[OOP]C++面向对象高效编程 Chapter 2

什么是数据抽象

数据抽象（data abstraction）在忽略类对象间存在差异的同时，展现了对用户而言最重要的特性。的确，抽象应该对终端用户隐藏无关紧要的细节，避免暴露有可能分散用户注意力或与使用环境毫不相干的细节。

1 接口和实现的分离

接口的含义

类对象的接口支持外部视图，接口就是用户观察的对象视图，以及用户可以用接口做什么（也包括接口对用户做什么）。

当我们设计接口时，应最大程度地满足用户的要求，这些用户也称为客户（client）。所谓类的客户，就是使用类且不知道（或不用关心）类内部运作的人。客户可创建类的对象，并通过接口对其进行操作。

实现的含义

接口告诉客户可以做什么，实现则负责如何做，所有的工作都在实现中完成。客户无需了解类如何实现接口所提供的操作。因此，实现用于支持由对象表现的接口。

2 对象接口的重要性

数据抽象的目的是，提供清晰和充足的接口，在方便且受控的模式下允许用户访问底层实现。

3 保护实现

如果实现在生存期内无法保证自身的完整性，这样的实现则毫无用处。

接口（速度表、ATM、电源插座）都由实现支持，而且该实现由对应的接口来保护（即接口提供一个清晰且定义明确的方法访问实现）。换言之，实现以特定方式工作，并跟踪自身的状态。另外，实现假设它的状态仅能通过接口更改，如果违反此前提条件（即不知何故，实现的状态被直接从外部更改，并未通过提供的接口更改），则无法保证实现进行正确地操作。

数据抽象引出了相关的概念：数据封装（data encapsulation）。只要存在由实现支持的带接口的对象，就一定存在实现隐藏（implementation hiding）（也称为信息隐藏）。有些信息对实现而言相当重要，但是对使用接口的用户而言却毫无价值，这些信息将被隐藏在实现中。实现由接口封装，而且接口是访问该实现的唯一合法途径。

被封装的数据对于对象的实现极其重要。进一步而言，实现必须维护被封装信息的完整（或正确的状态）。

4 数据封装的优点

数据被封装后，客户无法直接访问，更不能修改，只有接口函数才可访问和修改封装的信息。进一步而言，使用接口的用户完全不知道描述该接口的函数如何使用封装信息，而且对象（或类）的用户对此也毫无兴趣。

数据封装的另一个优点是实现独立（implementation independence）。由于类的用户无法查看封装的数据（或信息），他们甚至不会注意到封装数据的存在。因此，改动封装内的数据不会（也不该）影响用户所见的接口。

5 接口、实现和数据封装之间的关系

接口是任何类（和它的对象）客户的视图；
接口由封装的实现支持；
改变类的实现（支持接口）不应该影响该类客户所见的接口；
封装的实现能让实现者修改实现但不影响接口。即客户使用的接口与支持接口的实现彼此独立；

6 确定封装的内容

如果某项对于用户理解类毫无帮助，封装该项，即从接口中移除该项根本不会减少类的效用；
如果某项包含敏感数据（商业秘密、专利信息、个人信息等），为了不让用户直接访问，封装该项；
如果某些项有潜在的危险（激光束、X射线、微波等），并且要求用户掌握特殊技能（普通用户不具备）才能操作，则封装该项；
如果类为了自我管理而使用某些元素，且对接口意义不大，应封装这些元素；
如果某些项倾向于在将来进行改动（为了使用更新的技术或者让其更快或更安全），必须从类的接口中移除，封装这些项。

7 抽象数据类型

抽象数据类型是由程序员定义的新类型，附带一组操控新类型的操作。定义新抽象类型将直接应用数据抽象的概念。抽象数据类型也称为程序员定义类型（programmer defined type）。

8 对象是重点

在面向对象编程中，我们总是使用对象。要牢记：无论何时我们讨论调用函数或发送消息时，都必须涉及一个对象。我们通过对象调用函数（或发送消息给对象），在没有对象接收消息的情况下，不能发送消息。必须有的放矢，对象即是目标。

9 什么是多线程安全类

一个进程内的两个线程可以使用相同的对象。当一个线程调用一个成员函数，在成员函数内部完成执行之前，如果（操作系统）调度（schedule）另一个线程运行，且该线程也通过相同的对象调用相同的成员函数，则对象必须保证自身完整和运行良好。如果对象不能做到这一点，这样的类就不是线程安全（thread-safe）的。

10 确保抽象的可靠性——类不变式和断言

10.1 类不变式

每个类都会在对象中包含一些恒为真的条件，无论对象调用任何成员函数，这些条件都必须为真。这样的条件称为类不变式（class invariant）。

10.2 前置条件和后置条件

成员函数可能会包含其他条件，在执行代码前必须保证这些条件为真。这些在操作开始被调用之前必须为真的条件，称为前置条件（precondition）。

在C和C++中，断言已经使用很长一段时间。所有的C和C++编译器都支持assert宏。该宏接受一个表达式，而且必须判断表达式的真假。倘若表达式判断为真，则继续执行；倘若表达式为假，则程序停止，并显示错误消息表明断言失败。

10.3 高效使用断言

高效使用断言可实现更可靠的程序。当条件不成立时，断言至少保证程序不会继续执行。但是发生断言失败，就不可能再复原。要解决这个问题，需要用到 C++支持的真正的异常管理工具。

11 统一建模语言（UML）

11.1 类和对象的表示

类用矩形表示。类名通常用粗体表示。属性在类名下的第二栏中列出，操作在类名下的第三栏中列出。在高级概述图中，第二栏和第三栏可以省略，只在矩形中显示类名即可。

在类名的上方可以规定类的衍型（stereotype）。衍型表示它是何种类型的类，如异常类、控制类、接口类等。衍型包含在一对双尖括号中。

抽象类的名称用斜体表示，抽象操作也用斜体表示。

对象用矩形表示，矩形中的对象名和类名带下划线。

顶格中以对象名：类名的形式显示。匿名对象可以省略对象名。

11.2 UML中类的关系

11.2.1 关联关系

关联表示对象与不同类之间的结构关系（structual relationship），大多数关联都是二元关系（binary relation）。类之间的多重关联（multiple association）和类本身的自关联（self association）都是合法的。

每个关联的末端就是角色。每个角色都有一个名称，说明其他的类如何看待这个类。Company将Person看做成“雇员”。类似地，Person将Company看成“雇主”。角色名必须唯一，它比关联名更重要。

每个角色都说明了类的多重性（multiplicity）。例如，Person可以为许多公司工作（即人与许多公司相关联）。这说明角色的多重性。符号 * 表明“许多”（对象的无限数目，其表示为 0..*）。多重性也可以是一个数字（1或5等等），或者是一个范围（1..5）。

关联末端的箭头表明关联的导航性。

一个类还可以与本身形成关联，即成为关联类（association class）。在关联线用虚线引出的类，即是关联类。

11.2.2 包含关系（has-a）

聚集

聚集（aggregation）是一种特殊形式的关联。这种情况下，部分（即整体所包含的部分）的生存期不再取决于整体的生存期。

通过一个空菱形连接的类为聚集。不能在线的两端都绘制菱形。当类之间没有生存期依赖时，该表示法用于表示常见的按引用聚集。Orchestra（管弦乐队）是Performer（演奏者）的全体演出者。如果将表示聚集的空菱形填充，则表示组合（composition）——聚集的一种加强的形式。

组合

这是一种聚集形式，有很强的生存期，且部分和整体之间的所有权依赖关系也很强。聚集（容器）的多重性不能超过1个（无共享）。组合的对象一起被创建，一起被销毁。

当多重性（基数）大于 1 时，可以在创建聚集本身后再创建部分（part），除非在聚集被销毁前，显式移除部分，否则部分会和聚集一起被销毁。一架 AirPlane 有多个 Engine和多个Seat等，而且在AirPlane类对象的生存期内，可以添加或移除Seat。当AirPlane类对象被销毁后，它所包含的所有对象都会被销毁，除非它们已经从AirPlane类对象中移除（例如，座椅可能被移除，复用于另一架飞机中）。