作为程序员,你是使用函数式编程还是面向对象编程方式?
在本文中,拥有 10 多年软件开发经验的作者从面向对象编程的三大特性——继承、封装、多态三大角度提出了自己的疑问,并深刻表示是时候和面向对象编程说再见了。
几十年来我都在用面向对象的语言编程。我用过的第一个面向对象的语言是 C++,后来是 Smalltalk,最后是 .NET 和 Java。
我曾经对使用继承、封装和多态充满热情。它们是范式的三大支柱。
我渴望实现重用之美,并在这个令人兴奋的新天地中享受前辈们积累的智慧。
想到将现实世界的一切映射到类中,使得整个世界都可以得到整齐的规划,我无法抑制自己的兴奋。
乍一看,继承似乎是面向对象范式的最大优势。所有新手教程讲解继承时都会拿出最简单的继承的例子,而这个例子似乎很符合逻辑。
我囫囵吞下这一切,然后带着新发现兴冲冲地奔向世界了。
带着满腔的信仰和解决问题的热情,我开始构建类的层次结构然后写代码。似乎一切皆在掌控中。
我永远不会忘记我准备从已有的类继承并实现重用的那一天。那是我期待已久的时刻。
后来有了新的项目,我想起了另一个项目里我很喜欢的那个类。
没问题,重用拯救一切。我只需要把那个类拿过来用就好了。
嗯……其实……不仅是那一个类。还得把父类也拿过来。但……应该就可以了吧。
额……不对,似乎还需要父类的父类……还有……嗯,我们需要所有的祖先类。好吧好吧……搞定了。没问题。
不错。但编译不过,怎么回事?哦我知道了……这个对象还需要另一个对象。所以那个也得拿过来。没问题……
等等……我不仅需要那个对象,还需要那个对象的父类,和父类的父类,和……包含的所有对象的所有祖先……
Erlang 的创建者 JoeArmstrong 有句名言:
面向对象语言的问题在于,它们依赖于特定的环境。你想要个香蕉,但拿到的却是拿着香蕉的猩猩,乃至最后你拥有了整片丛林。
这个问题的解决方法是,不要把类层次建得那么深。但如果继承是重用的关键,那么给继承机制添加的任何限制都会限制重用。对吧?
那我们可怜的面向对象程序员该怎么办?指望一杯三聚氰胺奶维系我们的健康吗?
答案就是:包含和委托(Contain and Delegate)。一会儿会详细解释。
早晚你会遇到下面这种恶心的问题,有些语言甚至根本解决不了。
大多数面向对象语言都不支持这种情况,尽管看上去似乎很符合逻辑。为什么面向对象语言支持这种情况如此困难?
Class PoweredDevice {
}
Class Scanner inherits from PoweredDevice {
function start() {
}
}
Class Printer inherits from PoweredDevice {
function start() {
}
}
Class Copier inherits from Scanner, Printer {
}
注意 Scanner 和 Printer 类都实现了名为 start 方法。
那么问题来了,Copier继承哪个start?是Scanner的还是Printer的?肯定不可能同时继承啊。
但是,但是……要是必须这样建模该怎么办?我需要重用!
Class PoweredDevice {
}
Class Scanner inherits from PoweredDevice {
function start() {
}
}
Class Printer inherits from PoweredDevice {
function start() {
}
}
Class Copier {
Scanner scanner
Printer printer
function start() {
printer.start()
}
}
注意现在 Copier 类包含一个 Printer 实例和一个 Scanner 实例。然后将 start 函数委托给 Printer 类的实现。要委托给 Scanner 也很简单。
好吧,那我尽量使用较浅的类层次结构,并保证里面没有环,这样就不会出现菱形继承了。
我前一天工作得好好的代码今天出错了!关键是,我没有改任何代码!
但改动的不是我的代码。似乎改动来自我继承的那个类。
看看下面这个基类(用Java写的,但就算你不懂Java,应该也很容易看懂):
import java.util.ArrayList;
public
class
Array
{
private ArrayList<Object> a =
new ArrayList<Object>();
public void add(Object element)
{
a.
add(element);
}
public void addAll(Object elements[])
{
for (
int i =
0; i < elements.length; ++i)
a.
add(elements[i]);
// this line is going to be changed
}
}
重要提示:
注意加了注释的那一行。稍后这行的改动将会导致别的东西出错。
这个类的接口上有两个函数:add() 和 addAll()。add() 函数负责添加一个元素,addAll() 函数会调用 add 函数添加多个元素。
public
class ArrayCount extends Array
{
private
int count =
0;
@Override
public void add(Object element)
{
super.add(element);
++count;
}
@Override
public void addAll(Object elements[])
{
super.addAll(elements);
count += elements.length;
}
}
ArrayCount类是通用的Array类的特化。两者行为上的唯一区别就是ArrayCount会维护一个count,记录元素的个数。
Array的add()给局部的ArrayList添加一个元素。
Array的addAll()针对每个元素调用局部的ArrayList的add方法。
ArrayCount的add()调用父类的add()然后增加count。
ArrayCount的addAll()调用父类的addAll()然后给count增加相当于元素个数的数。
现在是出问题的地方。基类中加注释的那行代码现在改成这样:
public void addAll(Object elements[])
{
for (
int i =
0; i < elements.length; ++i)
add(elements[i]);
// this line was changed
}
从基类的作者的角度来看,这个类实现的功能完全没有变化。而且所有自动化测试也都通过来了。
但是基类的作者忘记了继承的类。而继承类的作者被错误吵醒了。
现在ArrayCount的addAll()调用父类的addAll(),后者在内部调用add(),而add()被继承类重载了。
因此,每次继承类的add()被调用时,count都会增加,然后在继承类的addAll()被调用时再次增加。
既然会发生这种现象,那么继承类的作者必须清楚基类是怎样实现的。而且,基类的每个改动必须要通知所有继承类的作者,因为这些改动可能会以不可预知的方式破坏继承类。
使用包含和委托,可以从白盒编程转到黑盒编程。白盒编程的意思是说,写继承类时必须要了解基类的实现。
而黑盒编程可以完全无视基类的实现,因为不可能通过重载函数的方式向基类注入代码。只需要关注接口即可。
在面向对象语言中实现包含和委托并不容易。它们是为了继承方便而设计的。
如果你和我一样,你就会开始反思这个继承了。但更重要的是,这些问题应当引起你对于通过层次结构进行分类的反思。
每到一个新公司时,我都要为在哪儿保存公司文档(即员工手册)而纠结。
是应该建一个Documents文件夹,然后在里面建个Company呢?
还是应该建个Company文件夹,然后在里面建个Documents呢?
层次分类的思想是因为基类(父类)更通用,继承类(子类)更专用。沿着继承链越往下走,概念就越专用(见上面的形状层次)。
但如果父节点和子节点能随意交换位置,那么显然这种模型是有问题的。
真实世界里有很多包含关系(或者叫做独占关系)的层次结构。
但你找不到层次分类。仔细想一下。面向对象范式是根据充满了各种对象的真实世界建立的。但它用错了模型——层次分类在真实世界中没有类比。
但真实世界里到处都是层次包含关系。层次包含关系的一个非常好的例子就是你的袜子。袜子放在装袜子的抽屉里,然后抽屉包含在衣柜里,衣柜包含在卧室里,卧室包含在房子里,等等。
硬盘上的目录也是层次包含关系的另一个例子——它们包含文件。
仔细想一下公司文档,就会发现其实放在哪儿都无所谓。我可以放在Documents目录下或者放在Stuff目录下也可以。
Document
Company
Handbook
标签是没有顺序或层次的(这同时解决了菱形继承问题)。
标签可以类比为接口,因为同一份文档可以有多种类型。
对象状态变量被保护起来防止外部访问,即它们被封装在对象内部。
我们不需要再操心那些可能被不知道谁访问的全局变量。
为了提高效率,对象传递给函数时传递的是引用,而不是值。
也就是说,函数不会传递对象本身,而是传递指向对象的一个引用或指针。
如果一个对象的引用被传递给另一个对象的构造函数,构造函数就能将这个对象引用放到私有变量中,用封装保护起来。
为什么不是?因为其他代码也可能拥有指向该对象的指针,比如调用构造函数的那段代码。它必须有指向对象的引用,否则没办法传递给构造函数。
构造函数必须要复制传递过来的对象。而且不能是浅复制,必须是深复制,即传入的对象内包含的所有对象和所有对象中包含的所有对象……都必须要复制。
而且更糟糕的是,并非所有对象都能复制的。一些拥有操作系统资源的对象,最好的情况是复制无效,最糟糕的情况是根本不可能复制。
并不是因为多态不好,而是因为实现多态并不需要面向对象语言。
所以,无需多言,我们可以告别面向对象的多态,去迎接基于接口的多态吧。
当然,面向对象在早期承诺了许多。而直到今天,这些承诺依然在教室里、博客上和网上资源中传授给青涩的程序员们。
我花了多年才意识到面向对象的谎言。以前我也曾经青涩,曾经轻信。
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