冒號(hào)和他的學(xué)生們（連載24）——對(duì)象封裝

冒號(hào)和他的學(xué)生們

——程序員提高班紀(jì)事

24．對(duì)象封裝

陰陽(yáng)地理兩分張，隱者為陰顯者陽(yáng)                             ——《玉髓經(jīng).曜星論》

“用廣東話說(shuō)，真是有型有料又有性格啊！”嘆號(hào)嘖嘖連聲，“這哪里是在設(shè)計(jì)軟件，分明是在設(shè)計(jì)心儀的對(duì)象嘛。”

“我們可不就是在談對(duì)象設(shè)計(jì)嗎？”冒號(hào)笑著反問(wèn)，“在OOP的世界里，每位程序員都是造物主。保持熱情、專注力和審美情趣，說(shuō)不定哪一天就像希臘神話里的皮格瑪利翁一樣，雕塑的美女變活了。”

“哇，那可就美了！”逗號(hào)極盡夸張之調(diào)。

全班哄堂大笑。

“剛才提到抽象是OOP三大基本特性的基礎(chǔ)，下面我們逐個(gè)剖析。”冒號(hào)很快收攏了話題，“首當(dāng)其沖的是封裝性。記得前面談對(duì)象范式時(shí)，引號(hào)曾試圖為我們解釋封裝性，可惜被我無(wú)情地打斷了。現(xiàn)在我們請(qǐng)他繼續(xù)講解吧。”

在眾人逗趣式的掌聲中，引號(hào)竟有些靦腆了：“所謂封裝性，就是將數(shù)據(jù)與相關(guān)行為包裝在一起以實(shí)現(xiàn)信息隱藏。”

“幾乎無(wú)懈可擊。”冒號(hào)贊揚(yáng)得有些保守，“那么封裝（encapsulation）與信息隱藏（information hiding）有區(qū)別嗎？”

“應(yīng)該是一回事吧。”在冒號(hào)的逼視下，引號(hào)有些猶豫了，“嗯。。。信息隱藏是一種原則，而封裝是實(shí)現(xiàn)這種原則的一種方式。”

“言之有理！”冒號(hào)這回贊揚(yáng)得很干脆，“盡管大多數(shù)參考書(shū)對(duì)二者不加區(qū)分，我還是要解析一番。其實(shí)廣義的封裝僅僅只是一種打包，即package或bundle，是密封的但可以是透明的。或者說(shuō)，封裝就是把一些數(shù)據(jù)和方法裝在一個(gè)封閉的盒子里——可能是黑盒子，也可能是白盒子。從語(yǔ)法上說(shuō)，這是OOP與諸如C之類的過(guò)程式語(yǔ)言最大的不同。請(qǐng)問(wèn)這帶來(lái)什么效果？”

句號(hào)反應(yīng)很快：“這等于引入了一種新的模塊機(jī)制，將相關(guān)的數(shù)據(jù)和作用其上的運(yùn)算捆綁在一起形成被稱為類的模塊。”

“回答正確！”冒號(hào)很滿意，“剛才我們用C實(shí)現(xiàn)了隊(duì)列，但由于C不支持封裝，只能以文件形式來(lái)劃分模塊，顯然不如類劃分那么方便和明晰。此外，封裝還有語(yǔ)法糖（Syntactic sugar）效果。”

問(wèn)號(hào)好奇地問(wèn)：“什么是語(yǔ)法糖？是不是很甜？”

“所謂語(yǔ)法糖，就是一些語(yǔ)法上的甜頭。它不是核心語(yǔ)法，并沒(méi)有提供任何額外的功能，只是用起來(lái)更簡(jiǎn)潔實(shí)用、更自然方便，看起來(lái)更酷、更炫而已。”冒號(hào)有意用時(shí)髦的詞匯來(lái)填補(bǔ)代溝，“我們知道，過(guò)程式函數(shù)采用謂語(yǔ)（主語(yǔ)，賓語(yǔ)）的形式，而OOP采用主語(yǔ).謂語(yǔ)（賓語(yǔ)）的形式。”

“哦，就是那個(gè)狗吃屎和吃狗屎啊，那可不甜。”逗號(hào)又來(lái)插科打諢。

眾人笑得前仰后合。

冒號(hào)不為所動(dòng)：“再拿隊(duì)列為例，如果增加一個(gè)隊(duì)列成員，用剛才的C實(shí)現(xiàn)，我們需要寫(xiě)下：queue_add(queue, item)。假如用Java來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需寫(xiě)queue.add(item)。由于封裝使add綁定在queue上，一方面可以將對(duì)象queue前置，既更符合自然語(yǔ)言，又少敲一個(gè)字符；另一方面，這種綁定使add局限于Queue類中，因此不必加上‘queue_’的前綴以防與其他類的方法函數(shù)名相沖突。這同樣節(jié)省了打字，也使接口更簡(jiǎn)單。”

句號(hào)提出：“如果C支持函數(shù)重載（overload），那么‘queue_’的前綴就可省去。”

“你說(shuō)的既對(duì)也不對(duì)。”冒號(hào)辯證地評(píng)判，“如果C支持重載，該前綴的確能省去；但從另一角度看，即使Java或C++不支持重載，前綴用樣能省去。因?yàn)楹瘮?shù)add已經(jīng)不再是全局函數(shù)，Queue類就是其上下文（context）。換句話說(shuō)，分屬不同類的函數(shù)是不可能產(chǎn)生歧義（ambiguity）的，哪怕它們的簽名（signature）一模一樣。因此我們要把功勞記在封裝的名下。”

句號(hào)心悅誠(chéng)服。

冒號(hào)繼續(xù)講解：“狹義的封裝是在打包的基礎(chǔ)上加上訪問(wèn)控制（access control），以實(shí)現(xiàn)信息隱藏。相對(duì)于上述廣義的封裝，不妨認(rèn)為多了一個(gè)將白盒子刷成黑盒子的過(guò)程。這一過(guò)程可以看作對(duì)抽象的一種補(bǔ)充：抽象意味著用戶可以從高層的接口來(lái)看待或使用一類對(duì)象，而不用關(guān)心它底層的實(shí)現(xiàn)，而黑盒封裝意味著用戶無(wú)權(quán)訪問(wèn)底層的實(shí)現(xiàn)。”

逗號(hào)有點(diǎn)茫然：“那談起封裝，究竟指哪一個(gè)？”

“一般所說(shuō)的封裝大多是狹義的。”冒號(hào)回復(fù)道，“考試中最無(wú)趣的一類試題就是名詞解釋，因?yàn)槟侵荒苡∽C記憶，不能印證理解。軟件編程中也有無(wú)數(shù)的名詞和概念，機(jī)械式的記憶沒(méi)有任何意義——除了面試時(shí)應(yīng)付某些同樣無(wú)趣的考官。我們?cè)谶@里著意詮釋封裝的概念，不是出于學(xué)術(shù)理論的目的，而是為了讓大家深刻體會(huì)封裝的目的和意義，以便在實(shí)踐中靈活運(yùn)用。”

問(wèn)號(hào)詢問(wèn)：“前面提到，代碼既要合法又要合理，那訪問(wèn)控制還重要嗎？”

“合法合理是對(duì)程序員的要求。對(duì)于語(yǔ)言，我們還是希望它盡可能地提供更多的保障。這就好比社會(huì)和諧不能只靠法律，但法制當(dāng)然越健全越好。”冒號(hào)解答道，“訪問(wèn)控制不僅是一種語(yǔ)法限制，也是一種語(yǔ)義規(guī)范——標(biāo)有public的公用接口對(duì)代碼閱讀者而言，顯然比注釋文檔更正式更直觀。因此，其重要性是不言而喻的。值得一提的是，訪問(wèn)控制也不是滴水不漏的。C++用戶可以通過(guò)指針來(lái)間接訪問(wèn)private成員，Java也可以通過(guò)反射機(jī)制來(lái)訪問(wèn)。”

見(jiàn)眾人頗有疑義，冒號(hào)便寫(xiě)了一段Java代碼——

// 通過(guò)反射機(jī)制訪問(wèn)私有變量
import java.lang.reflect.*;

class Private 
{
    private String field = "這是私有變量";

    private void method() 
    {
        System.out.println("調(diào)用私有方法");
    }
}

public class AccessTest
{
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        Private privateObj = new Private();

        Field f = Private.class.getDeclaredField("field");
        f.setAccessible(true);
        System.out.println(f.get(privateObj));

        Method m = Private.class.getDeclaredMethod("method", new Class[0]);
        m.setAccessible(true);
        m.invoke(privateObj, new Object[0]);
    }
}

冒號(hào)講述道：“運(yùn)行這段代碼，可以看到privateObj的域成員和方法成員都被訪問(wèn)了。這是一種hack，僅限于特殊用途，不在我們關(guān)心之列。問(wèn)題是，即使不考慮此類非常規(guī)做法，要實(shí)現(xiàn)信息隱藏也不是件容易的事。”

嘆號(hào)不解：“信息隱藏困難在哪里呢？加上private不就隱藏了成員嗎？”

“如果所有信息都隱藏了，這個(gè)對(duì)象還有什么用嗎？”冒號(hào)一語(yǔ)破的。

逗號(hào)一愣：“可以用getter方法返回信息啊。”

冒號(hào)更不答話，投影出一段代碼——

import java.util.Date;
import java.util.Calendar;

class User
{
    private Date birthday; /** *//** 生日 */
    private boolean sex; /** *//** 性別。true代表男，false代表女 */

    public User(Date birthday, boolean sex)
    {
        this.birthday = birthday;
        this.sex = sex;
    }

    public Date getBirthday()
    {
        return birthday;
    }

    public void setBirthday(Date birthday)
    {
        this.birthday = birthday;
    }

    public boolean getSex()
    {
        return sex;
    }

    public void setSex(boolean sex)
    {
        this.sex = sex;
    }

    /** *//** 計(jì)算年齡，負(fù)數(shù)表示未知 */
    public int computeAge()
    {
        if (birthday == null) return -1; 

        Calendar dob = Calendar.getInstance();
        dob.setTime(birthday);
        Calendar now = Calendar.getInstance();
        int age = now.get(Calendar.YEAR) - dob.get(Calendar.YEAR);
        if (now.get(Calendar.DAY_OF_YEAR) < dob.get(Calendar.DAY_OF_YEAR))
            --age;
        return age;
    }
}

冒號(hào)提問(wèn)：“這段代碼簡(jiǎn)單得勿需多言，請(qǐng)問(wèn)它的信息隱藏做得如何？”

眾人目不轉(zhuǎn)睛地盯了好一陣，無(wú)人應(yīng)答。

冒號(hào)突發(fā)驚人之語(yǔ)：“如果我說(shuō)User所有的方法都違背了信息隱藏原則，你們相信嗎？”

直直的眼睛全都變圓了。

引號(hào)忽然明白了：“記得書(shū)上曾說(shuō)不能直接返回類的內(nèi)部對(duì)象。GetBirthday返回Date類型的生日，用戶可以在調(diào)用此方法后直接對(duì)生日進(jìn)行操作。”

“說(shuō)得對(duì)極了！”冒號(hào)夸贊道，“如果一個(gè)方法返回了一個(gè)可變（mutable）域?qū)ο?/u>（field object）的引用，無(wú)異于前門緊閉而后門洞開(kāi)。解決的方法是防御性復(fù)制（defensive copying），即返回一個(gè)clone的對(duì)象，以免授人以柄（handle）。”