侯捷《C++/OOP/GP/DP》講座心得
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———
作者：
naven
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???
很高興侯捷老師又來(lái)公司了，給我們上了四天非常生動(dòng)的技術(shù)講座，受益匪淺，現(xiàn)在我簡(jiǎn)要介紹一下我的學(xué)習(xí)心得，與大家分享。這次講座主要集中在《
C++/OOP/GP/DP
》主題，針對(duì)有一些編程基礎(chǔ)的工程師，對(duì)一些常用的代碼和設(shè)計(jì)做了非常通俗易懂的剖析，非常有幫助。當(dāng)然更深入的理解還需要結(jié)合多種技術(shù)名著來(lái)學(xué)習(xí)，我結(jié)合我的理解以及自己的學(xué)習(xí)和開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)介紹一下
C++/OO/Template
以及
Design Pattern
的理會(huì)，考慮到講座的性質(zhì)，我并不直述本次講座的內(nèi)容，歡迎批評(píng)指正
J
?
???
侯捷老師的講座基本是講述他多年來(lái)在
C++
領(lǐng)域的研究成果，基本大部分都可以在他的書籍和網(wǎng)站上能讀到，但是考慮到最近幾年軟件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如
Design Pattern
的更廣泛應(yīng)用，又有許多心得，基本上是較為泛的基礎(chǔ)的層面，并結(jié)合實(shí)際代碼和應(yīng)用，對(duì)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)非常有益。下面我逐個(gè)主題泛泛地講一遍。
?
???
面向?qū)ο笾械暮铣桑?/span>
Composition
）和繼承（
Inheritance
）關(guān)系
?
???
通常擴(kuò)展一個(gè)類的功能主要有兩種方式，一種是大家很熟悉的繼承（
inheritance
），另一種就是合成（
composition
），很多初學(xué)
OO
（面向?qū)ο螅┎⒂幸恍┙?jīng)驗(yàn)都很容易搞混這個(gè)的區(qū)別，其實(shí)很簡(jiǎn)單，繼承是解決
Is-a
的問(wèn)題，而合成是解決
Has-a
的問(wèn)題。比如說(shuō)小鳥有兩個(gè)翅膀，就是合成，而鳥是一種飛禽，就是繼承了，設(shè)計(jì)一個(gè)“小鳥”的類，它繼承自”飛禽”，就具有“飛”的特性，但要用合成的方法“包含”一個(gè)“翅膀”的類才具有真正“飛”的功能。
???
別看這兩個(gè)定義很簡(jiǎn)單，其實(shí)很多人都犯過(guò)錯(cuò)誤，包括
Java
類庫(kù)的設(shè)計(jì)者，他們就把
Properties
直接“繼承”自
Hashtable
了，這里其實(shí)應(yīng)該用“合成”。
?
???
講到合成，就應(yīng)該說(shuō)說(shuō)聚合（
Aggregation
），它是描述整體和局部的關(guān)系，合成其實(shí)是一種“強(qiáng)烈”的聚合，它與局部具有相同的生命周期，“容納”局部的“對(duì)象”，而聚合只是“容納”局部的一個(gè)“指針”。比如說(shuō)，人和腦袋就是合成，而汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)就是聚合，改裝汽車可以任意替換更好的發(fā)動(dòng)機(jī)，而人的腦袋就不行（目前是這樣：）
???
聚合在
UML
中是以空心棱形的箭頭表示，合成是以實(shí)心棱形的箭頭表示。
?
???
還有一種關(guān)系叫委托（
Delegation
），委托是一種讓合成（
composition
）變得像繼承（
inheritance
）的復(fù)用能力一樣強(qiáng)大的方式。（
a way of making composition as powerful for reuse as inheritance [Lie86, JZ91]
）在委托中，兩個(gè)對(duì)象在處理一個(gè)請(qǐng)求的時(shí)候發(fā)生關(guān)聯(lián)：一個(gè)接收的對(duì)象委派操作給它的委托對(duì)象。這跟子類（
subclass
）延遲請(qǐng)求（
deferring requests
）給它的父類（
parent class
）來(lái)實(shí)現(xiàn)類似。但是在繼承里，一個(gè)被繼承的操作（
inherited operation
）通過(guò)
this
成員變量能夠經(jīng)常引用到那個(gè)接收的對(duì)象。為了在委托里達(dá)到同樣的效果，接受者傳遞它自己給它的委托者，以便被委托的操作能夠引用到這個(gè)接收者。
?
???
再說(shuō)一下繼承（
Inheritance
），它是將基類（
base-class
）所有一切（包括
private
）都繼承下來(lái)，所以假如你想實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的類，只想繼承一部分，就用合成（
Composition
）別用繼承。或者更進(jìn)一步來(lái)講，如果你想改造一個(gè)類，想改造一些接口（
interface
），也建議用合成，通過(guò)轉(zhuǎn)調(diào)內(nèi)部對(duì)象的方法實(shí)現(xiàn)，別用虛函數(shù)（
virtual function
）。這是非常符合最基本的
OCP
設(shè)計(jì)原則（
Open-Closed Principle
，開閉原則）的方式了。
?
???
類的構(gòu)造（
Constructor
）和析構(gòu)（
Destructor
）
?
???
類的構(gòu)造和析構(gòu)是最基礎(chǔ)的知識(shí)了，任何一個(gè)類的對(duì)象產(chǎn)生和銷毀都必須有這兩個(gè)步驟，但是它們是如何工作的，編譯器是如何制造缺省的
ctor
和
dtor
的，估計(jì)少有人關(guān)注了。
???
一個(gè)類的對(duì)象的產(chǎn)生，會(huì)依次從它最里面的類開始構(gòu)造，同一個(gè)類會(huì)跟據(jù)內(nèi)部類成員定義的順序依次構(gòu)造。類對(duì)象的銷毀的過(guò)程則相反。基類的構(gòu)造器會(huì)在用戶定義的
ctor
之前調(diào)用，基類的析構(gòu)則是在用戶定義的
dtor
之后進(jìn)行。熟悉這些過(guò)程，非常有利于設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的類庫(kù)，也不容易出現(xiàn)內(nèi)存泄露和資源耗盡等問(wèn)題。下面舉個(gè)例子更容易理解：
?
??? class A { public: A(); ~A(); };
??? class B { public: B(); ~B(); };
??? class C { public: C(); ~C(); };
??? class D : public A, B {
??????? public: D() { init(); } ~D() { release(); }
??????? private: void init(); void release(); C c;
??? };
?
???
上面的定義中
D
類的
ctor
構(gòu)造過(guò)程如下：
??? A::A();
??? B::B();
??? c.C::C();
??? D::init();
?
??? D
類的
dtor
析構(gòu)過(guò)程如下：
??? D::release();
??? c.C::~C();
??? B::~B();
??? A::~A();
?
???
更復(fù)雜的繼承關(guān)系以及多重繼承的構(gòu)造和析構(gòu)過(guò)程類似，有興趣的人可以寫程序測(cè)試：）
?
???
還有一個(gè)問(wèn)題，編譯器會(huì)在什么時(shí)候自動(dòng)產(chǎn)生
ctor
和
dtor
的呢，又是如何產(chǎn)生的呢
???
其實(shí)很簡(jiǎn)單，當(dāng)你沒(méi)有寫缺省構(gòu)造函數(shù)（
default constructor
）和缺省析構(gòu)函數(shù)（
default destructor
）的時(shí)候，編譯器就會(huì)給你自動(dòng)生成一個(gè)，換句話說(shuō)，任何類都有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，雖然有時(shí)候什么都不做，還有復(fù)制構(gòu)造函數(shù)（
copy ctor
）也會(huì)自動(dòng)生成。但是如何產(chǎn)生會(huì)跟你的類的成員有關(guān)。如果成員都是原生類型，還有如果類成員也全部為原生類型，
ctor
將只會(huì)跟普通變量定義的初始化一樣，給一個(gè)初值，
dtor
則什么都不做，
copy ctor
則會(huì)使用內(nèi)存復(fù)制（
memcpy
）的方式復(fù)制對(duì)象。如果成員包含一個(gè)或多個(gè)類成員，而且至少有一個(gè)類成員定義有缺省構(gòu)造方法，則產(chǎn)生的
ctor
會(huì)依次調(diào)用每個(gè)成員的
ctor
。
dtor
和
copy-ctor
產(chǎn)生方法類似。（詳見(jiàn)《
Inside the C++ Object Model
》）
?
???
多態(tài)（
Polymorphism
）和虛函數(shù)（
Virtual function
）
?
???
多態(tài)是面向?qū)ο蟮幕咎匦裕?/span>
C++
里是通過(guò)
virtual
關(guān)鍵詞來(lái)提供的，它是通過(guò)在類對(duì)象里加入
vtbl
虛函數(shù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)相信大部分程序員都很清楚，不過(guò)怎么做到多態(tài)功能估計(jì)了解的不多了。要詳細(xì)了解，還請(qǐng)閱讀《
Inside the C++ Object Model
》一書，下面簡(jiǎn)單介紹一下原理。
?
???
一般編譯都會(huì)給包含有
virtual function
的類頭部（有的編譯也會(huì)放到底部，比如
VC
）增加一個(gè)成員
vptr
指針，指向一個(gè)
vtbl
虛函數(shù)表，為定長(zhǎng)數(shù)組，大小是所有帶
virtual
的函數(shù)數(shù)目再加
1
。虛函數(shù)指針從
vtbl[1]
開始，按照定義順序，指向特定的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果子類定義了父類中帶
virtual
的函數(shù)，則
vtbl
相應(yīng)的指針指向子類的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，否則就指向父類的實(shí)現(xiàn)。另外再說(shuō)明一點(diǎn)，其中
vtbl[0]
是有別的用途，用來(lái)存放類型信息，做
dynamic_cast
用途。
???
仍以上面的例子為例，如下的代碼編譯器是如何處理：
?
??? A *p = new D();???? // up-cast
??? p->vfunc1();??????? ?//
編譯器會(huì)轉(zhuǎn)化為如下代碼
(*(p->vptr))[n](p); // n
為編譯期確定的固定數(shù)，即相應(yīng)
virtual function
//
所在位置
?
???
需要牢記一點(diǎn)，總是讓
base class
擁有
virtual destructor
。因?yàn)楫?dāng)如下操作時(shí)
?
?
??delete p;
?
???
如果
A
和
B
的析構(gòu)函數(shù)不是虛函數(shù)，則不會(huì)調(diào)用子類
D
的
dtor
，就有可能造成內(nèi)存泄露或者資源沒(méi)有釋放等嚴(yán)重問(wèn)題。如果給
base class
加了
virtual dtor
，由于有多態(tài)的特性，就會(huì)自動(dòng)調(diào)用
subclass
的
dtor
，接下來(lái)就會(huì)上面的介紹，依次調(diào)用各個(gè)
base class
的
dtor
，因而就沒(méi)有問(wèn)題了。
?
???
C++ template
和
STL containers
?
???
C++ template
即模板技術(shù)是實(shí)現(xiàn)泛型編程技術(shù)的，能夠使得寫一份代碼可以應(yīng)用到類似用途的不同地方。模板技術(shù)其實(shí)原理比較簡(jiǎn)單，但是使用還是比較復(fù)雜的，看看
STL
源碼就知道了，如果還不相信，再看看
Boost
代碼好了，會(huì)把你搞得暈頭轉(zhuǎn)向。候捷老師把這個(gè)技術(shù)講解得非常清楚易懂，還具體分析了
STL
里各個(gè)大組件的運(yùn)作原理，我這里就不講述了，基本都是源碼的剖析，請(qǐng)閱讀候捷老師的《
STL
源碼剖析》一書。
?
???
在講解
STL
中用模板如何實(shí)現(xiàn)
function class
（實(shí)現(xiàn)函數(shù)功能的類，在
stl_functions.h
）中，有這樣一段代碼
?
template <class _Operation>
class binder1st
? : public unary_function<typename _Operation::second_argument_type,
????????????????????????? typename _Operation::result_type> {
protected:
? _Operation op;
? typename _Operation::first_argument_type value;
public:
? binder1st(const _Operation& __x,
??????????? const typename _Operation::first_argument_type& __y)
????? : op(__x), value(__y) {}
? typename _Operation::result_type
? operator()(const typename _Operation::second_argument_type& __x) const {
??? return op(value, __x);
? }
};
?
???
有人提出上面
_Operation op;
為什么不定義為引用，如
_Operation &op;
呢。我的想法如下，因?yàn)闃?gòu)造方法為
? binder1st(const _Operation& __x, //
這里為
const
類型
??????????? const typename _Operation::first_argument_type& __y)
?
???
傳入的參數(shù)為
const
類型，這時(shí)不應(yīng)在本調(diào)用方法（這里是構(gòu)造方法）之外使用引用或指針指向它，因?yàn)閹?/span>
const T &t
的參數(shù)一般情況都視為臨時(shí)對(duì)象，很有可能是在方法調(diào)用的時(shí)候臨時(shí)產(chǎn)生的，比如說(shuō)自動(dòng)轉(zhuǎn)型產(chǎn)生的臨時(shí)對(duì)象都是
const T &
類型，它的生命周期都在此方法調(diào)用期間內(nèi)，方法調(diào)用結(jié)束即被銷毀，所以就不能在方法外部用引用或指針之類指向它了。舉例來(lái)說(shuō)，可能比較容易理解，比如大家常用的
string
類，假如有一個(gè)方法和調(diào)用如下：
?
??? void func(const string &s);
??? func("abcdfd");
?
???
這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)型行為，編譯器會(huì)做如下處理
?
??? func(string("abcdfd"));
?
???
即產(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)的
string
對(duì)象，這個(gè)對(duì)象是以
const
類型傳入的。假如你的方法定義改成如下
?
??? void func(string &s);
?
???
現(xiàn)在大部分編譯器嚴(yán)格的處理都會(huì)報(bào)錯(cuò)，以前的
VC6
就不會(huì)，但是好像最新的
VC2005
也報(bào)錯(cuò)了。
???
這是其中一個(gè)原因，還有一個(gè)原因我認(rèn)為是
_Operation
類只是一個(gè)
function class
，沒(méi)有成員，所以做復(fù)制構(gòu)造也不會(huì)有多大的開銷，基本不會(huì)影響效率。再加模板和
inline
方法的處理，編譯器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，應(yīng)該都不會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)對(duì)象了，所以也不必用引用了。不過(guò)我覺(jué)得最重要是上面第一個(gè)原因。
?
???
內(nèi)存池和小對(duì)象分配器（
memory pool, small object allocator
）
?
???
候捷老師在內(nèi)存池方面也有很豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，他基本將目前主流的內(nèi)存池實(shí)作都剖析了一遍，介紹了它們各自的特點(diǎn)，以及如何與上層框架的配合。內(nèi)存池是一個(gè)非常基礎(chǔ)也非常關(guān)鍵的底層庫(kù)，一般大型的框架自己都帶有一個(gè)內(nèi)存池庫(kù)，比如
STL
、
MFC
等。即使在目前內(nèi)存比較便宜的今天，內(nèi)存資源也是最寶貴的系統(tǒng)資源之一，設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀的內(nèi)存池對(duì)提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性都非常有幫助，尤其是設(shè)計(jì)專門針對(duì)小內(nèi)存對(duì)象（一般低于
128
字節(jié)）的分配器非常重要，因?yàn)檫@樣對(duì)象分配和釋放非常頻繁，只用簡(jiǎn)單的
malloc()
和
free()
來(lái)處理非常影響效率，不是一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。下面我簡(jiǎn)要介紹一下目前主流內(nèi)存池設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以及我自己的想法，另外再加一個(gè)候捷老師沒(méi)提到
ACE
中的內(nèi)存池管理器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
?
???
SGI STL
中的內(nèi)存分配器（
allocator
）
?
??? SGI STL
的
allocator
應(yīng)該是目前設(shè)計(jì)最優(yōu)秀的
C++
內(nèi)存分配器之一了，它的運(yùn)作原理候捷老師在《
STL
源碼剖析》里講解得非常清楚。基本思路是設(shè)計(jì)一個(gè)
free_list[16]
數(shù)組，負(fù)責(zé)管理從
8 bytes
到
128 bytes
不同大小的內(nèi)存塊（
chunk
），每一個(gè)內(nèi)存塊都由連續(xù)的固定大小（
fixed size block
）的很多
chunk
組成，并用指針鏈表串接起來(lái)。比如說(shuō)
?
??? free_list[3]->start_notuse->next_notuse->next_notuse->...->end_notuse;
?
???
當(dāng)用戶要獲取此大小的內(nèi)存時(shí)，就在
free_list
的鏈表找一個(gè)最近的
free chunk
回傳給用戶，同時(shí)將此
chunk
從
free_list
里刪除，即把此
chunk
前后
chunk
指針鏈結(jié)起來(lái)。用戶使用完釋放的時(shí)候，則把此
chunk
放回到
free_list
中，應(yīng)該是放到最前面的
start_free
的位置。這樣經(jīng)過(guò)若干次
allocator
和
deallocator
后，
free_list
中的鏈表可能并不像初始的時(shí)候那么是
chunk
按內(nèi)存分布位置依次鏈接的。假如
free_list
中不夠時(shí)，
allocator
會(huì)自動(dòng)再分配一塊新的較大的內(nèi)存區(qū)塊來(lái)加入到
free_list
鏈表中。
???
可以自動(dòng)管理多種不同大小內(nèi)存塊并可以自動(dòng)增長(zhǎng)的內(nèi)存池，這是
SGI STL
分配器設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。
?
???
Loki
中的小對(duì)象分配器（
small object allocator
）
?
??? Loki
的分配器與
SGI STL
的原理類似，不同之處是它管理
free_list
不是固定大小的數(shù)組，而是用一個(gè)
vector
來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以用戶指定
fixed size block
的大小，不像
SGI STL
是固定最大
128 bytes
的。另外它管理
free chunks
的方式也不太一樣，
Loki
是由一列記錄了
free block
位置等信息的
Chunk
類的鏈表來(lái)維護(hù)的，
free blocks
則是分布在另外一個(gè)連續(xù)的大內(nèi)存區(qū)間中。而且
free Chunks
也可以根據(jù)使用情況自動(dòng)增長(zhǎng)和減少合適的數(shù)目，避免內(nèi)存分配得過(guò)多或者過(guò)少。
??? Loki
的分配器使用也不太一樣，可以直接調(diào)用，如下
?
??? SmallObjAllocator myAlloc(2048, 256); //
參數(shù)
1
為
chunk size
????????????????????????????????????????? //
參數(shù)
2
為
max fixed size block size
??? //
可以用于小于
256 bytes
的各種大小內(nèi)存的分配
??? void *p1 = (void*)myAlloc.Allocate(20);
??? void *p2 = (void*)myAlloc.Allocate(100);
??? void *p3 = (void*)myAlloc.Allocate(256);
??? void *p4 = (void*)myAlloc.Allocate(300); //
大于
256
將轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)處理
??? myAlloc.Deallocate(p1,20);
??? myAlloc.Deallocate(p2,100);
??? myAlloc.Deallocate(p3,256);
??? myAlloc.Deallocate(p4,300);
?
???
MFC
的
CPlex
和
CPtrList
（扮演
memory pool
角色）
?
???
CPlex
任務(wù)比較簡(jiǎn)單，只負(fù)責(zé)管理一大塊
memory
并串接起來(lái)，用戶每次獲取都返回一大塊。分割由使用者（如
Collection classes
，
CFixedAlloc
）將這一大塊切割為一個(gè)個(gè)小的內(nèi)存塊。
???
CPtrList
則負(fù)責(zé)管理這些切割后的小內(nèi)存塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)類似
Loki
中的
free Chunks
，不過(guò)要簡(jiǎn)單多了。
??? MFC
還有一個(gè)類叫
CFixedAlloc
，它是提供給應(yīng)用類來(lái)分配固定大小（根據(jù)具體應(yīng)用類的大小）的內(nèi)存分配器。通過(guò)在應(yīng)用類中定義
DECLARE_FIXED_ALLOC(Foo)
和
IMPLEMENT_FIXED_ALLOC(Foo)
兩個(gè)宏來(lái)實(shí)現(xiàn)。
?
???
Boost
的
object_pool
?
???
Boost
中的
object_pool
也是一個(gè)可以根據(jù)用戶具體應(yīng)用類的大小來(lái)分配內(nèi)存塊的，也是通過(guò)維護(hù)一個(gè)
free nodes
的鏈表來(lái)管理的。可以自動(dòng)增加
nodes
塊，初始是
32
個(gè)
nodes
，每次增加都以兩倍數(shù)向
system heap
要內(nèi)存塊。
object_pool
管理的內(nèi)存塊需要在其對(duì)象銷毀的時(shí)候才返還給
system heap
。
?
???
ACE
中的
ACE_Cached_Allocator
和
ACE_Free_List
?
??? ACE
框架中也有一個(gè)可以維護(hù)固定大小的內(nèi)存塊的分配器，原理與上面講的內(nèi)存池都差不多。它是通過(guò)在
ACE_Cached_Allocator
中定義個(gè)
Free_list
鏈表來(lái)管理一個(gè)連續(xù)的大內(nèi)存塊的，里面包含很多小的固定大小的未使用的區(qū)塊（
free chunk
），同時(shí)還使用
ACE_unbounded_Set
維護(hù)一個(gè)已使用的
chuncks
，管理方式與上面講的內(nèi)存池類似。也可以指定
chunks
的數(shù)目，也可以自動(dòng)增長(zhǎng)，定義大致如下所示：
?
template<class T>
class ACE_Cached_Allocator : public ACE_New_Allocator<T> {
public:
??? // Create a cached memory pool with @a n_chunks chunks
??? // each with sizeof (TYPE) size.
??? ACE_Cached_Allocator(SIZET n_chunks = ACE_DEFAULT_INIT_CHUNKS);
??? T* allocate();
??? void deallocate(T* p);
private:
??? // List of memory that we have allocated.
??? Fast_Unbounded_Set<char *> _allocated_chunks;
??? // Maintain a cached memory free list.
??? ACE_Cached_Free_List<ACE_Cached_Mem_Pool_Node<T> > _free_list;
};
?
???
設(shè)計(jì)模式
?
???
最后一個(gè)主題重點(diǎn)講講設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)模式現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用很廣泛了，可以說(shuō)是無(wú)處不在。設(shè)計(jì)模式現(xiàn)在對(duì)程序員是非常的重要，甚至到了不懂設(shè)計(jì)模式就不算真正的程序員一樣。不過(guò)設(shè)計(jì)模式卻又是非常高階的理論，需要有多年的編程經(jīng)驗(yàn)才能真正領(lǐng)悟，所以學(xué)習(xí)起來(lái)非常頭痛。因?yàn)樗览矸浅：?jiǎn)單，但是卻非常抽象，候捷老師通過(guò)一大堆實(shí)際案例給我們逐個(gè)講述了幾個(gè)常用的模式的區(qū)別和用法。設(shè)計(jì)模式最經(jīng)典最權(quán)威當(dāng)屬著名的有字天書
GoF
的《
Design Patterns
》了，我結(jié)合自己學(xué)習(xí)和實(shí)踐的體會(huì)介紹一下幾個(gè)模式。
?
???
結(jié)構(gòu)型模式之
Composite
（合成模式）
?
??? GoF
的定義：
Compose objects into tree structures to represent part-whole hierarchies. Composite lets clients treat individual objects and compositions of objects.
翻譯為中文大致意思是：將對(duì)象
(s)
組成為樹狀結(jié)構(gòu)，用以表示“局部
-
整體”的層次體系，使得讓
clients
可以以一致的方式對(duì)待“單個(gè)對(duì)象”和“合成對(duì)象”。
?
???
比較典型的例子就是文件系統(tǒng)中“文件”和“目錄”的關(guān)系，還有
Windows
窗口系統(tǒng)也是，在一個(gè)窗口中還可以開另一個(gè)窗口，多個(gè)窗口組合成的窗口還可以當(dāng)作一個(gè)窗口放入另一個(gè)窗口中，比如在
Word
中打開多個(gè)文檔就是這種情況。
Composite
模式的好處就是使得
clients
調(diào)用簡(jiǎn)單，可以用一致的接口處理單個(gè)對(duì)象或者多個(gè)單一對(duì)象組合成的對(duì)象。
?
???
實(shí)例：
Java swing library
中
Component
,
Label
,
Container
就是
Composite
模式的應(yīng)用。其中
Label
和
Container
都繼承自
Component
，但是
C
ontainer
中只是一個(gè)存放
Component
的數(shù)組，所以
Container
中就可以放很多
Component
，比如
ScrollPane
就是繼承自
Container
，它可以放
Label
，還有
List
,
Scrollbar
等等，甚至還可以放一個(gè)
ScrollPane
，所以就達(dá)到了
Composite
模式的效果，簡(jiǎn)化了
client
的使用。
?
???
結(jié)構(gòu)型模式之
Decorator
（裝飾模式）
?
??? GoF
的定義：
Attach additional responsibilities to an object dynamically. Decorators provide a flexible alternative to subclassing for extending functionality.
翻譯為中文大致的意思是：以動(dòng)態(tài)的方式給一個(gè)對(duì)象添加一些額外的職責(zé)，使得不必進(jìn)行
subclassing
就能擴(kuò)展功能。
?
???
Decorator
模式與
Composite
模式的區(qū)別就是它只內(nèi)含一個(gè)
component object field
，而
Composite
則內(nèi)含一個(gè)
collection of component field
。
Decorator
負(fù)責(zé)將一個(gè)對(duì)象“裝飾”起來(lái)，做一些“改造或者擴(kuò)展”，提供額外的功能，它只針對(duì)一個(gè)
class
。而
Composite
是一組“類似”的對(duì)象及其容納它們的容器一視同仁，使得
client
更簡(jiǎn)單地處理單個(gè)對(duì)象和一組對(duì)象。它們目的不一樣。
?
實(shí)例：
Java IO library
中
BufferedReader
,
Reader
之間使用的就是
Decorator
模式，其中
BufferedReader
繼承自
Reader
，同時(shí)它內(nèi)部含有一個(gè)
Reader
引用，它是通過(guò)另一個(gè)
Reader
對(duì)象構(gòu)造而來(lái)，因此就為
Reader
提供更多的功能，如帶緩沖的
Reader
。使用非常簡(jiǎn)單，只需要如此定義：
?
Reader in = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"));
?
就為文件讀取增加了帶緩沖的
IO
功能，非常方便。還可以多個(gè)
Decorator
的類組合使用，可以提供更強(qiáng)大的功能，多使用一下
Java IO library
就會(huì)體會(huì)到。
?
???
行為模式之
Observer
（觀察者模式）
?
??? GoF
的定義：
Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state, all its dependents are notified and updated automatically.
翻譯為中文大致意思是：在
objects
之間定義一個(gè)“一對(duì)多”的依賴關(guān)系，使得當(dāng)這個(gè)
object
改變狀態(tài)時(shí)，所有依賴它的
objects
都能獲得通知并自動(dòng)更新。
?
???
Observer
是用于做“通知”用途的，就像“
publish-subscribe
”，它能夠做到注冊(cè)需要通知的對(duì)象，并自動(dòng)通知它們來(lái)更新，它們都是被動(dòng)地被通知，而不是主動(dòng)觀察。
?
???
實(shí)例：
MFC
里
CView
和
CDocument
之間就是一個(gè)觀察者模式，
CView
是
Observer
即觀察者，
CDocument
是
Observable
即被觀察者，當(dāng)
CDocument
修改后會(huì)自動(dòng)通知所有的
CView
對(duì)象來(lái)自動(dòng)更新它們顯示的內(nèi)容，這一點(diǎn)可以用
Word
很容易試出來(lái)。還有最新的
Windows
圖形界面框架
WinForm
中的窗口之間消息傳遞等用的也是
Observer
模式，一個(gè)窗口發(fā)生改變時(shí)會(huì)自動(dòng)通知所有與它有關(guān)系的窗口，來(lái)自動(dòng)更新信息等，這一點(diǎn)
Jeffrey Richter
可以作證
J
?
???
行為模式之
Template Method
（模板方法）
?
??? GoF
的定義：
Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring somesteps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps ofan algorithm without changing the algorithm's structure.
翻譯為中文大致意思是：定義一個(gè)算法的骨干，延緩其中某些步驟以便在
subclasses
中定義它們。
Template Method
使得
subclasses
在不改變算法的體系結(jié)構(gòu)的前提下得到重新定義算法內(nèi)的某些步驟。
?
???
Template Method
其實(shí)最常用了，在
C++
里的應(yīng)用就是使用
virtual function
實(shí)現(xiàn)的，給一個(gè)
base class
定義一個(gè)
virtual
方法，但是不實(shí)現(xiàn)，而是在它的
subclasses
中實(shí)現(xiàn)它，這就是
Template Method
。這個(gè)模式的好處顯而易見(jiàn)，就是在你設(shè)計(jì)
base class
的時(shí)候并不知道這個(gè)方法具體如何實(shí)現(xiàn)，但是卻需要在
base class
里某個(gè)地方需要調(diào)用它以完成一個(gè)完整的算法，這時(shí)候就是需要用這個(gè)模式了。
?
???
實(shí)例：例子太多了，到處都是。
?
???
行為模式之
Strategy
（策略模式）
?
??? GoF
的定義：
Define a family of algorithms, encapsulate each one, and make theminterchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from client that use it.
翻譯為中文大致意思是：定義一族算法，把每個(gè)算法封裝起來(lái)，并使它們可以相互替換。
Stategy
使得算法給
client
使用的時(shí)候變得完全獨(dú)立。
?
???
Strategy
模式完全符合
OCP
（
Open-Closed Principle
，開閉原則），可以在不需要做
subclass
更不需要修改
base class
的情況下在
Runtime
的時(shí)候擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，它不像
Template Method
需要
subclass
才能擴(kuò)展新的功能。
?
???
實(shí)例：
Strategy
典型的應(yīng)用是在薪資系統(tǒng)中，當(dāng)定義
Employee
類的時(shí)候，如果使用
Template Method
模式，就無(wú)法更改員工領(lǐng)薪資的方式等，比如員工晉升的時(shí)候。這時(shí)候就需要用
Strategy
模式，在
Employee
中定義一個(gè)指針指向具體的
PaymentMethod
對(duì)象，如果需要更改領(lǐng)薪資的方式的時(shí)候，只需要將它指向新的
PaymentMehtod
實(shí)現(xiàn)就可以了。
?
???
結(jié)構(gòu)模式之
Adapter
（適配器模式）
?
??? GoF
的定義：
Convert the interface of a class into another interface clients expect.Adapter lets classes work together that couldn't otherwise because of incompatible interfaces.
翻譯為中文大致意思是：將一個(gè)
class
的接口轉(zhuǎn)換為另外一種
clients
所期望的接口，使得這些
classes
可以更好地協(xié)同工作起來(lái)，而不至于因?yàn)閯e的不兼容的問(wèn)題所影響。
?
???
Adapter
模式屬于結(jié)構(gòu)型模式，需要有
Adaptee
（被適配者）和
Adaptor
（適配器）兩個(gè)對(duì)象。一般情況下，我們通過(guò)繼承（
Inheritance
）或者合成（
Composition
）的方式擴(kuò)展類的功能后，會(huì)產(chǎn)生很多接口形式不同的類，但是我們想用同樣的方式調(diào)用它們，又不想改造它們（否則違反
OCP
原則），怎么辦呢？這種情況下就需要用到
Adapter
模式了，這些被“改造”的類就叫做
Adaptee
，而我們就需要寫個(gè)
Adaptor
類來(lái)轉(zhuǎn)調(diào)它們，把調(diào)用的接口改成統(tǒng)一的形式。
?
???
實(shí)例：
Java IO library
里的
InputStreamReader
就是一個(gè)
Adapter
，它負(fù)責(zé)將
InputStream
對(duì)象轉(zhuǎn)換為
Reader
對(duì)象的接口形式，使得用戶可以像使用其它
Reader
一樣的方式來(lái)使用
InputStream
對(duì)象，比如：
?
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(
new FileInputStream("test.txt"));
??? BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
??? String line = br.readLine();
?
???
這就做到了在不改造原來(lái)設(shè)計(jì)的類的接口的情況，擴(kuò)展了類的應(yīng)用范圍。一般情況下，
Adapter
模式需要結(jié)合
Factory
模式和
Proxy
模式來(lái)使用，使得接口的訪問(wèn)更加一致性，更容易改造系統(tǒng)。
?
???
結(jié)構(gòu)模式之
Facade
（外觀模式）
?
??? GoF
的定義：
Provide a unified interface to a set of interfaces in a subsystem.Facade defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.
翻譯為中文大致意思是：為一個(gè)子系統(tǒng)的一批接口提供一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口，
Facade
定義更高層次的接口，使得子系統(tǒng)更容易使用。
?
???
Facade
模式我感覺(jué)是一個(gè)更高層次的
Adapter
，它是用來(lái)理順系統(tǒng)之間的關(guān)系，降低系統(tǒng)間的耦合度的常用方法，其實(shí)我們可能在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候就在不知不覺(jué)地應(yīng)用這個(gè)模式了。大部分將業(yè)務(wù)邏輯層和表示層分離的框架都是應(yīng)用
Facade
模式實(shí)現(xiàn)的，使得上層使用者完全不必理會(huì)底層的實(shí)現(xiàn)，卻又有統(tǒng)一的使用界面。
?
???
實(shí)例：
J2EE EJB
中
Session Bean
就是一種典型的
Facade
模式，即
Session Facade
。它完全將業(yè)務(wù)對(duì)象封裝起來(lái)，
EJB
客戶端訪問(wèn)
Session Bean
來(lái)代替訪問(wèn)業(yè)務(wù)對(duì)象。這就大大簡(jiǎn)化了
EJB
的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，
Session Bean
就是相當(dāng)于一個(gè)外觀，也相當(dāng)于一個(gè)總管，把業(yè)務(wù)對(duì)象都管理起來(lái)，不讓客戶端直接“接觸”到它們。
?
???
《設(shè)計(jì)模式》一書中還有很多模式這里就不一一介紹了。其實(shí)我們大家都可以自己設(shè)計(jì)一種模式，但是肯定沒(méi)有
GoF
的那
23
個(gè)著名了。不過(guò)現(xiàn)在還有很多別的也很有名的模式，比如說(shuō)
Wrapper
模式（相當(dāng)于
Decorator
）、
DAO
模式（
Data Access Object
模式，
OR
映射系統(tǒng)里常用到）、
MVC
模式（著名的
Model-View-Control
架構(gòu)模式）等等。我的一個(gè)觀點(diǎn)，只有大量地實(shí)踐，持續(xù)地學(xué)習(xí)，就會(huì)不斷提升自己設(shè)計(jì)模式的層次，如果想靠一兩年的學(xué)習(xí)就想精通它，是不可能的任務(wù)
J
?
???
寫了這么多，終于寫完了，呵呵。寫完后，有兩點(diǎn)體會(huì)：
1,
寫源碼剖析類的文章，就像是給代碼做翻譯，把代碼翻譯成圖片或文字。
2
，寫
OO/DP
之類理論的文章，則相當(dāng)于創(chuàng)造，不同的人有不同的體會(huì)，技術(shù)學(xué)習(xí)層面不同的理解也不同。還是那句話：理論需要從實(shí)踐中來(lái)，多學(xué)習(xí)多實(shí)踐。歡迎指正！
?
最后我列幾本候捷老師推薦的書：
??? 1
，
C++
程序員必備的書（我以為，即時(shí)你不看，也建議備上，充門面也好，爭(zhēng)吵也好都很用）
?????? a)
《
C++ Programming Language
》
Bjarne Stroustrup
?????? b)
《
C++ Primer
》
Stanley B Lippman
?????? c)
《
Effective C++
》
Scott Meyers
?????? d)
《
Design Patterns
》
GoF
??? 2,
提高或?qū)W習(xí)的書
?????? a)
《
Inside The C++ Object Model
》
Stanley B Lippman
?????? b)
《
Thinking in C++
》
Bruce Eckel
?????? c)
《
More Effective C++
》
Scott Meyers
?????? d)
《
STL
源碼剖析》侯捷
?????? e)
《
Modern C++ Design
》
Andrei Alexandrescu
?????? f)
《
Small Memory Software - Patterns for memory management
》
?
?
?
--
適合讀者：
C++
中高級(jí)程序員
--
作者：
naven
博客：
http://www.shnenglu.com/javenstudio/
2006年12月28日