面向對象三大特性的意義講解

面向對象的三大特性：封裝、繼承和多態。這是任何一本面向對象設計的書里都會介紹的，但鮮有講清楚的，新手看了之后除了記住幾個概念外，并沒真正了解他們的意義。前幾天在youtube上看了Bob大叔講解的SOLID原則，其中有一段提到面向對象的三大特性，收獲很多，但是我并不完全贊同他的觀點，這里談談我的想法：

封裝

『封裝』第一層含義是信息隱藏。這是教科書里都會講解的，把類或模塊的實現細節隱藏起來，對外只提供最小的接口，也就是所謂的『最小知識原則』。有個共識，正常的程序員能理解的代碼在一萬行左右。這是指在理解代碼的實現細節的情況下，正常的程序員能理解的代碼的規模。比如一個文件系統，FAT、NTFS、EXT4和YAFFS2等，它們的實現是比較復雜的，少則幾千行代碼，多則幾萬行，要理解它們的內部實現是很困難的，但是如果屏蔽它們的內部實現細節，只是要了解它們對外的接口，那就非常容易了。

關于『封裝』的這一層含義，Bob大叔提出了驚人的見解：『封裝』不是面向對象的特性，面向過程的C語言比面向對象的C++/Java在『封裝』方面做得更好！證據也是很充分：C語言把函數的分為內部函數和外部函數兩類。內部函數用static修飾，放在C文件中，外部函數放在頭文件中。你完全不知道內部函數的存在，即使知道也沒法調用。而像在C++/Java中，通過public/protected/private/friend等關鍵字，把函數或屬性分成不同的等級，這把內部的細節暴露給使用者了，使用者甚至可以繞過編譯器的限制去調用私有函數。所以在信息隱藏方面，『封裝』不但不是面向對象的特性，而且面向對象減弱了『封裝』。

『封裝』的第二層含義是把數據和行為封裝在一起。我覺得這才是面向對象中的『封裝』的意義所在，而一般的教科書里并沒提及或強調。面向過程的編程中，數據和行為是分離的，面向對象的編程則是把它們看成一個有機的整體。所以，從這一層含義來看，『封裝』確實是面向對象的『特性』。

面向對象是一種思維方式，而不是表現形式。在C語言中，可以實現面向對象的編程，事實上，幾乎所有C語言開發的大型項目，都是采用了面向對象的思想開發的。把C語言說成面向過程的語言是不公平的，是不是面向對象的編程主要是看指導思想，而不是編程語言。你用C++/Java可以寫面向過程的代碼，也可以用C語言寫面向對象的代碼。

繼承

類就是分類的標準，也就是一類事物，一類具有相同屬性和行為對象的抽象。比如動物就是一個類，它描述了所有具有動物這個屬性的事物的集合。狗也是一個類，它具有動物所有的特性，我們說狗這個類繼承了動物這個類，動物是狗的父類，狗是動物的子類。在C語言中也可以模擬繼承的效果，比如：

struct Animal {
...
};

struct Dog {
  struct Animal animal;
  ...
}

struct Cat {
  struct Animal animal;
  ...
}

因為C語言也可以實現『繼承』，所以Bob大叔認為『繼承』也不算不上是面向對象的『特性』。但是我覺得，C語言中實現『繼承』的方式，需要用面向對象的思維來思考才能理解，否則純粹從數據結構的方式來看上面的例子，理解起來就會大相徑庭：animal是Dog的一個成員，所以Animal可以看成是Dog的一部分！Is a 變成了has a。只有在面向對象的思想中，說『繼承』才有意義，所以說『繼承』是面向對象的『特性』并不牽強。

在C語言里實現多重繼承更是非常麻煩了，記得glib里實現了接口的多重繼承，但是用起來還是挺別扭的，對新手來說更是難以理解。多重繼承在某些情況下，會對編譯器造成歧義，比菱形繼承結構：A是基類，B和C是它的兩個子類，D從B和C中繼承過來，如果B和C都重載了A的一個函數，編譯器此時就沒法區分用B的還是C的了（當然這是可以解決的）。

像Bob大叔說的，Java沒有實現多重繼承，并不是多重繼承沒有用。而是為了簡化編譯器的實現，C#沒有實現多重繼承，則是因為Java沒有實現多重繼承:)

除了接口多重繼承是必不可少的，類的多重繼承在現實中也是很常見的。比如：狼和狗都是狗科動物的子類，貓和老虎都是貓科動物的子類。狗科動物和貓科動物都是動物的子類。但是貓和狗都是家畜，老虎和狼都是野生動物。貓不但要繼承貓科動物的特性，還繼承家畜的特性。類就是分類的標準，而混用不同的分類標準是多重繼承的主要來源。多重繼承可以用其他方式實現，比如traits和mixin。

不管是普通繼承，接口繼承，還是多重繼承，在面向對象的編程語言中，實現起來要更加容易和直觀，在面向過程的語言中，雖然可以實現，但是比較丑陋，而且本質是面向對象的思考方式。所以『繼承』應該稱得上是面向對象的『特性』了。介于繼承帶來的復雜性，現代面向對象的設計中，都推薦用組合來代替繼承實現重用。

多態

『多態』本來是面向對象思想中最重要的性質（當然也算不上是特有的性質），但是教科書里都只是介紹了『多態』的表現形式，而沒有介紹它用途和價值。『多態』一般表現為兩種形式：

允許不同輸入參數的同名函數存在。這個性質會帶來一定的便利，特別是對于構造函數和操作符的重載。但這種『多態』是在編譯時就確定了的，所以只能算成一種語法糖，并沒有什么特別的意義。

子類可以重載父類中函數原型完全相同的同名函數。如果只看它的表現形式，在父類中存在的函數，在不同的子類中可以被重新實現，這看起來是吃飽了撐著。但是這種『多態』卻是軟件架構的基礎，幾乎所有的設計模式和方法都依賴這種特性。

隔離變化是軟件架構設計的基本目標之一，接口正是隔離變化最重要的手段。我們經常說分離接口與實現，針對接口編程，主要是因為接口可以隔離變化。如果沒有第二種『多態』，就沒有真正意義上的接口。面向對象中的接口，不僅是指模塊對外提供的一組函數，而且特指在運行時才綁定具體實現的一組函數，在編譯時根本不知道這組函數是誰提供的。我們先把接口簡單的理解為，在基類中定義一組函數，但是基類并沒有實現它們，而在具體的子類中去實現。這不就是『多態』的第二種表現形式么。

接口怎么能夠隔離變化呢？Bob大叔舉了一個非常好的例子：

#include <stdio.h>
int main() {
  int c;
  while((c = getchar()) != EOF) {
    putchar(c);
  }
  return 0;
}

這個程序和Hello world是一個級別的，你從鍵盤輸入一個字符，它就顯示一個字符。但是它卻蘊含了『多態』最精妙的招式。比如說輸入吧，getchar是從標準輸入（STDIN）讀入一個字符，鍵盤輸入是缺省的標準輸入，但是鍵盤輸入只是眾多標準輸入（STDIN）中的一種。你可以從任何一個IO設備讀取數據：從網絡、文件、內存和串口等等，換成任何一種輸入，這個程序都不需要任何改變。

具體實現變了，調用者不需要修改代碼，而且它根本不用重新編譯，甚至不用重啟應用程序。這就是接口的威力，也是『多態』的功勞。

上面的程序是如何做到的呢？IO設備的驅動是一套接口，它定義了打開、關閉、讀和寫等操作。對實現者來說，不管數據從哪里來，要到哪里去，只要實現接口中定義的函數即可。對使用者來說，完全不同關心它具體的實現方式。

『多態』不但是隔離變化的基礎，也是代碼重用的基礎。公共函數的重用是有價值的，在面向過程的開發中也很容易做到這種重用。但現實中的重用沒那么簡單，就連一些大師也感嘆重用太難。比如，你可能需要A這個類，你把它拿過來時，發現它有依賴B這個類，B這個類有依賴C這個類，搞到最后發現，它還依賴一個看似完全不相關的類，重用的念頭只好打住。如果你覺得夸張了，你可以嘗試從一個數據庫（如sqlite）中，把它的B+樹代碼拿出來用一下。

在『多態』的幫助下，情況就會大不相同了。A這個類依賴于B這個類，我們可以把B定義成一個接口，讓使用A這個類的使用者傳入進來，也就是所謂的依賴注入。如果你想重用A這個類，你可以為它定制一個B接口的實現。比如，我最近在一個只有8K內存的硬件上，為一塊norflash寫了一個簡單的文件系統(且看作是A類)，如果我直接去調用norflash的API（且看作是B類），就會讓文件系統（A類）與norflash的API（B類）緊密耦合到一起，這就會讓文件系統的重用性大打折扣。

我的做法是定義了一個塊設備的接口（即B接口）：

typedef unsigned short block_num_t;
struct _block_dev_t;
typedef struct _block_dev_t block_dev_t;
typedef block_num_t (*block_dev_get_block_nr_t)(block_dev_t* dev);
typedef bool_t (*block_dev_read_block_t)(block_dev_t* dev, block_num_t block_num, void* buff);
typedef bool_t (*block_dev_write_block_t)(block_dev_t* dev, block_num_t block_num, const void* buff);
typedef void  (*block_dev_destroy_t)(block_dev_t* dev);
struct _block_dev_t {
  block_dev_get_block_nr_t  get_block_nr;
  block_dev_write_block_t  write_block;
  block_dev_read_block_t   read_block;
  block_dev_destroy_t    destroy;
};

在初始化文件系統時，把塊設備注入進來：

bool_t sfs_init(sfs_t* fs, block_dev_t* dev);

這樣，文件系統只與塊設備接口交互，不需要關心實現是norflash、nandflash、內存還是磁盤。而且帶來幾個附加好處：

可以在PC上做文件系統的單元測試。在PC上，用內存模擬一個塊設備，文件系統可以正常工作了。

可以通過裝飾模式為塊設備添加磨損均衡算法和壞塊管理算法。這些算法和文件系統都可以獨立重用。

『多態』讓真正的重用成為可能，沒有『多態』就沒有各種框架。在C語言中，多態是通過函數指針實現的，而在C++中是通過虛函數，在Java中有專門的接口，在JS這種動態語言中，每個函數是多態的。『多態』雖然不是面向對象的『特有的』屬性，但是面向對象的編程語言讓『多態』更加簡單和安全。

總結

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