也是對(duì)象，必須先有模子（類），才能做出你想要的形狀的餅干，因此可以認(rèn)為類是對(duì)象的模板。比如，只有符合一定條件的數(shù)值才能push到棧中，那么Validator校驗(yàn)器類就是由RangeValidator范圍值校驗(yàn)器類、OddEvenValidator奇偶校驗(yàn)器類和PrimerValidator質(zhì)數(shù)校驗(yàn)器類等具體校驗(yàn)器類的對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)集合體。屬于類的任何對(duì)象都共享該類的所有屬性，比如，所有的具體校驗(yàn)器都有這樣的屬性——校驗(yàn)參數(shù)。

在OO程序設(shè)計(jì)中，一個(gè)類就是一種抽象數(shù)據(jù)類型，用戶也可以創(chuàng)建一個(gè)自己的類，而且可以將這個(gè)類當(dāng)做數(shù)據(jù)類型使用。一旦有了類，就可以象使用普通的數(shù)據(jù)類型那樣用類定義變量，如果定義了RangeValidator類，即可用它定義變量rangeValidator。RangeValidator類的變量rangeValidator可以擁有成員變量或域，代表不同校驗(yàn)器的屬性或特性，通常將這些成員變量稱為數(shù)據(jù)成員。

（1）值和屬性

值是一段數(shù)據(jù)，屬性描述了類的每個(gè)對(duì)象都擁有的一個(gè)值，可以這樣類比——對(duì)象之于類如同值之于屬性。比如，name、birthdate和weight都是Person對(duì)象的屬性，color、modelYear和weight都是Car對(duì)象的屬性。對(duì)于每個(gè)對(duì)象，每個(gè)屬性都有一個(gè)值，比如，對(duì)象ZhangSan的屬性birthdate的值是“21 October 1983”，也就是說，ZhangSan生于1983年10月21日。對(duì)于一個(gè)特定的屬性，不同的對(duì)象可能會(huì)有相同或不同的取值。在一個(gè)類中，雖然每個(gè)屬性的名字都是唯一的，但在所有的類中不一定是唯一的，比如，類Person和類Car都可能有一個(gè)名為weight的屬性。

下面將介紹一種通過屬性詳細(xì)描述類的UML建模語言，一種用于可視化表示、指定、構(gòu)造和描述軟件密集系統(tǒng)中部件的圖形化語言，它提供了一種以圖形化方式表示和管理面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)的方法。其不僅是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的表示，而且是一種有助于完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具。類圖定義了3個(gè)不同的部分，即類名、屬性和方法，用于解釋所構(gòu)建的類。當(dāng)用UML創(chuàng)建對(duì)象模型時(shí)，盡可能不要在類圖中包含太多的信息，這樣就能集中注意力于整體設(shè)計(jì)，而不會(huì)將重點(diǎn)放在細(xì)節(jié)上。

如圖 4.1所示展示了類建模表示法，顯示了一個(gè)類（左圖）和它所描述的對(duì)象（右圖），對(duì)象ZhangSan和LiMing都是類Person的實(shí)例。對(duì)象的UML表示法是一個(gè)方框，方框里面是對(duì)象名后加冒號(hào)和類名，對(duì)象名和類名都有下劃線，并約定用黑體字表示對(duì)象名和類名。類的UML表示法也是一個(gè)方框，也約定用黑體字表示類名，將名字放在方框的正中央，首字符大寫，且用單數(shù)名詞表示類名。類Person有屬性name和birthdate，name是string（字符串），birthdate是date（日期）。類Person中一個(gè)對(duì)象的名字取值是"Zhang San"，生日取值是“21 October 1983”；另一個(gè)對(duì)象的名字取值是"Li Ming"，生日取值是“16 March 1950”。

圖 4.1 屬性和值的UML表示法

UML表示法會(huì)在框的第二格里列舉屬性，每個(gè)屬性后面都可以有可選項(xiàng)，比如，類型和默認(rèn)值。在類之前有一個(gè)冒號(hào)，在默認(rèn)值之前有一個(gè)等號(hào)。約定以常規(guī)字體顯示屬性名，方框中的名稱左對(duì)齊，首字母使用小寫。在對(duì)象方框的第二格里，也可能會(huì)包含屬性值，其表示法是列出每個(gè)屬性名，之后跟著等號(hào)和取值，同樣屬性值也是左對(duì)齊，使用常規(guī)字體。雖然有些實(shí)現(xiàn)要求對(duì)象有唯一的標(biāo)識(shí)符，但這些標(biāo)識(shí)符在類模型中是隱含的，即不需要也不應(yīng)該顯式地將它們列舉出來，比如，PersonID:ID。因?yàn)榇蠖鄶?shù)OO開發(fā)語言會(huì)自動(dòng)生成標(biāo)識(shí)符，可以使用這些標(biāo)識(shí)符來引用對(duì)象；反之，則可能需要顯式地列舉出來，否則無法引用對(duì)象。但是不要將內(nèi)部標(biāo)識(shí)符和現(xiàn)實(shí)世界的屬性混淆了，內(nèi)部標(biāo)識(shí)符純粹是一種便于實(shí)現(xiàn)的做法，沒有應(yīng)用意義。相反，納稅人編號(hào)、汽車牌照號(hào)碼和電話號(hào)碼都不是內(nèi)部標(biāo)識(shí)符，因?yàn)樗鼈冊趯?shí)現(xiàn)世界有真實(shí)的意義，屬于合法的屬性。

（2）操作與方法

操作是一個(gè)函數(shù)或過程，比如，open和close都是Windows類的操作，類中所有的對(duì)象都共享相同的操作，因此將對(duì)象能夠做什么的行為稱為操作，通常將相同的操作應(yīng)用于許多不同的類稱為多態(tài)。

方法是對(duì)操作的實(shí)現(xiàn)，其表現(xiàn)為OOP某個(gè)類的成員函數(shù)。比如，類Validator有一個(gè)操作validate，其校驗(yàn)過程是通過validate調(diào)用不同的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。比如，范圍值校驗(yàn)和奇偶校驗(yàn)。雖然這些方法在邏輯上都執(zhí)行相同的任務(wù)——數(shù)據(jù)校驗(yàn)，但是每種方法的實(shí)現(xiàn)代碼會(huì)有所不同。

如圖 4.2所示RangeValidator類有min和max屬性，以及validate操作，min、max和validate都是RangeValidator的特征。特征是描述屬性或操作的類屬詞匯，類似地OddEvenValidator有isEven屬性和validate操作。

圖 4.2 操作的UML表示法

注意，validate()省略了括號(hào)中的輸入?yún)?shù)，即“validate(pThis:void *, value:int):bool”。validate的一個(gè)參數(shù)是pThis，其類型是void *；它的另一個(gè)參數(shù)value，其類型是int。當(dāng)一項(xiàng)操作在幾個(gè)類上都有方法時(shí)，這些方法都要有相同的簽名，即相同的參數(shù)數(shù)量和類型，以及返回值的類型。

UML的方框表示類，最多有三格，從上到下每個(gè)格里分別包含了類名、屬性列表和操作列表。類方框中的屬性和操作的框格可以選擇顯示或隱藏，缺少屬性說明沒有指定屬性，缺少操作框說明沒有指定操作。相反，空框格意味著屬性是指定的，只是沒有顯示屬性而已。

操作列表約定用常規(guī)字體列出操作名，左對(duì)齊，首字母小寫。比如，參數(shù)列表和操作結(jié)果的類型，用括號(hào)將參數(shù)列表括起來，并用逗號(hào)分隔參數(shù)。結(jié)果類型之前有一個(gè)冒號(hào)，除非括號(hào)中空的參數(shù)列表明確表示沒有參數(shù)，否則就不能下結(jié)論。

（3）客戶和服務(wù)器模式

在OOP中，如果一個(gè)類公開了一些方法供其它類調(diào)用，那么這個(gè)類被稱為服務(wù)器，公開的這些方法被稱為服務(wù)，而調(diào)用這些服務(wù)的類就是客戶。理論上客戶類調(diào)用服務(wù)器類的服務(wù)，即客戶向服務(wù)器發(fā)送了一條消息。而客戶和服務(wù)器的概念是相對(duì)而言的，當(dāng)A類向B類提供了功能接口時(shí)，則類A是服務(wù)器，B類是客戶；如果類B也同時(shí)為類A提供了功能接口，則類B是服務(wù)器，類A是客戶。

設(shè)計(jì)良好的服務(wù)器應(yīng)該將其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏起來，客戶僅需知道服務(wù)器提供的接口即可。接口就是客戶所能調(diào)用的那些函數(shù)，這些函數(shù)將消息發(fā)給服務(wù)器，那么服務(wù)器就知道客戶需要什么樣的服務(wù)，服務(wù)器會(huì)返回一些數(shù)據(jù)給客戶，或執(zhí)行客戶所需的任務(wù)等。

（4）消息傳遞和方法調(diào)用

在OOP中，類和對(duì)象表現(xiàn)為服務(wù)器，使用類和對(duì)象的模塊表現(xiàn)為客戶?？蛻敉ㄟ^特殊的方式請求服務(wù)。那么到底如何讓對(duì)象為我們做有用的事情呢？必須有一種方法能向?qū)ο笞龀稣埱?，使得它能做某件事情，比如，完成交易、在屏幕上畫圖或打開開關(guān)?？梢韵?qū)ο蟀l(fā)出的請求是由它的接口定義的，而接口是由類型定義的。

雖然接口規(guī)定了我們能向特定的對(duì)象發(fā)出什么請求，但必須有代碼滿足這種請求，再加上隱藏的數(shù)據(jù)就組成了實(shí)現(xiàn)。類型對(duì)每個(gè)可能的請求都有一個(gè)相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)向?qū)ο蟀l(fā)出請求時(shí)，就調(diào)用這個(gè)函數(shù)。這個(gè)過程被概括為向?qū)ο蟆鞍l(fā)送消息”（提出請求），對(duì)象根據(jù)這個(gè)消息確定做什么（執(zhí)行代碼）。

對(duì)象之間的邏輯接口通過消息傳遞實(shí)現(xiàn)，消息是對(duì)對(duì)象之間通信的的抽象。常見的消息傳遞方法是直接調(diào)用定義于接收方對(duì)象中的操作，比如，當(dāng)對(duì)象A調(diào)用對(duì)象B的一個(gè)方法時(shí)，對(duì)象A就是在向?qū)ο驜發(fā)送一個(gè)消息，對(duì)象B的響應(yīng)由其返回值定義，但只有對(duì)象的公共方法才能由另一個(gè)對(duì)象調(diào)用。

使用消息傳遞可以實(shí)現(xiàn)松耦合，特別在分析階段，不用指定接口的細(xì)節(jié)，比如，同步、函數(shù)調(diào)用格式和超時(shí)等。當(dāng)全面理解了所有的問題后，接下來就可以決定設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)了。通常對(duì)象接口可以看成對(duì)象與外部世界之間制定的契約，契約是由一組協(xié)議定義的，對(duì)象參與到這些協(xié)議中。接口協(xié)議包括前置條件、后置條件和不變量。

前置條件是當(dāng)該操作被調(diào)用時(shí)，必須成立的條件。即在調(diào)用之前應(yīng)該校驗(yàn)傳入?yún)?shù)是否正確，只有正確才能執(zhí)行該方法。也就是說，必須在消息發(fā)送或接收之前保證為真的條件，這是消息發(fā)送者的職責(zé)。一旦通過前置條件的校驗(yàn)方法必須執(zhí)行，且必須保證執(zhí)行結(jié)果符合契約，這就是后置條件。也就是說，后置條件是當(dāng)該操作完成時(shí)，必須成立的條件。即在處理消息時(shí)必須保證為真，這是消息接收者的職責(zé)。不變量是指在任何時(shí)刻都必須成立的條件，包括操作執(zhí)行前、執(zhí)行時(shí)和執(zhí)行后。

（5）屬性抽象與行為抽象

OO程序設(shè)計(jì)思想可以采用抽象的方法，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的多個(gè)具體對(duì)象進(jìn)行概括分析，得到這類對(duì)象所具有的共同屬性和行為，加以描述就形成了類。雖然都是同一個(gè)類的對(duì)象，但每個(gè)對(duì)象的屬性不同，于是就形成了不同的具體對(duì)象實(shí)體。

抽象一般分為屬性抽象和行為抽象兩種，屬性抽象是尋找一類對(duì)象共有的屬性，比如，在范圍值校驗(yàn)器RangeValidator類中，使用整型變量min和max來描述push到棧中的數(shù)值范圍，然后將min和max變量作為類的成員變量描述對(duì)象的屬性，即“屬性是包含在對(duì)象中的變量”。而行為抽象則是尋找這類對(duì)象所具有的共同行為特征，比如，對(duì)push到棧中的值進(jìn)行范圍值校驗(yàn)，同樣，也可以為這個(gè)類添加相應(yīng)的函數(shù)，最終將該函數(shù)作為類的成員函數(shù)描述對(duì)象的行為，即“方法是包含在對(duì)象中的函數(shù)”。

在面向過程的編程中，程序是由模塊組成的，一個(gè)模塊就是一個(gè)過程，通常采用自頂而下的設(shè)計(jì)方法。而面向?qū)ο蟮木幊膛c設(shè)計(jì)著眼于解決面向過程的編程和自頂而下設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些問題，由于在面向?qū)ο蟮木幊讨袠?gòu)成模塊的基本單元是類，而不是過程，因此面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)是面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計(jì)方法，它著重于類的設(shè)計(jì)，通過類的設(shè)計(jì)完成對(duì)實(shí)體的建模任務(wù)，類建模的目的是描述對(duì)象。

在面向過程的編程中，描述一個(gè)物體時(shí)，數(shù)據(jù)和方法是分開的。比如，當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息時(shí)，則只會(huì)發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)，并認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)另一端的程序知道如何進(jìn)行處理。也就是說，如果兩者之間沒有握手協(xié)議，則網(wǎng)絡(luò)另一端的程序不知道如何處理。而對(duì)象可以定義為“同時(shí)包含”數(shù)據(jù)和行為的一個(gè)實(shí)例，即通過封裝機(jī)制將數(shù)據(jù)和行為捆綁在一起，形成一個(gè)完整的、具有屬性和行為的對(duì)象。比如，當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)傳送對(duì)象時(shí)，則傳送的是整個(gè)對(duì)象。因此使用OO技術(shù)的程序?qū)嶋H上就是多個(gè)對(duì)象的集合，這里的“同時(shí)包含”正是OO程序設(shè)計(jì)與面向過程程序設(shè)計(jì)方法的重要區(qū)別。

由此可見，以后在分析新的對(duì)象時(shí)，都要從屬性和行為兩個(gè)方面進(jìn)行抽象和概括，提取對(duì)象的共同特征，而整個(gè)抽象過程是一個(gè)從具體到一般的過程。如果說抽象是將很多對(duì)象的共有特征提取出來成為類的成員屬性和成員函數(shù)，那么封裝機(jī)制則是將這些特征進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合形成一個(gè)完整的類。

>>>4.2.3 封裝

類和對(duì)象既是獨(dú)立的概念，又密切相關(guān)。每個(gè)對(duì)象都是某個(gè)類的一個(gè)實(shí)例，每個(gè)類都有0或多個(gè)實(shí)例。對(duì)于所有的應(yīng)用來說，類幾乎都是靜態(tài)的。這就意味著，對(duì)象一旦被創(chuàng)建，它的類就確定了。

雖然最具挑戰(zhàn)的是如何確定類和對(duì)象，但只要正確使用面向?qū)ο蠓治觯∣gject Oriented

Analysis，OOA）和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)（Object Oriented Design，OOD）就能得到具有價(jià)值的領(lǐng)域模型和設(shè)計(jì)模型。OOA、OOD與OOP到底是什么關(guān)系？OOA的結(jié)果可以作為OOD開始的模型，OOD的結(jié)果可以作為藍(lán)圖，利用OOP方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)。

在OOA和OOD中，不需要考慮特定的語言機(jī)制，“關(guān)鍵是尋找并解決業(yè)務(wù)問題，完成概念分析和設(shè)計(jì)。在OOA和OOD的早期，開發(fā)者的主要任務(wù)有兩項(xiàng)：

• 從需求的詞匯表中確定類；

• 創(chuàng)建一些結(jié)構(gòu)，讓多組對(duì)象一起工作，提供滿足需求的行為。

通常我們將這樣的類和對(duì)象統(tǒng)稱為問題域的關(guān)鍵抽象，即關(guān)鍵抽象反映了問題域的詞匯表，可以從問題域中發(fā)現(xiàn)，也可以作為設(shè)計(jì)的一部分發(fā)明；將這些協(xié)作結(jié)構(gòu)稱為實(shí)現(xiàn)的機(jī)制，其考慮的是許多不同類型的對(duì)象之間的協(xié)作活動(dòng)。

確定關(guān)鍵抽象包括兩個(gè)過程：發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，通過與領(lǐng)域?qū)＜遥ㄓ脩簦┙涣鳎瑢?huì)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域?qū)＜宜褂玫某橄?。如果領(lǐng)域?qū)＜姨峒八?，那么這個(gè)抽象通常是很重要的，比如，范圍值校驗(yàn)器RangeValidator。而發(fā)明就是創(chuàng)造新的類和對(duì)象的過程，雖然它們不一定是問題域的組成部分，但在設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)中也是很重要的。比如，微型數(shù)據(jù)庫、鏈表、棧、隊(duì)列等。這些關(guān)鍵抽象是具體設(shè)計(jì)的結(jié)果，不屬于問題域。因此在設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)者不僅需要考慮單個(gè)類的設(shè)計(jì)，還要考慮這些類的實(shí)例如何一起工作，并使用場景驅(qū)動(dòng)分析過程。由此可見，關(guān)鍵抽象反映了業(yè)務(wù)領(lǐng)域的抽象，機(jī)制是設(shè)計(jì)的靈魂。

假設(shè)希望對(duì)push到棧中的值，既可以進(jìn)行范圍值校驗(yàn)，也可以進(jìn)行偶校驗(yàn)。從面向?qū)ο蟮慕嵌葋砜矗紫纫獜膯栴}的描述中發(fā)現(xiàn)對(duì)象，當(dāng)找到對(duì)象后，接著開始通過共性和差異性分析這些對(duì)象所具有的屬性和行為，然后利用面向?qū)ο蟮姆庋b機(jī)制將其封裝成類。

根據(jù)問題的描述，范圍值校驗(yàn)器就是一個(gè)RangeValidator具體類，其屬性是范圍值校驗(yàn)參數(shù)min和max，其行為就是將符合范圍要求的數(shù)值push到棧中。因此只要將RangeValidator的屬性和行為作為成員封裝到結(jié)構(gòu)體中，就形成了RangeValidator類，這是面向過程編程的C程序員最容易想到，也最容易理解的方法。

為了支持這種風(fēng)格，C允許將方法作為某個(gè)結(jié)構(gòu)體的一部分來聲明，那么操作存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)就很容易了，詳見程序清單 4.1。

程序清單 4.1 范圍值校驗(yàn)器類接口

其中，類名字的首字母為大寫，對(duì)象名字的首字母為小寫。由此可見，通過擴(kuò)展已有結(jié)構(gòu)體的概念創(chuàng)造了一個(gè)全新的概念——類，類如同種類一樣，定義一個(gè)類就是在創(chuàng)造一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型。雖然聲明一個(gè)類的變量如同聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)體的變量一樣，但聲明一個(gè)類的變量被稱為對(duì)象，因此有了類即可聲明一個(gè)RangeValidator類的對(duì)象rangeValidator。通常也稱rangeValidator對(duì)象是RangeValidator類的一個(gè)實(shí)例，就是創(chuàng)建類的一個(gè)實(shí)例的過程。

在進(jìn)行范圍值校驗(yàn)時(shí)，首先需要判斷value值是否符合要求？validateRange()函數(shù)接口的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單 4.2。

程序清單 4.2 范圍值校驗(yàn)器接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

偶校驗(yàn)器OddEvenValidator具體類和對(duì)象oddEvenValidator的定義詳見程序清單 4.3。

程序清單 4.3 偶校驗(yàn)器類接口

在進(jìn)行偶校驗(yàn)時(shí)，同樣需要判斷value值是否符合要求？validateOddEven()函數(shù)接口的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單 4.4。

程序清單 4.4 偶校驗(yàn)器接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

顯然，無論是什么校驗(yàn)器，其共性是value值合法性判斷，因此可以共用一個(gè)函數(shù)指針，即特殊的函數(shù)指針類型RangeValidate和OddEvenValidate被泛化成了一般的函數(shù)指針類型Validate。其次，由于每個(gè)函數(shù)都有一個(gè)指向當(dāng)前對(duì)象的pThis指針，因此特殊的結(jié)構(gòu)體類型RangeValidator *和OddEvenValidator *被泛化成了void *類型，即可接受任何類型的數(shù)據(jù)：

校驗(yàn)器泛化接口的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單 4.5。

程序清單 4.5 通用校驗(yàn)器接口的實(shí)現(xiàn)（validator.c）

為了便于閱讀，程序清單 4.6展示了范圍值校驗(yàn)器和奇偶校驗(yàn)器的接口。

程序清單 4.6 通用校驗(yàn)器接口（validator.h）

這個(gè)接口主要由所有的操作聲明構(gòu)成，這些操作適用于這個(gè)類的所有對(duì)象，詳見圖 4.3。

圖 4.3 類圖

以范圍值校驗(yàn)器為例，假設(shè)min=0，max=9，使用名為newRangeValidator的宏將結(jié)構(gòu)體初始化的使用方法如下：

注意，RangeValidator類是在編譯時(shí)定義的，而rangeValidator對(duì)象是在運(yùn)行時(shí)作為類的實(shí)例創(chuàng)建的。宏展開后如下：

其相當(dāng)于：

如果有以下定義：

即可通過pValidator引用RangeValidator的min和max。校驗(yàn)函數(shù)的調(diào)用方式如下：

以上調(diào)用形式的前提是已知pValidator指向了確定的結(jié)構(gòu)體類型，如果pValidator將指向未知的校驗(yàn)器，顯然以上調(diào)用形式無法做到通用，那么如何調(diào)用？

雖然pValidator與&rangeValidator.validate的類型不一樣，但它們的值相等，因此可以利用這一特性獲取validateRange()函數(shù)的地址。即：

其調(diào)用形式如下：

根據(jù)OCP開閉原則，由于不允許修改push()函數(shù)，因此需要編寫一個(gè)通用的擴(kuò)展push功能的pushWithValidate()函數(shù)，詳見程序清單 4.7。

程序清單 4.7 pushWithValidate()

其中，stack是指向當(dāng)前對(duì)象（棧）的指針，用于請求對(duì)象對(duì)自身執(zhí)行某些操作，而結(jié)構(gòu)體的成員變量就是通過stack指針找到自己所屬的對(duì)象的。pValidator為指向校驗(yàn)器的指針，如果無需校驗(yàn)，則將pValidator置NULL并返回true。

使用validator.h接口的通用校驗(yàn)器范例程序詳見程序清單 4.8。

程序清單 4.8 通用校驗(yàn)器使用范例程序

由此可見，雖然在結(jié)構(gòu)體內(nèi)置函數(shù)指針也可以創(chuàng)建類，但其中的每個(gè)類都是一個(gè)獨(dú)立的單元，每個(gè)都要從頭開始。且不同類之間沒有任何關(guān)系，因?yàn)槊總€(gè)類的開發(fā)者都根據(jù)自己的選擇提供方法。