以非耍流氓的方式讨论C++中的面向对象编程

老规矩，先解释一下标题，我承认有点标题党，其实就是为了抓人眼球，希望通过这种标题吸引你点进来看看。我有自信这是一篇好文章。我曾经写过一篇很有名的博客：《为什么C语言不会过时》很多的网络媒体都进行了转载。我相信这篇博客的质量应该比《为什么C语言不会过时》还好。因为它会颠覆你对C++面向对象编程的传统的认知。

再详细解释一下什么是非耍流氓。其实C++面向对象编程的问题，很多大牛都讨论过，但是因为人家是大牛，所以文字描述居多，很少给出代码。人家毕竟是阅近天下**，心中早已无码。我个人认为讨论编程的问题，如果你不给出代码就是在耍流氓。而一些C++初学者，倒是愿意给出一大堆关于什么dog继承animal的类似的源代码，但是这样讨论面向对象编程有些肤浅，片面，甚至是把人带向了错误的方向。所以我这篇文章首先要基于源代码的方式讨论面向对象，而且介绍现代方式的面向对象编程，你会惊讶的发现，无论是从理念上，还是实现方式上，它都和传统意义的面向对象编程截然不同。

我刚开始接触C++的面向对象的时候，首先接触的例子就是duck是animal， student是一个people等等那一套。这种例子铺天盖地，充斥于各种C++的各种初级书本中。我相信大部分人和我都有一样的记忆。当时感觉这个面向貌似没什么难的。但是当自己写程序的时候，大部分时间都根本没怎么使用到继承。这个是第一个层次。

Class Animal{Virtual Speak() = 0;
}
Class Duck: Animal{Virtual Speak(){cout<<"quack"<<endl;
}

慢慢地开始接触设计模式，这个就有点难度了。这里没有什么鸭子，学生之类的东西了。基本上都是一些很抽象的东西。比如说，策略是一个基类，命令是一个基类等等。当时看的云山雾罩，不得所以。只是机械的记住几个名字，几个类关系图而已。

再慢慢地，开始意识到一些本质的东西。继承是面向对象编程的核心实现方式，其思想本质是把变化的东西封装到子类中，而客户只针对一个基类的指针来调用：

Class Base{Virtual Do{}= 0
};
Class Implement1: Base{Do(){do it in this way};
}
Class Implement2: Base{Do(){do it in thatway};
}//Client code
Base* Ibase;
Ibase->do(); //

如果你仔细研究设计模式，尤其是建造模式和行为模式，你会发现它们都符合这个基本的想法。例如工厂方法模式，我们把Do 函数换成Factorymethod方法就OK了，换句话说，我们把对象生成方法的变化下推到子类中，使得这种变化不会影响到客户的代码。再举了例子，策略模式，你把Do函数换成AlgorithmInterface()就可以了。我们把算法的变化封装到不同的子类中。当运行的时候调用不同的子类，客户端的代码也不受影响。顺便说一句，这种思想后面还有两个非常凡尔塞的原则。一个是里氏替换原则：如果S是T的子类型，则类型T的对象可以用类型S的对象替换（即类型T的对象可以用子类型S的任何对象替换（即向上转换））而不更改程序的任何期望属性（正确性，任务执行等）。其实就是我们能用Implement2替换掉IBase, 客户的程序不受影响。另外一个就是反向依赖原则：高层模块不应依赖低层模块，低层模块也不应依赖高层模块，两个都应该依赖抽象层。抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。这个其实更简单，换成人话就是一旦Do()这个玩意定下来，客户就去调用它，子类就去实现它。换句话说，客户不依赖于子类了，而是客户和子类都依赖于Do()这个玩意。这里很多人把Do()这个玩意也叫做接口，抽象，基类，契约等等。看明白了吗？其实这两个原则其实说的都是一回事。

如果上面我说的你都明白，那么我恭喜你。你对传统意义的面向对象编程已经基本了解了，而且23个设计模式对你来说就不那么难懂了。

在传统的面向对象编程中，你会发现另外的两个问题，1）什么应该是基类？2）如果基类需要变化怎么办？而恰巧正是这两点，直接击中了传统面向对象编程的痛点。让我们一个一个说。首先什么应该是基类？关于这个问题，C++面向对象里面有一个经典的案例，那就是：椭圆应不应该是圆的基类。我这里只是简单的介绍一下，详细的讨论可以参考后面的参考文献1。长话短说，欧几里得认为圆形就是椭圆，但是C++里面你却不能这么用，这是因为椭圆有两个圆心，但是圆却只有一个圆心。没有办法直接使用继承。请看源代码；如果使用了继承，你会发现圆这个类有三个圆心。而且setLongRadius在圆形里面也没什么实际的意义。这明显违背了里氏替换原则。

Class Ellipse{setLongRadius(float);setShortRadius(float);pair<float, float> center1;pair<float, float> center2;
}Class Circle{setRadius(float);pair<float, float> center;
}

问题出在哪里，到底是欧几里得错了？还是Bjarne Stroustrup（C++之父）错了？大部分人的第一反应都是一定是我错了。然后针对这个问题，层出不穷的解决方案就出来了。但是无非就三种方法，让基类变弱，让子类变强。或者再建造一个更抽象的shape基类，然后让ellipse和circle都继承于它。但是无论是哪种方法，都相当的别扭和不自然。

如果如何在开始的时候设计类继承体系已经很成问题了，那么未来的变化更是大麻烦。这里有另外一个例子。比如我们现在设计了一个面向对象的继承体系如下图：

Class Animal{walk();speak();
}

现在People和Dog继承于它。貌似非常地完美，没有任何问题。但是两个月以后，我们需要新加入一个类鲨鱼。问题就来了。鱼能继承于Animal吗？不能，因为调用Shark.walk()的方法没有办法解释。但是鱼明明就是一种Animal吗？没关系，面向对象是不会错的，C++语言也是没错的，只是我分类的方法不对。我应该再加入一个哺乳动物类，鱼类，然后把swim这个行为放到鱼这个类中。看着不错，虽然改变类体系这种事情会对现有的系统带来巨大的冲击和影响（几乎所有过去的代码需要改写和重新编译。）但是你相信现在的分类是完美的。但是两个月以后，鲸鱼来了。没关系，我们可以使用双继承去解决这个问题。（一旦使用了双继承，基本上就是代表你的设计需要一个补丁了。）鲸鱼同时继承哺乳动物类和鱼类，也算暂时过关了。但是两个月以后，鸭子来了。这个时候，我估计你快疯了。这个能walk, speak 和swim的东西到底应该放到哪里呢？真没想到，你会被一个鸭子伤害到。其实你不是个例。 Linux之父炮轰过C++，指出任何现在看起来伟大，光明正确的类设计，两年以后都会有各种问题，那个时候修复起来成本很大，因为整个的系统实现都是基于现有的类设计架构，非常难于修改。同时继承关系是一种很强的耦合关系，这种强耦合使得整个程序变成了一大坨，牵一发而动全身。通过我们上面这个类似玩具的例子，我希望你能对这句话有所体会。

传统面向对象编程（我是指那种上来就去设计复杂的类的分类和继承体系）的问题在于把人类日常科学的分类方法照搬到编程领域，这是不对的。再详细点说，is-a关系并不能完美地适用于编程领域，is-substituable(可替代关系)更适合。在Python语言中，这种思想得到了贯彻和体现。Python语言中有著名的(duck type)鸭子类型。只要你叫起来象鸭子，走路像鸭子，那么你就可以替代鸭子。至于你本身是什么，我不care。

我们再论is-substituable（可替代关系），现代面向对象的本质到底是什么呢？是构造一个分类准确，漂亮并且复杂的分类体系吗？当然不是！编程的最终目的就是完成一个任务，这个任务需要多个对象配合，换句话说就是各个对象能够彼此发送消息（A对象给B对象发消息就是A对象调用B对象的某个方法。）现代面向对象编程的本质就是轻对象分类体系（少用继承），而重视可替代关系的表达和实现。有了这种可替代关系的加持，对象之间就能更好的彼此合作（对象间调用彼此方法），从而更好地完成一个任务。

一旦我们把is-a关系换成is-substituable（可替换关系），我们就完成了面向对象编程部分的思想改造，但是不要忘记，C++是一门静态语言，不是动态语言。就语言技术本身，我们还不能像Python语言那样直接地支持动态数据类型（鸭子类型）。但是感谢C++的generic编程。这给现代C++语言打开了一扇新的大门，使得我们不用使用继承也能支持泛型和多态（编译期间的）。不仅如此，现代的C++语言对泛型的支持更安全，对多态的支持更高效。可以这么说，C++11以后，尤其是C++/14/17/20的不断进步和演化，为我们的现代面向对象编程提供了强大的语言技术支持，使得我们完成了现代面向对象编程部分的工具改造。

思想和工具都改造完成，我们该上码了。这里我们对一个形状求面积。我会首先给出基于传统面向对象编程的实现，然后再给出现代面向对象编程的实现。

首先是设计一个形状的基类，然后派生出三角形，椭圆，圆形等等。

Class Shape{virtual getArea() = 0;
}
Class Rectangle: public Shape{setLength(float);setHight(float);virtual getArea(){return length* hight;}
}
Class Triangle: publich Shape{....
}
float getShapeArea(Shape* ptr_shape){return ptr_shape->getArea();
}

代码相当标准和传统，这里不过多解释。请注意，使用传统的面向对象编程，你就会遇到上面我们讨论的所有的面向对象的问题。圆形是不是椭圆？点是不是个形状等等。

好吧，现在我们用现代面向对象编程的思路去解决这个问题。看下面的代码：

Template<typename T>
float getTArea(T t){return t.getArea();
}

请注意，并不是使用模板了就实现现代化了，而是这段代码背后的思想。现在我们已经不需要T一定是Shape类型了。相反地，只要在计算面积这个事情上，某个类型T有可替换性，那么它就可以上。注意到没，我们再也不需要关注椭圆是不是圆形这个问题了。而且以后就算是出现了3D的对象，只要它在计算面积这个事情上有可替换性，那么我们的代码就不需要更改，你只需要不断的加入新类就行了。就这样。

比起Shape基类，T也是类型安全的。因为在C++编译并且实例化这个函数模板的时候，编译器会检查实例化的T类型支不支持getArea()这个函数。在C++20中，我们更是引入了concept的概念。使得对类型的静态检查变得更加简单和方便。

template <typename T>
concept supportArea = requires(T v)
{v.getArea()
};
Template<supportArea T> //supportArea is concept
float getTArea(T t){return t.getArea();
}

不仅不再需要纠结圆形是不是椭圆这个问题了，我们还可以在可替换性上再前进一步。你想得到面积，我给你面积就得了，至于我怎么算的，你不用担心。并不是我有getArea()函数才有可替代性，而是我把面积返还给你我就有可替代性。假设有个圆形，我们想求面积，但是目前圆形中还没有实现getArea()方法，没关系，我们可以用一个矩形替换圆形来计算面积。这个理解起来很简单。我们可以把一个圆形转换成一个矩形，参考下图

有了现代C++语言特性，实现起来也不难。参看源代码：

Template<Typename T>
float getTArea(T t){if constexpr(Is_Circle<T>::value){auto getArea = [](auto& t){Rectangle r;r.setLengh(pi*t.Radius);r.setHigth(t.Radius);return r.getArea();}；return getArea();      }else{return t.getArea();}
}

这段代码用到了很多的C++14/17的特性，比如if constexpr，lambda和 type_trait等等。限于篇幅我不多解释了。这里简单介绍一下思想：首先构建一个Is_Circle<T> type_trait类。然后判断T是否是一个圆形，如果是，那么构建一个矩形，然后把矩形的长设置为pi*r，把高度设置为r。然后利用矩形的求面积公式计算圆形的面积。如果不是圆形，那就直接调用类型T自己的getArea。

也就是说，在求面积这件事上，只要在语义层面上满足可替换性，那么一个圆甚至可以被一个矩形所替代，而且我们也彻底摆脱了有没有getArea()函数这种语法层次的的限制。怎么样，够酷吗？

如果这个例子你读懂了，一次类似的例子还可以阅读参考文献2《Linux多线程服务端编程》。第一章里面有一个使用variadic template实现Observer设计模式的例子。书中的一个观点令我印象很深：设计复杂的分类和继承体系就是“叠床架屋”，不如直接基于对象编程（不使用继承，直接使用各种对象彼此协作），这样才能“拳拳到肉”。我深以为然。

这里必须要再提一句，可替代性的度量不仅依赖于某个函数本身的语法和语义限制，它还依赖于调用这个函数的前后条件的限制。也就是pre-condition和post-condition也要同时满足客户的要求。这么说有点抽象，再举个例子，现在有两个鸭子类，调用一个鸭子类的speak方法，它返回“quack”，调用另外一个鸭子类的speak方法，它返回“姐，好久没来了！”。单从speak方法本身，语法和语义都貌似符合可替代性。但是很明显，客户对调用speak方法后的post-codition的期待是完全不一样的。所以在这种情况下，貌似完美的可替代性是不成立的。

最后总结一下：

1）现代的面向对象设计并不是基于Is-a关系设计复杂的类继承体系。而是基于可替代关系构建一个对象间能够高效彼此协作的系统。

2) 可替代关系的理解是基于语义的，而不是基于语法的。例如有的时候语法上不可替代，但是语义上可替代就行。例如圆形即使没有getArea函数，它也可以被矩形替代（在计算面积的时候）。而有的时候，即使语法上完全可以替代，但是postcondition不满足，也不满足替代关系。例如两种不同的鸭子。

3）利用现代C++的语言特性，尤其是基于generic programming语言特性实现上面介绍的基于可替代关系的设计意图。

4）现代面向对象设计并不完全排斥对象，那种没有附加成本的基于数据抽象的对象还是推荐的。例如把一个点对象和数值对象抽象成一个圆形是推荐的。这种对象是更方便我们编程，而且没有任何附加成本。我们反对的是设计复杂的类分类和继承体系。

参考文献：

Inheritance — Proper Inheritance and Substitutability, C++ FAQ (isocpp.org)
Linux多线程服务端编程 (豆瓣) (douban.com)

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