《C++面向对象高效编程（第2版）》——1.1 背景

本节书摘来自异步社区出版社《C++面向对象高效编程（第2版）》一书中的第1章，第1.1节，作者： 【美】Kayshav Dattatri，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

1.1 背景

C++面向对象高效编程（第2版）
程序员开发软件的历史已有数十年，他们使用各种不同的编程语言，如Algol、COBOL、Lisp、C、Pascal等，来实现各种规模的软件开发——从简单的小程序到复杂的大型系统。[我们把编写诸如汉诺塔的解决方法、纸牌游戏、简单的快速排序等小程序，仅作为课程学习的作业。虽然这些小程序没有任何商业价值，但能帮助我们理解新的概念和新的语言。相比之下，大型系统（如库存控制、字处理、医院患者管理、天气预报、个人资金管理等软件系统）涉及许多重大问题，这样的软件系统，需要由设计者和程序员组成的小组协同工作才能实现，然后由公司出售，赚取利润。我们从设计和实现小程序中学到的知识和经验，对解决大型问题会有很大帮助。] 日常生活中，我们使用的系统都由这些语言实现。在开发和使用它们的过程中，我们已获得许多知识和经验，为什么还要学习新的编程范式？继续阅读以下内容，答案就其中。

1.1.1 面向过程编程示例

如果给定一个问题（即问题的口头或书面说明），如何使用某种语言（如C）设计和实现解决这个问题？首先，我们将该问题分解为多个便于处理的部分，这些部分称为模块。然后，设计出许多数据结构保存数据，并实现一些函数（也称为过程、例程）来操作这些数据。函数可用于修改数据结构，将它们保存到文件中，或打印数据。在面向过程编程系统中，解决问题的办法就是将待解决之事转换成一组函数。也就是说，我们把注意力都集中在函数身上，没有函数就无法完成任何操作。这种以函数为主的编程方法称为面向过程编程（Procedure-Oriented Programming）。之所以称为面向过程，是因为它的重点在过程。这种编程方法从函数的角度来思考问题，因此也称为问题的功能分解。

注意：
在C和C++中，过程、函数、子程序和例程这些术语之间没有差别。然而，在Pascal、Modula-2和Eiffel中，函数是指返回计算值的例程，而过程是指接收某些参数并执行一项操作，但不向主调函数返回任何值的例程。在本书中，过程、函数和例程将互换使用，它们的含义相同。Algol、Fortran、Pascal和C等编程语言都称为过程语言（procedural language）。
然而，经过更深入地研究面向过程的实现发现，数据结构更重要。我们最感兴趣的是保存在数据结构中的值，而非过程本身。过程只是修改数据结构的简单工具，没有数据结构，过程什么也做不了。而且，在程序的运行过程中，数据结构中的数据不断改变，而过程的代码丝毫未变。从这个角度而言，过程是静态的。我们之前费尽心思设计这些过程，殊不知重点根本不在这里。举个简单的例子，假设一个银行系统，允许客户有不同类型的银行账户（如存款账户、支票账户和贷款账户），允许客户存款、取款以及在账户之间转账。如果该系统用C实现，可以看到以下一组过程1：

typedef unsigned long AccountNum;

typedef int bool;

bool MakeDeposit(AccountNum whichAccount, float amount);

float WithDraw(AccountNum whichAccount, float howmuch);

bool Transfer(AccountNum form, AccountNum to,

 float howmuch);```

我们可以规定AccontNum只为正整数，然后用一个简单的数据结构来管理账户：

// 这是一个极其普通的银行账户档案
struct Account {
char name; / 账户名 */
AccountNum accountId;
float balance;
float interestYTD; / 数据利息的年份/
char accountType; / 存款，支票，贷款等/
/ 其他细节 /
};`
可通过下面的函数创建一个Account结构的实例，为客户创建一个账户。

AccountNum CreateNewAccount(const char name[], char typeOfAccount);

1.1.2 银行账户的表示

创建账户的函数将返回新账户的账号。我们在研究这种解决方案时发现，客户将银行账户视为他们血汗钱的安全天堂，他们感兴趣的是账户中的资金和获得的利息，而非存取款功能。事实上，客户并不关心在银行系统中存款或取款的过程如何实现，他们只需要一种简单方便的方法完成操作。但是，作为程序员，我们却冥思苦想如何编写MakeDeposit函数（以及其他函数），如何创建一个小型数据结构管理数据。换句话说，我们把注意力放在了客户毫不关心的问题上。正因如此，我们设计出来的银行系统导致客户与其银行账户间毫无关系，客户仅仅被看做是一系列的字符和数字。这样的系统甚至根本无需考虑核对账户持有人和账户中的内容，就可直接操控数据来操作账户。从函数角度看，银行账户仅仅是一串数字——账号。

1.1.3银行账户的安全

进一步分析可以注意到，任何人（或者其他程序或者程序员）都可以创建一个账户，并操作它。因为账户仅作为一段数据保存，任何可以访问银行账户档案的人都可以修改它（甚至非法的）并取款。这是账户被当做一系列字符和整数的后果，保存在客户银行账户中的值没有任何保护措施。而且，也没有任何条款规定银行账户必须只能由可信任的银行职员修改，即使有，又由谁来执行？语言（如C或者Pascal）不能做到这一点，因为它们并不知道银行账户和普通整数的区别。

如果要打印客户的账户，需要添加一个新函数：

PrintAccount(Account thisAccount)；
该函数将执行打印功能。但是，函数必须知道正在打印何种类型的账户（支票账户还是存款账户？）。这很容易，只需查看accountType中的值即可。假设开始时我们有三种账户（支票账户、存款账户和贷款账户），PrintAccount()函数理解这些类型，它将对其中的代码进行硬编码（hard coded）。到目前为止，一切运行正常。现在再添加一个新的账户类型——retirement_account。如果传递retirement_account给PrintAccount函数会出现什么情况？函数将无法正常工作。我们会看见以下的错误信息：

“Unknown acount type- Cannot Print”（“未知账户类型-无法打印”）
或者更糟：

“Illegal account type – Call Supervisor”（“非法账户类型-联系主管”）
之所以会出现这种情况，是因为在该系统中对账户的类型采用了硬编码方式，除非修改源代码，重新编译并再次链接，否则无法通过编译。因此，如果添加一个新账户类型，我们需要修改与该信息有关的所有函数，并重新进行编译—链接—测试过程。这些过程都十分冗长，而且极易出错。怎么会出现这样的问题？答案是：函数和数据结构被当做是彼此脱节的实体，因此函数难以理解数据结构中的改动。也就是说，对现有的实现进行改进非常困难。这样看来，我们只能以另一种方式建立银行系统，使得该系统在添加新账户类型不会影响其他账户类型，而且不会引起代码的重新编译。

以上谈到的问题都源于在最初的解决方案中误入歧途。我们将重点错误地放在自认为很重要的函数上，彻底忽略了对客户（即银行客户）而言更为重要的数据。换言之，我们之前全神贯注于如何做，其实应该将重点放在做什么上。这就是面向对象编程和面向过程编程的区别。

1.1.4 用面向对象编程解决问题

如果用面向对象编程（object-oriented programming）技术解决此银行账户的问题，我们会把注意力放在银行账户上。首先分析客户想用这个账户进行什么操作，对他们而言什么最重要，诸如此类的问题。简而言之，在面向对象编程中，重点是正在被操作的数据，而不是实现这些操作的过程。我们应该先找出用户（该例中是银行客户）想用数据（即银行账户）进行什么操作，然后再为其提供必要的操作。而且，数据和操作不像以前那样被当作彼此孤立的实体，现在它们被看做是一个整体。数据带有一组操作，允许用户对数据执行一些有意义的操作。同时，任何外部程序或过程无法直接访问数据本身。修改银行账户内数据唯一的方法，就是使用为修改数据而提供的操作，这些操作为用户提供修改银行账户的行为。现在，我们可以说，银行账户是一个类（class），我们可以创建任意数量的银行账户实例，每个实例都是银行账户类的对象（object）。因此，面向对象编程是一种由合作对象（cooperating object）（就是类的实例）构成程序的编程方法。而且，多个类之间可通过继承关系相互关联2 。

在面向对象编程中，关键要理解类和对象的概念。类是一个实体（entity），它拥有一组对象的共同属性（特性）。对象是类的实例（instance），类的所有对象都具有相同的结构和行为。可以把类看做是切甜饼的工具，而甜饼就是切甜饼的工具所创建的实例。这个比喻可能有些粗浅，但类似于类创建对象的过程。切甜饼的工具决定了甜饼的大小和形状（不是味道）。与此类似，类决定了创建对象的大小和行为。在面向对象的解决方案中，一切皆为类的对象3。这样看来，在面向对象编程中，我们只需考虑类和对象、类之间的关系，以及对象之间的关系4。Shalaer-Mellor 5 以另一种方式解释了面向过程编程和OOP（面向对象编程）之间的区别——功能分解按顺序提出了系统设计中的三要素（算法、控制流和数据描述），而在OOP中，此三要素的顺序完全相反。

现在，重新回到银行账户的问题上。我们重点关注的是银行账号，将它设计成一个类。在C++中，BankAccount类的框架如下所示。这里再次提醒读者，请不要过多担心C++的语法。

class BankAccount {

 public:

 // 为简化起见，此处省略若干细节

 void MakeDeposit(float amount);

 float WithDraw();

 bool Transfer(BankAccount to, float amount);

 float GetBalance() const;

 private:

 // 供BankAccount类使用的私有数据实现 

 float balance;

 float interestYTD;

 char* owner;

 int account_number;

};```

对客户（即希望打开银行账户和使用它的人）而言，最重要的是该类中public区域内可访问的操作（在图1-1中以粗体表示）。而类中private区域内的声明只能在其内部使用，客户不可从外部访问。例如，MakeDeposit操作的实现如下所示。再次提醒读者，请不要担心C++语法。

// BankAccount类其中一项操作的实现
void BankAccount::MakeDeposit(float amount)
{
if (amount 0.0)
balance = balance + amount;
}`
只有在BankAccount类内部声明的操作，才能访问私有成员balance（和其他私有成员）。类的外部无法使用私有成员。我们将这种私有数据称为被封装的数据，以这种方式隐藏在类的内部称为数据封装（data encapsulation）。我们将在第2章中详细介绍数据封装。

1无需过多关注语法，只需注意过程和参数的概念。不同的语言都通过不同的语法进行声明。
2继承将在第5章中详细介绍。
3在C++中，如果将main()程序看做是根对象（root object），的确可以说一切皆为类对象。
4在某些语言中，对象可以创建其他类。
5译者注：Shalaer-Mellor软件设计方法，由Sally Shlaer和Stephen Mellor共同研发，是众多面向对象分析（OOA）/ 面向对象设计（OOD）方法之一。

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