Interlude之深入淺出OOD（一）

有物昆成，先天地生。蕭呵！謬呵！獨立而不改，可以為天地母。吾未知其名，字之曰道。吾強為之名曰大，大曰逝，逝曰遠，遠曰反。道大，天大，地大，王亦大。

——《道德經》，第二十五章

軟件不軟
從60年代的軟件危機，到今天傳統軟件工程方法處處碰壁的處境，都說明一個問題：軟件不軟（Software is Hard）[Martin, 95]。說實話，軟件是一塊硬骨頭，真正開發過軟件的人都會有此感覺。一個應用總是包含無數錯綜復雜的細節，而軟件開發者則要把所有這些細節都組織起來，使之形成一個可以正常運轉的程序，這實在不是一件簡單的事。

為什么會這樣？舉個例子來說：用戶可以很輕松地說“我要一個字處理軟件”，他覺得“字處理軟件”這樣一個概念是再清楚不過的了，根本不需要更多的描述；而真正開發一個字處理軟件卻是一件困難無比的事情——我曾經親眼看到開發字處理軟件的人們是怎樣受盡折磨的。為什么表述一個概念很容易，而實現一個概念很困難？因為人們太擅長抽象、太擅長剝離細節問題了。

軟件不軟，癥結就在這里：用戶很容易抽象地表達自己的需求，而這種抽象卻很難轉化為程序代碼；軟件不軟，因為很簡單的設想也需要大量的時間去實現；軟件不軟，因為滿足用戶的需求和期望實在太困難；軟件不軟，因為軟件太容易讓用戶產生幻想。

而另一方面，計算機硬件技術卻在飛速發展。從幾十年前神秘的龐然大物，到現在隨身攜帶的移動芯片；從每秒數千次運算到每秒上百億次運算。當軟件開發者們還在尋找能讓軟件開發生產力提高一個數量級的“銀彈”[Brooks, 95]時，硬件開發的生產力早已提升了百倍千倍。這是為什么？

硬件工程師們能夠如此高效，是因為他們都很懶惰。他們永遠恪守“不要去重新發明輪子”的古訓，他們盡量利用別人的成果。你看到有硬件工程師自己設計撥碼開關的嗎？你看到有硬件工程師自己設計低通濾波電路的嗎？你看到有硬件工程師自己設計計時器的嗎？他們有一套非常好的封裝技術，他們可以把電路封裝在一個接插件里面，只露出接口。別人要用的時候，只管按照接口去用，完全不必操心接插件內部的實現。

而軟件工程師們呢？在STL被C++標準委員會采納之前（甚至之后），每個C++程序員都寫過自己的排序算法和鏈表，并都認為自己比別人寫得更好…真是令人傷心。

OOD可以讓軟件稍微“軟”一點
軟件不軟，不過OOD可以幫助它稍微“軟”一點。OOD為我們提供了封裝某一層面上的功能和復雜性的工具。使用OOD，我們可以創建黑箱軟件模塊，將一大堆復雜的東西藏到一個簡單的接口背后。然后，軟件工程師們就可以使用標準的軟件技術把這些黑箱組合起來，形成他們想要的應用程序。

Grady Booch把這些黑箱稱為類屬（class category），現在我們則通常把它們稱為“組件（component）”。類屬是由被稱為類（class）的實體組成的，類與類之間通過關聯（relationship）結合在一起。一個類可以把大量的細節隱藏起來，只露出一個簡單的接口，這正好符合人們喜歡抽象的心理。所以，這是一個非常偉大的概念，因為它給我們提供了封裝和復用的基礎，讓我們可以從問題的角度來看問題，而不是從機器的角度來看問題。

軟件的復用最初是從函數庫和類庫開始的，這兩種復用形式實際上都是白箱復用。到90年代，開始有人開發并出售真正的黑箱軟件模塊：框架（framework）和控件（control）�？蚣芎涂丶�往往還受平臺和語言的限制，現在軟件技術的新潮流是用SOAP作為傳輸介質的Web Service，它可以使軟件模塊脫離平臺和語言的束縛，實現更高程度的復用。但是想一想，其實Web Service也是面向對象，只不過是把類與類之間的關聯用XML來描述而已[Li, 02]。在過去的十多年里，面向對象技術對軟件行業起到了極大的推動作用。在可以預測的將來，它仍將是軟件設計的主要技術——至少我看不到有什么技術可以取代它的。

上面，我向讀者介紹了一些背景知識，也稍微介紹了OOD的好處。下面，我將回答幾個常見的問題，希望能借這幾個問題讓讀者看清OOD的輪廓。

什么是OOD？
面向對象設計（Object-Oriented Design，OOD）是一種軟件設計方法，是一種工程化規范。這是毫無疑問的。按照Bjarne Stroustrup的說法，面向對象的編程范式（paradigm）是[Stroustrup, 97]：

決定你要的類；
給每個類提供完整的一組操作；
明確地使用繼承來表現共同點。
由這個定義，我們可以看出：OOD就是“根據需求決定所需的類、類的操作以及類之間關聯的過程”。
OOD的目標是管理程序內部各部分的相互依賴。為了達到這個目標，OOD要求將程序分成塊，每個塊的規模應該小到可以管理的程度，然后分別將各個塊隱藏在接口（interface）的后面，讓它們只通過接口相互交流。比如說，如果用OOD的方法來設計一個服務器-客戶端（client-server）應用，那么服務器和客戶端之間不應該有直接的依賴，而是應該讓服務器的接口和客戶端的接口相互依賴。

這種依賴關系的轉換使得系統的各部分具有了可復用性。還是拿上面那個例子來說，客戶端就不必依賴于特定的服務器，所以就可以復用到其他的環境下。如果要復用某一個程序塊，只要實現必須的接口就行了。

OOD是一種解決軟件問題的設計范式（paradigm），一種抽象的范式。使用OOD這種設計范式，我們可以用對象（object）來表現問題領域（problem domain）的實體，每個對象都有相應的狀態和行為。我們剛才說到：OOD是一種抽象的范式。抽象可以分成很多層次，從非常概括的到非常特殊的都有，而對象可能處于任何一個抽象層次上。另外，彼此不同但又互有關聯的對象可以共同構成抽象：只要這些對象之間有相似性，就可以把它們當成同一類的對象來處理。

OOD到底從哪兒來？
有很多人都認為：OOD是對結構化設計（Structured Design，SD）的擴展，其實這是不對的。OOD的軟件設計觀念和SD完全不同。SD注重的是數據結構和處理數據結構的過程。而在OOD中，過程和數據結構都被對象隱藏起來，兩者幾乎是互不相關的。不過，追根溯源，OOD和SD有著非常深的淵源。

1967年前后，OOD和SD的概念幾乎同時誕生，它們分別以不同的方式來表現數據結構和算法。當時，圍繞著這兩個概念，很多科學家寫了大量的論文。其中，由Dijkstra和Hoare兩人所寫的一些論文講到了“恰當的程序控制結構”這個話題，聲稱goto語句是有害的，應該用順序、循環、分支這三種控制結構來構成整個程序流程。這些概念發展構成了結構化程序設計方法；而由Ole-Johan Dahl所寫的另一些論文則主要討論編程語言中的單位劃分，其中的一種程序單位就是類，它已經擁有了面向對象程序設計的主要特征。

這兩種概念立刻就分道揚鑣了。在結構化這邊的歷史大家都很熟悉：NATO會議采納了Dijkstra的思想，整個軟件產業都同意goto語句的確是有害的，結構化方法、瀑布模型從70年代開始大行其道。同時，無數的科學家和軟件工程師也幫助結構化方法不斷發展完善，其中有很多今天足以使我們振聾發聵的名字，例如Constantine、Yourdon、DeMarco和Dijkstra。有很長一段時間，整個世界都相信：結構化方法就是拯救軟件工業的“銀彈”。當然，時間最后證明了一切。

而此時，面向對象則在研究和教育領域緩慢發展。結構化程序設計幾乎可以應用于任何編程語言之上，而面向對象程序設計則需要語言的支持[*]，這也妨礙了面向對象技術的發展。實際上，在60年代后期，支持面向對象特性的語言只有Simula-67這一種。到70年代，施樂帕洛阿爾托研究中心（PARC）的Alan Key等人又發明了另一種基于面向對象方法的語言，那就是大名鼎鼎的Smalltalk。但是，直到80年代中期，Smalltalk和另外幾種面向對象語言仍然只停留在實驗室里。

到90年代，OOD突然就風靡了整個軟件行業，這絕對是軟件開發史上的一次革命。不過，登高才能望遠，新事物總是站在舊事物的基礎之上的。70年代和80年代的設計方法揭示出許多有價值的概念，誰都不能也不敢忽視它們，OOD也一樣。

OOD和傳統方法有什么區別？
還記得結構化設計方法嗎？程序被劃分成許多個模塊，這些模塊被組織成一個樹型結構。這棵樹的根就是主模塊，葉子就是工具模塊和最低級的功能模塊。同時，這棵樹也表示調用結構：每個模塊都調用自己的直接下級模塊，并被自己的直接上級模塊調用。

那么，哪個模塊負責收集應用程序最重要的那些策略？當然是最頂端的那些。在底下的那些模塊只管實現最小的細節，最頂端的模塊關心規模最大的問題。所以，在這個體系結構中越靠上，概念的抽象層次就越高，也越接近問題領域；體系結構中位置越低，概念就越接近細節，與問題領域的關系就越少，而與解決方案領域的關系就越多。

但是，由于上方的模塊需要調用下方的模塊，所以這些上方的模塊就依賴于下方的細節。換句話說，與問題領域相關的抽象要依賴于與問題領域無關的細節！這也就是說，當實現細節發生變化時，抽象也會受到影響。而且，如果我們想復用某一個抽象的話，就必須把它依賴的細節都一起拖過去。

而在OOD中，我們希望倒轉這種依賴關系：我們創建的抽象不依賴于任何細節，而細節則高度依賴于上面的抽象。這種依賴關系的倒轉正是OOD和傳統技術之間根本的差異，也正是OOD思想的精華所在。

OOD能給我帶來什么？
問這個問題的人，腦子里通常是在想“OOD能解決所有的設計問題嗎？”沒有銀彈。OOD也不是解決一切設計問題、避免軟件危機、捍衛世界和平……的銀彈。OOD只是一種技術。但是，它是一種優秀的技術，它可以很好地解決目前的大多數軟件設計問題——當然，這要求設計者有足夠的能力。

OOD可能會讓你頭疼，因為要學會它、掌握它是很困難的；OOD甚至會讓你失望，因為它也并不成熟、并不完美。OOD也會給你帶來欣喜，它讓你可以專注于設計，而不必操心那些細枝末節；OOD也會使你成為一個更好的設計師，它能提供給你很好的工具，讓你能開發出更堅固、更可維護、更可復用的軟件。

C++是一種“真正的”面向對象編程語言嗎？
最后這個問題和我們今天的主題關系不大，不過這是一個由來已久的問題，而且以后也不一定會有合適的時機說明這個問題，所以今天一起回答了。

很多人都覺得C++缺少“真正的”面向對象語言所必須的一些特性，例如垃圾收集（garbage collection）、多分配（multiple-dispatch）之類的。但是，缺少這些特性并不影響開發者們用C++實現面向對象的設計思路。

在我看來，任何語言，只要它直接支持面向對象設計的實現，那它就是“真正的”面向對象語言。用這個標準來評價，C++是完全符合的：它直接支持繼承、多態、封裝和抽象，而這些才是面向對象最重要的。而VB和C這樣的語言不能直接支持這些（盡管可以用特殊的技巧來實現），所以不是“真正的”面向對象語言。

參考書目
[Brooks, 95] Frederick Brooks, The Mythical Man-Month, Addison-Wesley, 1995.
[Li, 02] 李維，《Delphi 6/Kylix 2 SOAP/Web Service程序設計篇》，機械工業出版社，2002年。
[Martin, 95] Robert Martin, Designing Object-Oriented C++ Applications Using the Booch Method, Prentice-Hall, 1995.
[Stroustrup, 97] Bjarne Stroustrup, The C++ Programming Language (Special Edition), Addison-Wesley, 1997.
*注：我聽見有人說“我可以用C語言實現面向對象”，不過我不希望你也會說“我喜歡這樣做法”。很明顯，如果沒有語言特性的支持，面向對象方法將寸步難行。其實結構化設計也是一樣，不過幾乎所有的編程語言都提供了對三種基本流程結構（順序，條件，以及循環）的支持，所以基本不會遇到這個問題。