冒號和他的學(xué)生們
25．軟件應(yīng)變
潛其心能觀天下之理，定其心能應(yīng)天下之變 ——《呂坤·呻吟語》
第七課剛一開堂，冒號就提了一個問題：“如果把一個Java程序中所有的private關(guān)鍵字換成public，請問該程序還能工作嗎？”
“應(yīng)該還能工作，除非——此前不能工作。”問號小心翼翼地回答。
冒號接著問：“既然如此，何必費(fèi)事區(qū)分它們呢？”
嘆號嘴一撇：“當(dāng)然是為了信息隱藏啰。”
冒號步步緊逼：“隱藏什么信息呢？又為什么要隱藏？”
嘆號應(yīng)對：“對象的狀態(tài)需要隱藏。如果一個對象的狀態(tài)直接暴露在外，讓客戶隨意修改，可能會破壞對象的內(nèi)在邏輯。”
冒號依舊窮追不舍：“那為什么對象的方法有些也需要隱藏？”
“以前我也有此疑問，看別人代碼時(shí)最感興趣的就是那些私有方法。”引號不打自招。
逗號逗他：“看來你患有偷窺癖哦。”
引號暗暗踢了逗號一腳：“現(xiàn)在我明白了，這是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽象，將接口與實(shí)現(xiàn)分離開來。”
冒號仍不罷休：“這種抽象究竟有何實(shí)際好處？”
句號搶答：“一方面，抽象接口描述了一個類最本質(zhì)的行為特征；另一方面，具體實(shí)現(xiàn)隨時(shí)可能變動，隱藏它們可以保證這種變動不會波及客戶代碼。”
“說到點(diǎn)子上了！”冒號終于停止了追問，“軟件與硬件之別，不僅是無形與有形之別，更是變化與固化之別。所謂變化，指源代碼隨時(shí)可能因需而變。一個軟件修改維護(hù)的時(shí)間通常會超過編寫時(shí)間，越復(fù)雜越成熟的程序越是如此。軟件的難點(diǎn)有二：其一是邏輯的復(fù)雜，其二是需求的變化。許多程序員看重前者而看輕后者，大部分時(shí)間花在尋求解決方案上，而不是在選擇解決方案上。他們目眩于奇技淫巧卻不解大巧若拙之妙，殊不知充滿技巧的代碼不僅難于理解而易于出錯，且因其普適性低而受變化的沖擊更大。眾所周知，比武時(shí)最忌招式用老，老即難以變化，一旦為對手看破則后果不堪設(shè)想。同樣，動不動凌空躍起只是影視作品中招徠眼球的花哨場面，實(shí)戰(zhàn)中很少出現(xiàn)，蓋因空中不易變招。當(dāng)然凡事皆有度，無一招用老，便無一招用實(shí)，難以完成致命一擊。反映在軟件上，那就是過度設(shè)計(jì)會帶來不必要的復(fù)雜和效率損失。”
眾人均想，又上起久違的武術(shù)課了。
冒號滔滔不絕：“一言以蔽之，軟件之軟，體現(xiàn)在適應(yīng)變化的能力。許多編程設(shè)計(jì)思想包括OOP的思想都是以此為主題的，抽象與封裝便是典型代表。抽象一個對象模型即是將一類對象最本質(zhì)因而最不易變化的部分提煉出來，而封裝——準(zhǔn)確地說是信息隱藏——則是將非本質(zhì)、容易變化的部分隱藏起來，從而將一個類劃分為陰陽兩面。由于變化多發(fā)生在陰面，對外是屏蔽的，因此修改該面毫無累及客戶之憂，由此提高了軟件的抗變能力。有些人誤認(rèn)為信息隱藏是出于軟件安全（security）的考慮，實(shí)乃是似是而非的皮相之見。”
問號提問：“軟件的變化主要有哪些？”
“軟件的變化大致分兩種：一種是出于內(nèi)在需求而作的結(jié)構(gòu)性變化，通常以改善軟件質(zhì)量為目的，即所謂的重構(gòu)（refactoring）；一種是出于外在需求而作的功能性變化，通常以滿足客戶需要為目的。理想的抽象與封裝，應(yīng)能完全避免第一類變化對于客戶代碼的影響，也能最大限度地降低第二類變化的副作用。只是知易行難，為細(xì)微的變化而付出巨大代價(jià)的例子比比皆是。‘千年蟲’就是一個最典型的例子，而當(dāng)32 位的IPv4 全部換成128位的IPv6 ，其代價(jià)也不遑多讓。從中可以看出，信息隱藏，尤其是結(jié)構(gòu)性信息隱藏是多么的重要！下面看一個簡單的例子。”冒號打開幻燈片——
// 用直角坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的復(fù)數(shù)類
public class Complex
{
private double x;
private double y;
public Complex(double x, double y)
{
this.x = x;
this.y = y;
}
public double real() { return x; }
public double imaginary() { return y; }
public double modulus() { return StrictMath.hypot(x, y); }
public double argument() { return StrictMath.atan2(y, x); }
public Complex add(Complex other)
{
return new Complex(x + other.x, y + other.y);
}
public Complex multiply(Complex other)
{
return new Complex(x * other.x - y * other.y,
x * other.y + y * other.x);
}
}
“這是一個用直角坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的復(fù)數(shù)Java類，為簡明起見，僅僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)部、虛部、模、輻角、加法和乘法等運(yùn)算。同樣地，我們也可以用極坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。”冒號投影出另一段代碼——
// 用極坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的復(fù)數(shù)類
public class Complex
{
private double r;
private double theta;
public Complex(double x, double y)
{
r = StrictMath.hypot(x, y);
theta = StrictMath.atan2(y, x);
}
public double real() { return r * StrictMath.cos(theta); }
public double imaginary() { return r * StrictMath.sin(theta); }
public double modulus() { return r; }
public double argument() { return theta; }
public Complex add(Complex other)
{
return new Complex
(r * StrictMath.cos(theta) + other.r * StrictMath.cos(other.theta),
r * StrictMath.sin(theta) + other.r * StrictMath.sin(other.theta));
}
public Complex multiply(Complex other)
{
Complex product = new Complex(0, 0);
product.r = r * other.r;
product.theta = theta + other.theta;
return product;
}
}
句號似已深明其意：“這兩個類的接口相同而實(shí)現(xiàn)方式不同，它們的區(qū)別是結(jié)構(gòu)性的，而不是功能性的。就實(shí)現(xiàn)效率而論，直角坐標(biāo)便于加減運(yùn)算，而極坐標(biāo)便于乘除、乘方開方等運(yùn)算。實(shí)現(xiàn)者可能會為采用何種方案而舉棋不定，好在由于隱藏了結(jié)構(gòu)性信息，即使以后修改了實(shí)現(xiàn)方案，也不會影響客戶。”
冒號補(bǔ)充道：“如果將代碼移植到C++，修改了實(shí)現(xiàn)方案，還是可能在一定程度上影響客戶的。”
嘆號有些驚訝：“為什么？C++不也是OOP語言嗎？”
冒號解釋：“由于C++需要頭文件，即使私有成員也必須在頭文件中聲明。這意味著改動任何私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)甚至私有方法的簽名，所有包含該頭文件的源代碼雖不必改寫，卻需要重新編譯鏈接。這對大型程序來說通常是難以忍受的，同時(shí)也說明設(shè)計(jì)與語言息息相關(guān)的。如果一個設(shè)計(jì)者只是高高在上，完全不考慮語言細(xì)節(jié)，難免流于紙上談兵。”
逗號問道：“為什么Java不需要頭文件呢？”
“因?yàn)?/span>Java、C#包括D語言中類似頭文件的信息，已經(jīng)在編譯時(shí)自動提取并保存了。”冒號道出緣由，“出于歷史原因和效率上的考慮，C++仍沿用C的頭文件用法，成為除指針和內(nèi)存管理之外最令人頭痛的問題。因此在C++中應(yīng)盡可能地使用前置聲明（forward declaration），減少包含的（included）頭文件。另外，可以將一些私有靜態(tài)（private static）成員從頭文件轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)代碼中，以匿名命名空間（anonymous namespace）的方式來實(shí)現(xiàn)完全隱藏。此外還有一個非常有用的技巧——柄/體（handle/body）模式或稱橋梁模式（bridge pattern），可以將接口與實(shí)現(xiàn)完全分開。這種模式不僅可以解決C++中的頭文件問題，對Java等不需要頭文件的語言也是有用的。下面我們用這種模式重新實(shí)現(xiàn)Complex類。”
幻燈一閃，新的源碼出現(xiàn)在眾人眼前——
// 復(fù)數(shù)計(jì)算接口ComplexImpl
public interface ComplexImpl
{
public double real();
public double imaginary();
public double modulus();
public double argument();
public Complex add(Complex other);
public Complex multiply(Complex other);
}
// 用直角坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的ComplexImpl
public class ComplexCartesianImpl implements ComplexImpl
{
private double x;
private double y;
public ComplexCartesianImpl(double x, double y)
{
this.x = x;
this.y = y;
}
public double real() { return x; }
public double imaginary() { return y; }
public double modulus() { return StrictMath.hypot(x, y); }
public double argument() { return StrictMath.atan2(y, x); }
public Complex add(Complex other)
{
return new Complex(x + other.real(), y + other.imaginary());
}
public Complex multiply(Complex other)
{
return new Complex(x * other.real() - y * other.imaginary(),
x * other.imaginary() + y * other.real());
}
}
// 用極坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)的ComplexImpl
public class ComplexPolarImpl implements ComplexImpl
{
private double r;
private double theta;
// 以下省略。。。
}
// 用橋梁模式實(shí)現(xiàn)的復(fù)數(shù)類
public class Complex
{
private ComplexImpl impl;
public Complex(double x, double y)
{
impl = new ComplexCartesianImpl(x, y);
//或者：impl = new ComplexPolarImpl(x, y);
}
public double real() { return impl.real(); }
public double imaginary() { return impl.imaginary(); }
public double modulus() { return impl.modulus(); }
public double argument() { return impl.argument(); }
public Complex add(Complex other) { return impl.add(other); }
public Complex multiply(Complex other) { return impl.multiply(other); }
}
冒號進(jìn)而指出：“這是橋梁模式的簡化版。稍加改進(jìn)，我們不僅可以在編譯期間決定具體實(shí)現(xiàn)方式，甚至可以讓客戶在運(yùn)行期間選擇實(shí)現(xiàn)方式。你們課后不妨試試。”
引號一拍大腿：“妙！如此既免除了實(shí)現(xiàn)者抉擇的煩惱，也給賦予使用者更大的自由，可謂一舉兩得啊。”
句號也道：“信息隱藏雖能將抽象接口與具體實(shí)現(xiàn)分離，但仍然封裝在同一類中。橋梁模式則讓二者徹底解耦（decouple），增強(qiáng)了對變化的適應(yīng)力，具有更大的靈活性和可擴(kuò)展性。”
“當(dāng)然這也增加了一定的復(fù)雜性和效率上的損失，具體運(yùn)用時(shí)應(yīng)酌情考量，避免過度設(shè)計(jì)。”冒號提醒道，“最后，如果Complex類需要功能上的變化，比如增加乘方、開方等運(yùn)算，只要不修改現(xiàn)有運(yùn)算的簽名，是不會傷及客戶代碼的。”