第 10 章 物 件 導 向 之 道 著 作 權 所 有 旗 標 出 版 股 份 有 限 公 司
前 言 在 第 1 章 中 我 們 己 介 紹 過 " 抽 象 化 " " 模 組 化 " 以 及 物 件 導 向 的 原 理 了, 本 章 則 將 繼 續 為 讀 者 說 明 物 件 導 向 的 三 大 特 性 : 封 裝 繼 承 和 多 面 性 (Polymorphism) 本 章 只 做 原 理 性 的 說 明, 其 目 的 是 要 在 深 入 探 討 這 些 主 題 前, 先 讓 讀 者 能 有 一 個 全 盤 的 了 解 至 於 較 詳 細 的 使 用 方 法, 則 將 在 後 面 的 幾 章 中 再 做 介 紹
本 章 提 要 封 裝 繼 承 多 面 性
封 裝 封 裝 (Encapsulation) 乃 是 " 資 訊 隱 藏 " 的 意 思, 也 就 是 將 " 不 足 為 外 人 道 " 的 資 料 和 功 能 包 裝 起 來, 以 免 受 到 外 界 程 式 有 意 或 無 意 的 干 擾 經 由 封 裝, 我 們 可 以 將 程 式 用 模 組 化 的 方 式, 製 作 成 一 個 個 可 以 任 意 組 合 或 重 複 使 用 的 " 軟 體 IC"
封 裝 當 然, 一 個 完 整 的 軟 體 IC 除 了 內 部 封 裝 起 來 的 資 料 或 功 能 外, 還 必 須 提 供 用 來 與 外 界 溝 通 的 介 面 ; 因 此, 以 一 個 程 式 模 組 來 說, 其 變 數 與 函 式 必 須 分 為 私 有 和 公 開 二 部 份, 私 有 的 部 份 只 能 在 模 組 內 取 用, 而 公 開 部 份 則 可 讓 其 他 外 界 的 模 組 來 取 用
封 裝 在 第 8 章 中 所 介 紹 的 變 數 函 式 儲 存 等 級, 就 是 用 來 畫 分 私 有 或 公 開 的 最 佳 利 器 先 讓 我 們 來 看 看 如 何 以 傳 統 程 序 導 向 的 方 式 來 設 計 封 裝 良 好 的 模 組 以 C 語 言 的 設 計 角 度 來 看, 一 般 均 是 以 檔 案 來 做 為 模 組 化 的 單 位, 並 以 關 鍵 字 static 將 資 料 或 函 式 加 以 封 裝, 其 檔 案 模 組 的 內 容 大 致 像 如 下 的 安 排 :
封 裝
封 裝 舉 一 個 整 數 堆 疊 的 例 子 來 說, 我 們 就 可 以 很 方 便 地 將 整 數 存 入 堆 疊 或 由 堆 疊 取 出 了 例 如 :
封 裝
封 裝
封 裝
封 裝 堆 疊 內 的 資 料 及 運 作 方 法 則 完 全 封 裝 在 模 組 中, 我 們 不 必 也 不 能 去 加 以 干 涉 然 而, 這 樣 的 寫 法 有 二 個 限 制 : 一 是 只 能 存 取 整 數 資 料, 二 是 只 能 有 一 個 堆 疊 可 用 第 一 個 限 制 可 用 C++ 的 template 來 克 服, 這 部 份 我 們 不 擬 多 說 至 於 第 二 個 限 制, 則 可 用 動 態 記 憶 體 配 置 的 方 式 來 解 決 :
封 裝 我 們 可 以 多 加 一 個 函 式 NewStack(), 這 個 函 式 會 配 置 一 塊 記 憶 體 來 存 放 有 關 該 堆 疊 的 資 訊 ( 稱 之 為 Handle), 然 後 將 Handle 的 位 址 以 指 位 器 傳 回, 當 我 們 需 要 一 個 新 的 堆 疊 時, 就 呼 叫 NewStack(), 並 將 傳 回 的 Handle 指 位 器 存 起 來, 而 在 往 後 使 用 push() 或 pop() 時, 則 一 併 將 Handle 用 參 數 方 式 傳 過 去, 以 便 push() 或 pop() 用 來 找 出 正 確 的 堆 疊 去 運 作 請 看 下 面 的 程 式 :
封 裝
封 裝
封 裝
封 裝
封 裝
封 裝 在 上 例 的 main() 中 一 共 建 立 了 二 個 堆 疊, 每 個 堆 疊 均 有 一 Handle 指 位 器 為 代 表, 我 們 可 以 把 它 想 成 是 堆 疊 的 名 稱 或 識 別 ID, 以 便 用 來 指 明 要 操 作 哪 一 個 堆 疊 程 序 導 向 的 設 計 方 式 是 以 " 功 能 " 為 主, 所 以 當 我 們 需 要 堆 疊 功 能 時, 就 設 計 一 個 具 有 堆 疊 功 能 的 模 組 來 滿 足 需 求
封 裝 而 物 件 導 向 設 計 則 是 以 " 物 件 " 為 主, 所 以 它 會 把 堆 疊 當 成 物 件 來 看, 其 解 決 方 案 是 先 設 計 出 一 個 " 堆 疊 類 別 " ( 新 的 型 別 ), 然 後 可 用 這 個 類 別 來 產 生 物 件, 而 每 一 個 物 件 就 是 一 個 可 用 的 堆 疊
封 裝 一 旦 設 計 好 類 別 後, 我 們 便 可 用 下 面 的 方 法 來 使 用 :
封 裝 這 樣 的 表 達 方 式 是 不 是 比 以 前 用 Handle 來 運 作 要 好 的 多 了 呢? 現 在 讓 我 們 來 看 看 C++ 是 如 何 以 類 別 來 製 做 封 裝 模 組 :
封 裝
封 裝 以 class 來 定 義 類 別, 其 內 的 成 員 預 設 為 私 有 屬 性 (private) 若 用 struct 來 定 義 類 別, 則 可 以 寫 成 如 下 的 方 式 :
封 裝
封 裝 用 類 別 來 做 為 封 裝 模 組 的 單 位, 不 僅 讓 人 一 目 瞭 然, 而 且 也 不 會 被 局 限 在 一 個 檔 案 之 中 ( 函 式 成 員 的 定 義 可 以 放 在 不 同 的 檔 案 之 中 ) C++ 的 類 別 是 一 個 多 功 能 的 機 構, 也 是 物 件 導 向 的 靈 魂 所 在, 不 僅 可 以 支 援 完 整 的 封 裝, 更 具 有 繼 承 多 面 性 ( 動 態 繫 結 ) 的 功 能, 使 我 們 在 設 計 程 式 時 更 加 的 方 便 和 靈 活
繼 承 C++ 的 繼 承 (Inheritance) 可 以 讓 我 們 用 已 建 立 好 的 類 別 來 產 生 新 的 類 別, 這 種 方 式 稱 為 類 別 衍 生 (Class derivation) 在 衍 生 的 同 時, 我 們 也 可 以 對 原 有 的 功 能 加 以 調 整, 或 再 加 入 一 些 新 功 能, 以 符 合 新 的 需 求
繼 承
繼 承 當 我 們 設 計 好 一 個 類 別 模 組 後, 便 希 望 可 以 拿 來 一 再 地 使 用, 然 而, 常 會 發 生 的 情 況 是, 我 們 所 要 的 新 模 組 雖 然 和 舊 模 組 很 相 似, 但 卻 又 不 是 完 全 相 同, 所 以 無 法 直 接 套 用
繼 承 如 果 是 程 序 導 向 的 程 式, 那 麼 就 得 將 原 模 組 copy 一 份 然 後 再 加 以 修 改 成 新 的 版 本, 但 這 樣 做 不 僅 浪 費 時 間, 而 且 會 產 生 許 多 重 複 的 程 式 碼, 當 程 式 越 來 越 大 版 本 越 來 越 多 時, 在 維 護 上 將 變 得 相 當 困 難, 這 就 是 目 前 大 型 軟 體 所 普 遍 面 臨 的 困 境 物 件 導 向 的 設 計 則 完 全 解 決 了 這 個 問 題, 而 其 關 鍵 就 在 於 繼 承 的 特 性
繼 承 經 由 繼 承 所 產 生 的 新 類 別, 因 為 可 分 享 舊 類 別 的 特 性 ( 資 料 和 程 式 碼 ), 所 以 只 有 新 增 或 有 變 動 的 功 能 需 要 重 寫, 其 他 的 部 份 則 可 完 全 共 用 如 此 一 來, 我 們 甚 至 不 必 知 道 舊 類 別 內 的 運 作 情 形, 便 可 以 發 展 出 更 多 功 能 的 新 類 別 來, 這 在 使 用 別 人 所 撰 寫 的 類 別 時 特 別 有 用, 因 為 別 人 寫 的 程 式 總 是 較 難 了 解, 而 且 我 們 也 不 一 定 有 其 原 始 程 式 碼
繼 承 另 外, 一 般 C++ 的 compiler 都 有 提 供 一 個 功 能 強 大 的 類 別 庫, 其 內 存 放 著 許 多 已 編 譯 好 的 類 別, 這 時 雖 然 我 們 無 法 得 知 其 內 部 的 運 作, 但 一 樣 可 用 繼 承 的 方 式 來 建 立 符 合 需 求 的 新 類 別
繼 承
繼 承 由 此 觀 之, 繼 承 的 最 大 好 處 是 大 幅 提 高 了 程 式 的 易 擴 充 性 與 可 重 用 性, 除 了 可 以 節 省 大 量 的 人 力 及 時 間 外, 同 時 在 維 護 時 也 較 為 容 易 C++ 不 僅 允 許 我 們 做 一 對 一 的 繼 承, 也 可 做 多 對 一 一 對 多 的 繼 承, 也 就 是 說, 一 個 父 類 別 可 衍 生 出 多 個 子 類 別, 而 一 個 子 類 別 也 可 繼 承 多 個 父 類 別 的 特 性
繼 承 此 外, 新 產 生 的 類 別 又 可 再 衍 生 出 更 多 的 類 別, 因 此 經 由 繼 承, 可 形 成 一 個 像 族 譜 般 的 類 別 階 層 (Class hierarchy) 下 面 是 一 個 繼 承 的 例 子 :
繼 承 物 件 導 向 設 計 其 實 就 是 要 模 仿 真 實 世 界 的 事 物, 而 在 真 實 世 界 中 這 種 繼 承 的 關 係 比 比 皆 是, 例 如 : 客 車 貨 車 機 車 等 均 是 車 子 的 一 種, 車 子 又 為 機 械 的 一 種 兒 子 的 特 性 遺 傳 自 父 母, 而 父 母 的 特 性 又 遺 傳 自 祖 父 母 生 物 可 分 為 動 物 和 植 物, 動 物 又 可 分 哺 乳 類 和 爬 蟲 類, 哺 乳 類 又 包 括 人 狗 牛 豬 等
繼 承 當 我 們 在 設 計 這 些 物 件 的 類 別 時, 便 可 以 將 它 們 之 間 繼 承 的 特 性 加 入 程 式 之 中 比 如 說, 我 們 想 設 計 一 個 " 人 " 的 類 別, 便 可 先 設 計 " 動 物 類 別 ", 然 後 再 從 這 個 類 別 衍 生 出 " 哺 乳 類 類 別 ", 最 後 再 由 " 哺 乳 類 類 別 " 衍 生 出 " 人 的 類 別 ":
繼 承 這 樣 做 的 好 處 是, 當 我 們 又 想 建 立 一 個 " 猴 子 " 的 類 別 時, 便 可 直 接 由 哺 乳 類 中 衍 生 出 來 即 可, 而 不 必 從 無 到 有 地 重 新 設 計 當 我 們 稍 後 發 現 在 動 物 的 部 份 應 再 加 上 或 修 正 一 些 特 性 時, 也 只 須 更 動 " 動 物 類 別 " 的 部 份 就 好 了, 哺 乳 人 類 和 猴 子 類 別 則 會 自 動 繼 承 新 的 特 性 而 不 必 做 任 何 更 動
繼 承 被 繼 承 的 類 別 ( 如 動 物 ) 我 們 稱 為 基 本 類 別 (Base class), 新 衍 生 出 的 類 別 ( 如 哺 乳 類 ) 則 稱 為 衍 生 類 別 (Derived class) 或 子 類 別 (Subclass) 而 衍 生 類 別 又 可 以 做 為 基 本 類 別, 再 產 生 更 多 新 的 衍 生 類 別 ( 如 人 類 )
繼 承 事 實 上 當 B 繼 承 A 時 ( 由 A 衍 生 出 B), 就 是 我 們 口 語 常 用 的 B 是 一 種 A, 而 且..., 舉 例 來 說 : 人 是 一 種 哺 乳 動 物, 而 且 人 會 說 話 較 聰 明... 等 哺 乳 動 物 是 一 種 動 物, 而 且 它 會 哺 育 幼 兒...
繼 承 是 一 種... 就 是 指 共 通 的 部 份, 而 而 且... 則 指 出 特 殊 化 的 部 份 ; 特 殊 化 部 份 可 能 是 新 增 的 功 能, 也 可 能 是 修 改 原 有 的 功 能 在 類 別 階 層 中, 越 高 的 階 層 其 共 通 性 越 強, 而 越 低 的 階 層 則 特 殊 化 的 部 份 較 多, 這 正 符 合 了 我 們 在 第 1 章 中 所 介 紹 抽 象 化 層 次 的 概 念
多 面 性 多 面 性 (Polymorphism) 是 著 重 在 " 表 達 的 一 致 性 ", 當 我 們 要 執 行 某 項 功 能 時, 可 以 用 同 樣 的 函 式 名 稱 ( 或 算 符 ) 來 呼 叫, 然 後 系 統 會 依 照 資 料 的 種 類 來 選 取 適 當 的 處 理 方 式 多 面 性 可 分 為 靜 態 和 動 態 二 種, 我 們 一 般 所 說 物 件 導 向 的 第 三 個 特 性, 乃 是 指 動 態 的 多 面 性
多 面 性 靜 態 的 多 面 性 (Static polymorphism) 就 是 我 們 在 前 面 曾 介 紹 過 的 overloading, 由 於 overloading 是 在 編 譯 聯 結 時 就 已 決 定 要 呼 叫 那 一 個 同 名 函 式 了, 所 以 我 們 稱 為 " 靜 態 " 的 多 面 性 其 實 overloading 只 是 將 函 式 名 稱 加 上 參 數 的 簽 名, 來 做 為 實 際 的 函 式 名 稱, 所 以 並 不 算 是 真 正 的 多 面 性, 這 就 是 為 什 麼 overload 函 式 的 " 名 稱 加 簽 名 " 不 可 以 重 複 的 原 因
多 面 性 動 態 的 多 面 性 則 是 函 式 名 稱 加 簽 名 完 全 一 樣, 而 且 是 在 程 式 執 行 時 才 依 資 料 的 種 類 來 決 定 要 使 用 哪 一 個 同 名 函 式, 我 們 稱 這 樣 的 特 性 為 動 態 繫 結 (Dynamic binding) 注 意, 聯 結 (Linking) 是 指 在 執 行 之 前 即 已 將 呼 叫 與 函 式 結 合 了, 而 動 態 繫 結 則 是 在 程 式 執 行 時 才 依 資 料 的 種 類 來 結 合 正 確 的 函 式
多 面 性 為 什 麼 要 有 動 態 繫 結 呢? 這 完 全 是 由 類 別 的 繼 承 特 性 所 產 生 的 需 求 因 為 繼 承 就 是 " 是 一 種... " 的 關 係, 所 以 我 們 說 牛 豬 狗 都 是 一 種 動 物, 既 然 都 是 動 物, 我 們 當 然 也 可 以 只 把 它 們 當 成 動 物 來 看 待, 而 不 必 去 分 辨 詳 細 的 種 類 因 此, 相 近 的 類 別 間 也 可 以 做 到 " 表 達 的 一 致 性 ":
多 面 性 然 而, 雖 然 我 們 可 以 只 將 它 們 當 成 動 物 來 看 待, 但 實 際 上 它 們 卻 是 不 一 樣 的 動 物, 如 果 我 們 下 一 個 " 叫 " 的 命 令, 那 麼 每 種 動 物 的 叫 聲 都 不 相 同
多 面 性 為 了 要 能 模 擬 這 種 真 實 世 界 的 狀 況, C++ 提 供 了 動 態 繫 結 的 功 能, 可 以 真 正 將 某 些 操 作 法 與 物 件 結 合 在 一 起, 使 每 種 物 件 都 可 有 自 已 與 眾 不 同 的 特 性 舉 個 實 例 來 說, 假 設 我 們 已 定 義 好 了 Shape 類 別, 並 由 此 衍 生 出 Circle,Rectangle, Triangle 三 個 圖 形 類 別 :
多 面 性
多 面 性 為 了 要 做 到 表 達 的 一 致 性, 我 們 可 以 透 過 指 位 器 來 達 成, 例 如 :
多 面 性 由 於 圓 形 乃 是 圖 形 的 一 種, 所 以 圖 形 類 別 的 指 位 器 當 然 可 以 存 放 圓 形 物 件 的 位 址 ; 矩 形 三 角 形 也 是 一 樣 的 原 理 然 而, 當 我 們 要 將 圖 形 繪 出 時, 每 一 種 圖 形 的 繪 出 方 法 卻 不 相 同, 請 考 慮 下 面 的 情 形 :
多 面 性 此 時 因 為 系 統 根 本 不 知 道 每 一 個 sh 元 素 是 指 向 何 種 圖 形 ( 我 們 隨 時 可 以 更 改 sh[i] 內 的 值 ), 所 以 在 編 譯 時 無 法 事 先 決 定 要 使 用 哪 一 個 圖 形 的 draw(), 此 時 只 好 在 實 際 執 行 時, 才 用 " 動 態 繫 結 " 來 找 出 正 確 的 draw() 去 呼 叫 動 態 繫 結 必 須 透 過 虛 擬 函 式 (Virture function) 來 達 成, 有 關 虛 擬 函 式 的 使 用 方 法 和 原 理, 我 們 會 在 第 15 章 中 為 您 做 深 入 的 介 紹