摘要：很多高校都采用C++語言講解“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計”課程。本文結(jié)合實例探討了在學(xué)習(xí)面向?qū)ο蠹夹g(shù)之前應(yīng)該做好的兩個方面的準(zhǔn)備工作，并從多個角度對這兩個方面做了詳細的論述。

關(guān)鍵詞：過程化；面向?qū)ο?；范型；?/p>

中圖分類號：G642文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5913(2007)14-0041-04

1引言

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計是計算機科學(xué)專業(yè)的核心課程，理論性與實踐性并重。很多學(xué)校采用C++語言為范例講述面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計這門課程。教學(xué)內(nèi)容主要包括面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型(paradigm)的三個最重要的特性：繼承、封裝和多態(tài)，以及C++如何實現(xiàn)這三個特性，使學(xué)生掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計范型和一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，從而為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。但是，由于存在從過程化編程到面向?qū)ο缶幊趟枷朕D(zhuǎn)變的突然性和C++語言實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制的復(fù)雜性，所以在開始講授面向?qū)ο蟛糠种白龊贸浞值臏?zhǔn)備工作，掌握必要的預(yù)備知識是非常重要的，否則學(xué)生就會陷入細節(jié)的困惑而影響對面向?qū)ο缶幊虣C制的理解，影響了教學(xué)效果，本文從教學(xué)實踐經(jīng)驗出發(fā)，根據(jù)實際教學(xué)體會，試圖在這一方面做進一步探索，結(jié)合實例探討在講授C++語言描述的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程之前應(yīng)該掌握的預(yù)備知識及其必要性。

2面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀

在很多高等院校中，講授面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計這一課程時都是使用C++語言描述，因為在大學(xué)早期一般都學(xué)習(xí)過C語言，所以使用C++語言描述可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有銜接感，不至于在基本語法上都感到陌生。正是有了C語言的基礎(chǔ)，所以很容易認為不用做什么準(zhǔn)備或者做很少的準(zhǔn)備就可以開始面向?qū)ο蟛糠值闹v述。但是存在三個問題：首先，概念上很難轉(zhuǎn)變。C語言是過程化的語言，關(guān)注的是功能的劃分和函數(shù)的實現(xiàn)，是一種和面向?qū)ο笸耆煌木幊谭缎?。如果一開始就講授類、對象等面向?qū)ο笾R，沒有一個合理的鋪墊，會有很強的突兀感，不易接受；其次，C++是一種靈活強大的語言，即使在過程化編程部分也有一些與C語言不同的地方，而這些地方卻往往是C++語言實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制的重要部分，如果沒有一個清晰明確的認識，只知其然而不知其所以然，就難以真正掌握C++語言的面向?qū)ο蟛糠?；再次，講授C語言時重點在于編程的基本概念和程序結(jié)構(gòu)的控制，指針和結(jié)構(gòu)體并不是重點的內(nèi)容，或者說這些內(nèi)容剛開始很難完全掌握，而這部分內(nèi)容在講解面向?qū)ο筮^程中會經(jīng)常使用，如果不進行回顧就直接在面向?qū)ο蟮慕虒W(xué)中使用也會影響教學(xué)效果。所以在學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計之前做好充分的概念和技術(shù)上的準(zhǔn)備是很重要的，起到了承上啟下的作用。下面就對學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計之前應(yīng)該準(zhǔn)備的相關(guān)知識逐個做一討論。

3應(yīng)該掌握的預(yù)備知識

在開始學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計之前所要加強或者全新學(xué)習(xí)的知識主要針對上一節(jié)中敘述的問題展開，針對上述三個方面的問題，應(yīng)該從以下兩個方面，七個具體問題入手。

3.1程序設(shè)計理念上的轉(zhuǎn)變

程序設(shè)計理念上的轉(zhuǎn)變主要是從了解面向?qū)ο蠹夹g(shù)產(chǎn)生的背景出發(fā)，理解面向?qū)ο蠹夹g(shù)產(chǎn)生的自然性及其相對于過程化程序設(shè)計的優(yōu)勢，從程序語言發(fā)展和設(shè)計兩個角度上理解，從而能對面向?qū)ο蠹夹g(shù)有一個全局性的把握。

1．從程序語言發(fā)展的角度出發(fā)看面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言出現(xiàn)的必要性及其與過程語言的銜接性。程序設(shè)計的發(fā)展的目標(biāo)之一是提高重用性，而提高重用性的方法是提高抽象性，C語言提供的抽象機制是函數(shù)，這是過程化程序設(shè)計語言的特點。這樣的抽象能力是很有限的，在大型系統(tǒng)的設(shè)計中會造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管理困難的現(xiàn)象，同時代碼難以理解、難以維護、難以重用。面向?qū)ο笳Z言在這方面顯示了強大的優(yōu)勢。面向?qū)ο蠹夹g(shù)提供的抽象機制主要是類(Class)，也叫做用戶自定義類型，類是一種完全的用戶自定義類型。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)可以在很大程度上解決過程化程序設(shè)計所面臨的問題。首先，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計可以很好地模擬現(xiàn)實世界，大大縮小了現(xiàn)實問題域與程序設(shè)計問題域的差距，使得客戶也可以理解設(shè)計，對設(shè)計的修改和驗證也變得很容易。其次，類封裝了內(nèi)部屬性，只對外部暴露接口，只要不更改接口，在類的內(nèi)部所做的任何修改不會對類的使用者造成影響，大大提高了可重用性和可維護性。

2．從設(shè)計的角度出發(fā)觀察面向?qū)ο蟮脑O(shè)計與過程化設(shè)計上的區(qū)別。從設(shè)計的角度出發(fā)學(xué)習(xí)程序設(shè)計很有好處，通過對設(shè)計的思考，非常有助于了解某種程序設(shè)計范型的優(yōu)勢和缺點，同樣，通過對面向?qū)ο笤O(shè)計的思考，有利于更好的掌握面向?qū)ο蟮募夹g(shù)內(nèi)涵。舉一個例子，設(shè)計圖書館管理系統(tǒng)。如果是過程化設(shè)計，關(guān)注的是圖書館有哪些功能，每一個功能該怎樣實現(xiàn)，需要哪些函數(shù)，這些函數(shù)之間應(yīng)該怎樣相互調(diào)用以完成該功能。大概可以這樣設(shè)計：分為圖書借閱、圖書整理、人員管理三個部分，如圖1所示。每個部分又劃分為若干子功能，每一個功能都可能成為以后的一個函數(shù)。每一個函數(shù)可能又調(diào)用更小的函數(shù)，通過逐級的函數(shù)調(diào)用完成功能。在面向?qū)ο蟮姆治鲋幸矂澐止δ軌K，但只是為了確定需求，設(shè)計上與過程化設(shè)計大大不同：參與圖書館系統(tǒng)所有的實體都對應(yīng)設(shè)計中的一個類，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)通過類之間的交互完成，設(shè)計的問題就變成了類以及類之間關(guān)系的設(shè)計，如圖2所示。通過兩者對比可以看出，面向?qū)ο笤O(shè)計更貼近真實、更容易理解。也可以看出，兩者在理念上有多么大的區(qū)別。

3.2掌握C++實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制所必須的知識

有了編程理念上的轉(zhuǎn)變，理解了面向?qū)ο蠹夹g(shù)產(chǎn)生的技術(shù)需求和面向?qū)ο蠓缎偷奶匦?，還必須具備掌握C++實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制所必須的知識才能很好的理解面向?qū)ο蠹夹g(shù)，這些預(yù)備知識是C語言中所缺乏的，可以說，對這些預(yù)備知識的良好掌握是理解面向?qū)ο蠹夹g(shù)的關(guān)鍵，總結(jié)一下有五個方面的內(nèi)容：

1．引用

引用在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中十分常用，而且不同的程序設(shè)計語言在引用的使用上又不盡相同，比如C++和java的引用就有很大的不同。透徹的理解引用非常重要，但對新手來說很不容易，可以說正確的理解引用機制是學(xué)習(xí)好面向?qū)ο蠹夹g(shù)的第一步。C語言中沒有引用的概念，需要引用的地方只能用指針去實現(xiàn)。在C++中引用的使用十分普遍，也比較復(fù)雜，而且更多的是用在對自定義類型的操作上。對引用的學(xué)習(xí)應(yīng)該從使用引用的場合入手，有三個方面的內(nèi)容，每個方面應(yīng)分兩個部分講解：格式(怎樣做)和意義(怎樣用)。

●引用型變量。定義一個整型引用型變量yi的格式：

intyi = i;// 變量i是已經(jīng)被定義過的整型變量

意義：yi是i的別名，兩者指向同一變量，是同一個變量的兩個名字，無論修改誰，變量都將發(fā)生修改。

注意事項：引用型變量在定義的時候一定要初始化，不能先定義，再初始化，這一點與java不同。

●引用型參數(shù)(傳引用，傳址)。定義引用型參數(shù)的格式如下：

返回類型函數(shù)名(參數(shù)類型參數(shù)名){ 函數(shù)體 }，與非引用參數(shù)的不同之處在于參數(shù)名前多了一個引用符號“”。

意義：C++默認傳值，也就是說在函數(shù)體內(nèi)對形參做的任何修改不會影響到實參，在函數(shù)運行之前先調(diào)用實參的拷貝構(gòu)造函數(shù)生成一個臨時變量，這個臨時變量在函數(shù)體內(nèi)部代替形參參與運算，這就是為什么不用引用或者指針就無法通過函數(shù)實現(xiàn)交換兩個變量的值，也就是C++中調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)的時機之一，如果出于效率或者想修改實參，就必須用引用型參數(shù)，這樣進入函數(shù)體內(nèi)部參與運算的就是實參本身。

●引用型返回值。定義引用型返回值的格式如下：

返回類型函數(shù)名(參數(shù)類型參數(shù)名){ 函數(shù)體 }

意義：函數(shù)體內(nèi)的任何臨時變量在函數(shù)運行完畢后都要銷毀，如果要返回某個變量，那么將會調(diào)用這個變量所屬類型的拷貝構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造一個臨時變量返回，除非使用引用型返回值。假設(shè)有如下程序，其中類A有一個函數(shù)fun意圖返回對象自己，我們看它這樣做能辦到嗎？

運行，打印以下結(jié)果：

構(gòu)造函數(shù)

拷貝構(gòu)造

拷貝構(gòu)造

程序運行結(jié)果顯示調(diào)用了兩次拷貝構(gòu)造函數(shù)，為什么會這樣呢？兩次拷貝構(gòu)造函數(shù)調(diào)用時機為：一次是執(zhí)行“return *this; ”，編譯器會在以*this為實參構(gòu)造臨時變量時調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)，另一次是執(zhí)行“A a1 = a.fun ();”，編譯器會在以上一步構(gòu)造的臨時變量為實參初始化a1時調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)。現(xiàn)在把“A fun (){ return *this; }” 改為“A fun (){ return *this; }”，再運行可以得到如下的結(jié)果：

構(gòu)造函數(shù)

拷貝構(gòu)造

可以看出只在初始化a1時運行了一次拷貝構(gòu)造函數(shù)，返回的正是對象自己。

注意事項：引用型返回值一般用在返回引用型參數(shù)(如C++中重載的輸出運算符“<<”)，或者返回對象自己(如重載的賦值運算符)，不能返回函數(shù)體內(nèi)臨時變量的引用，因為函數(shù)運行完畢后臨時變量全部都要銷毀，對象已不存在了，無法返回對象本身[1]。

總結(jié)：C++中引用的使用比較復(fù)雜，原因在于兩個方面：首先在C++中默認是傳值的，而不是傳址(傳引用)，其次在C++中用不同的方法造出來的變量的存儲位置不同、生命周期不同、銷毀方法和銷毀責(zé)任也不相同。所以在C++中使用引用要十分小心，需要對引用的透徹理解，而且在某些方面必須使用引用，比如拷貝構(gòu)造函數(shù)。所以可以說學(xué)好引用是掌握C++實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制的重要的語言基礎(chǔ)。

2．Const關(guān)鍵字

在C語言中沒有常量的表示法，如果要定義一個常量只能用#define，這已經(jīng)被證明非常不好，因為在編譯時將用變量值代替變量名，不利于調(diào)試。所以在C++中鼓勵以常量表示法替代#define。定義一個常量的格式如下：

const 類型 變量名 = 初值；

定義常量時一定要同時賦初值，因為常量一旦被賦值就不能修改，如果定義時不賦值，那么常量將會以默認值初始化，這一般都不是我們想要的。Const不但能修飾一般變量使之成為常量，也可以修飾引用和指針，在這里我們著重討論const與引用結(jié)合的情況：在引用使用的三種場合怎樣使用const以及跟C++實現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)的關(guān)系。

●定義常引用變量

定義一個常引用變量的格式如下：

const類型 變量名 ＝ 某個已定義的變量名

意義：不能改變常引用使之指向另一個對象，也不能通過常引用去改變該引用所指向的對象的值。

●常引用型參數(shù)

返回類型函數(shù)名(const參數(shù)類型參數(shù)名){ 函數(shù)體 }，跟引用參數(shù)的不同之處在于參數(shù)類型前多了一個常量符號“const”。

意義：當(dāng)需要明確的表示不希望函數(shù)對實參修改，但是為了效率或者其他的原因又需要引用型參數(shù)時，可以使用常引用型參數(shù)。使用常引用型參數(shù)的一個常見場合是拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運算符的重載?？截悩?gòu)造函數(shù)必須使用引用型參數(shù)，原因在于如果傳值，那么在實參傳入之前會調(diào)用編譯器提供的默認的拷貝構(gòu)造函數(shù)來構(gòu)造一個實參的副本，這樣已經(jīng)失去了自己寫拷貝構(gòu)造函數(shù)的意義。

●常引用型返回值

const返回類型函數(shù)名(參數(shù)類型參數(shù)名){ 函數(shù)體 }

意義：當(dāng)使用引用型返回值時，可以直接對返回值進行修改，當(dāng)不想修改函數(shù)的返回值時，可以使用常引用型返回值。

3．函數(shù)重載

C語言不提供函數(shù)重載，完成相似功能的函數(shù)必須使用不同的名稱。這樣造成在大型程序開發(fā)中，給函數(shù)命名很難。C++解決了這個問題，當(dāng)然C++必須要解決這個問題，原因在于構(gòu)造函數(shù)名必須要與類名相同，而構(gòu)造函數(shù)又不能將參數(shù)固定，就是要允許用不同的參數(shù)列表去初始化對象，C++提供了函數(shù)重載。所以學(xué)好函數(shù)重載是掌握構(gòu)造函數(shù)的一個重要基礎(chǔ)。函數(shù)重載的要求：1)函數(shù)名相同；2)參數(shù)列表不同。參數(shù)類型，個數(shù)或順序(不提倡僅僅是順序)不同。3)不能使用返回值重載[2]，原因在于調(diào)用函數(shù)時可以僅僅利用函數(shù)的副作用，也就是不取得函數(shù)的返回值。

4．new與delete

在C語言中分配和回收內(nèi)存是用malloc和free，轉(zhuǎn)到C++上之后，應(yīng)該完全使用new與delete，原因在于malloc和free對構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)一無所知[1]，使用new與delete構(gòu)造和刪除對象會自動調(diào)用該對象所屬類型的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，也會調(diào)用該類型內(nèi)所有自定義類型的成員對象的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，而這些是malloc和free無法做到的。也就是new和delete可以做malloc和free所做的所有事情，而且做的更好，還可以適用于自定義類型的構(gòu)造和析構(gòu)，所以在學(xué)習(xí)了C++以后所有分配和銷毀內(nèi)存的事情應(yīng)該交給new與delete去做。

5．cout與cin

C語言的輸入輸出是調(diào)用printf和scanf函數(shù)，它不能判斷輸入輸出的對象類型，必須進行參數(shù)設(shè)置，不能實現(xiàn)對用戶自定義類型的輸入和輸出，而且格式復(fù)雜。cout與cin是C++的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出流對象，它們可以用在任何重載了“<<”和“>>”運算符的對象上以實現(xiàn)輸入和輸出，不管基本類型還是自定義類型都可以直接輸入輸出，而且有多種格式化函數(shù)可以調(diào)用，所以在學(xué)習(xí)了C++后，所有的輸入輸出都應(yīng)用使用cout和cin，不過，這一部分內(nèi)容可以放到運算符重載的章節(jié)重點講解。

4結(jié)論

俗話說“工欲善其事，必先利其器”，在理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵，學(xué)習(xí)C++語言實現(xiàn)面向?qū)ο髾C制之前，掌握好這些基礎(chǔ)知識是很重要的，它們就相當(dāng)于“器”。重要的概念，比如說引用、Const關(guān)鍵字和函數(shù)重載可以先講，其余的內(nèi)容可以放到它們出現(xiàn)的章節(jié)中進行重點講解，但是這些內(nèi)容不容忽視，否則會給理解面向?qū)ο蠹夹g(shù)的內(nèi)涵造成很大的障礙。

The Discussion about preliminary knowledge in teaching object oriented programming course in C++

Abstract: Many universities use C++ to teach the course: object oriented programming. The paper discusses two preliminary works that should do before study the object oriented technology: 1. Programming thought changing from procedural paradigm to object oriented paradigm; 2. The preliminary technologies that the C++ programming language used to realize object oriented technology. The paper gives elaborate discussion for the two aspects above too.

Keywords: procedural; object oriented; paradigm; class

參考文獻

[1] Scott Meyers. Effective C++中文版（第二版）[M]. 侯捷 譯. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

[2] Bjarne Stroustrup. C++程序設(shè)計語言（特別版）[M]. 裘宗燕 譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3] 馬艷. 提高”C++語言程序設(shè)計”課程教學(xué)效果之我見[J]. 新疆廣播電視大學(xué)學(xué)報，2005，9(29):49-51.

[4] 陳真，王釗. C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的構(gòu)造函數(shù)[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28(6):83-85.

[5] 劉曉剛. 用多種手段教學(xué)C++課程[J]. 湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報，2003，21(3):48-50.

作者簡介

戴建國，石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教師，專業(yè)方向為軟件工程。

郭理，石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教師，專業(yè)方向為人工智能。

秦懷斌，石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教師，專業(yè)方向為軟件工程。