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拜拜!面向对象编程

简介:
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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。

然而我大错特错了。

继承,倒塌的第一根支柱

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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。

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然后就是满篇的重用了。甚至以后的一切都是重用了。

我囫囵吞下这一切,然后带着新发现兴冲冲地奔向世界了。

香蕉猴子丛林问题

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……

唉……

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。

香蕉猴子丛林的解决方法

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?

没错。

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。

菱形继承问题

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。

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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?

来看看下面的伪代码:


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。

菱形继承的解决

解决方案很简单:不要这样做。

没错。大多数面向对象都不让你这么干。

但是,但是……要是必须这样建模该怎么办?我需要重用!

那就必须使用包含和委托


lass 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。

这个问题是继承这根支柱上的另一条裂缝。

脆弱的基类问题

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。

似乎一切都解决了。直到我们发现……

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!

嗯也许是个 bug……但等等……的确有些改动……

但改动的不是我的代码。似乎改动来自我继承的那个类。

为什么基类的改动会破坏我的代码?

原来是这样……

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。

下面是继承的类:


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。

我们来仔细看看这两个类。

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。

一切都很正常。

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。

count被增加了两次。

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。

唉!这个巨大的裂隙威胁到了整个继承支柱的稳定。

脆弱的基类的解决方法

这个问题还得要包含和委托来解决。

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。

这种趋势太讨厌了……

继承本应带来最好用的重用。

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。

层次结构的问题

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?

两者都可以。但哪个是正确的?哪个更好?

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。

层次结构的解决

真正的问题出在……

层次分类是错误的。

那层次分类应该用在哪里?

包含关系。

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。

那我们该怎样分类呢?

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。

我选择的分类法是标签。我给它加上不同的标签。


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。

但既然有了这么多裂缝,估计继承的支柱已经倒塌了。

再见,继承。

封装,倒塌的第二根支柱

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乍一看,封装似乎是面向对象编程的第二大好处。

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。

封装是变量的保险柜。

封装太伟大了!

封装万岁……

直到你遇到了这个问题……

引用问题

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。

但这个传递的对象不是安全的!

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。


引用的解决


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。

完全没有效率。

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。

所有主流面向对象语言都有这个问题。

再见,封装。

多态,倒塌的第三根支柱

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多态是面向对象的三位一体中永远被人抛弃的那一位。

就像是三人组中的Larry Fine。

不管他们去哪儿都会带着他,但他永远是配角。

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。

接口也能实现多态,而且不需要面向对象的负担。

而且,接口也不会限制你能混入的不同行为的数目。

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。

破碎的承诺

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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。

然后我发现被骗了。

再见,面向对象编程。

那该怎么办

去拥抱函数式编程吧。过去几年我用得非常舒服。

但话说在先,我并没有给你做出任何承诺。眼见为实。

一朝被蛇咬十年怕井绳。

你懂的。


原文发布时间为:2018-10-22
本文作者:弯月
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