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1 從過程到對象——類概念的引入 真實世界是由“對象”組成的，無論是動物、植物、工廠還是機器等，都是根據它們的特征，細分出來的對象類別。盡管在軟件設計時，更多時候我們面對的是經過高度抽象化的模型，但最終需要解決的還是真實世界中的問題。因此，如果能夠在軟件設計中按照對象來進行建模，將更加契合真實世界的情況，有利于解決高度復雜的實際問題。典型的過程化程序設計語言，如C語言，其程序設計更傾向于面向過程，以函數為基本單位。這在自頂向下設計方法深入人心的今天，往往有些力不從心，因為它很難恰如其分地模擬真實世界。 對于C++語言來說，設計的基本單位是類。類是邏輯上相關的函數與數據的封裝，它是對所要處理的問題的抽象描述。引入了類概念的面向對象程序設計語言 C++具有更高的代碼集成度，從而更適合用于大型復雜程序的開發。而由類產生的基類、繼承、派生、模板等概念，更是極大地豐富了軟件工程師解決問題的手段。如此強大的概念，如若使用不當，必然帶來許多意想不到的隱患。為此MISRA C++：2008中專門討論了與類使用相關的問題，簡單舉例如下。 規則10-1-3(強制)： 同一層級的某個基類不允許既是虛基類又是非虛基類。 這是因為，如果一個基類在多重繼承層次中既是虛類型，又是非虛類型，則在派生出來的相應對象中將至少有2個該基類的子對象拷貝。這可能與開發人員的理解不一致。為了更好說明這個問題，請看下面的程序： 
上述程序中，由于B1、B2是對A的public virtual繼承，而B3是對A的public繼承。因此，對于C而言，將保有A的2個子對象拷貝，造成不必要的冗繁，并隱含造成開發人員誤解的危險因素。所以，雖然這段程序在語法上是沒有錯誤的，但是出于程序安全性角度的考慮，這種使用方法被MISRA C++：2008所禁止。 我們知道，通過將數據(屬性)和函數(行為)封裝在稱為對象的包中，可以實現數據和函數的緊密聯系，構成對象對信息的隱藏性。這樣，盡管對象知道怎樣通過定義好的接口實現相互的通信，但是對象通常并不知道其他對象是怎樣實現的，對象的細節隱藏在對象的內部。而同一類對象則具有相同的特點，新建立的對象通過繼承現有類的特征而派生出來，同時可以包含各自獨有的特點。 也就是說，“類”很好地解決了2個問題：程序模塊化封裝的實現，以及合理提高代碼的利用率。對于軟件設計者之外的用戶而言，每一個對象都是給出了特定接口的“黑盒子”；而對于特定的數據結構，經過單一定義之后，就可以借用繼承主體、修改細節的手段，來實現重復利用。如此高效的統籌兼顧，源于“類”這個嶄新概念的引入。然而這種高效也需要嚴格的規范來保證，否則會帶來意想不到的隱患。為此MISRA C++：2008從類、派生類、成員訪問的控制、特殊的成員函數以及模板這幾個方面進行了詳細的討論，并出于安全角度考慮，提出了一系列規則。下面就結合 MISRA C++：2008中的相關規則，對這2個問題作進一步闡述。 2 統——數據與代碼的封裝 對象的獨立性是通過封裝實現的，這是指將抽象得到的數據成員和代碼成員相結合，形成一個統一的有機整體，也就是說，將數據與操作數據的行為進行有機的結合、統一。 通過封裝，一部分成員作為類與外部的接口，其他成員則被很好地隱蔽起來，以實現對數據訪問權限的合理控制，使程序中不同部分之間的相互影響減小到最低。這樣可以達到增強安全性和簡化程序編寫工作的目的。但是在進行封裝時，疏忽一些細節可能會得到與程序設計者初衷相去甚遠的結果，看下面的例子。 規則9-3-1(強制)： 常量類型的成員函數不允許返回非常量類型的指針或對類數據的引用。 當對象被聲明為常量型的類時，只有該類的常量成員函數能被人們調用。當調用常量成員函數時，人們一般認為將不會改變對象的狀態。然而，當常量類型的函數返回1個指向類數據的非常量指針或者對類數據的引用時，理論上將允許改變對象的狀態。這是程序設計者不希望看到的。 作為保護數據、實現模塊化編程的手段，一個完全無法被外部訪問的“封裝”是沒有意義的。因此在利用封裝來限制對對象的修改操作時，必須留出必要的“接口”。這些接口通常必須以對象的成員函數的形式給出，否則可能會破壞封裝的效果。再看下面的例子。 規則9-3-2(強制)： 成員函數不允許返回對于類數據的非常量的旬柄。 利用類的成員函數構建類的訪問接口時，可以就對象狀態是如何被修改的保留更多的控制能力，同時可以實現在對類進行維護時不會受到用戶的影響。返回類數據的句柄，將使得用戶可以不經過類的接口而對類的狀態進行修改，從而破壞了封裝。 而合理的做法如下所述。 規則9-3-3(強制)： 將成員函數聲明為static或者const類型。 這是因為，將成員函數聲明為static或者const類型，可以限制對于其非靜態數據成員的訪問，從而避免無意識下對數據進行的修改。 每一個對象都有和簡單變量類似的建立過程，我們希望也能夠像對待普通變量那樣，當通過聲明語句分配內存空間之后，立即寫入特定的數據。但由于對象的復雜性以及封裝需求決定了直接賦值不可行，為此C++嚴格規定了初始化程序的接口形式，并有一套自動的調用機制。這里所說的初始化程序就是構造函數，這個特殊的成員函數以及與之對應的析構函數，需要在封裝時給予特別的注意。 規則12-1-1(強制)： 對象的動態類型不允許在其構造函數或者析構函數體內被調用。 在對象的構造和析構過程中，它最終的類型可能會與完整構造的對象不一樣。在構造函數或者析構函數中使用對象的動態類型，將可能與開發人員的預期不一致。對象的動態類型使用在如下的結構中： ◆典型的具有虛函數或者其基類中具有虛函數； ◆dynamic_cast； ◆對于虛函數的虛調用。 此規則同樣禁止由構造函數和析構函數產生的對純虛函數的調用。那樣的調用將導致未定義的行為。下面來看一個較為特殊的函數——拷貝構造函數，以結束對封裝的討論。 拷貝構造函數是一種特殊的構造函數，其形參是本類的對象的引用。其作用是使用1個已經存在的對象(由拷貝構造函數的參數指定的對象)去初始化1個新的同類的對象。 規則12-8-1(強制)： 拷貝構造函數只允許對基類以及它所在類的非靜態成員進行初始化。 如果編譯器接口發現1個對拷貝構造函數的調用是冗余的，它將忽略該函數調用。即使拷貝構造函數在構造對象之外還有其他功能，也不例外。這稱作拷貝省略。因此當修改程序狀態的次數不能確定時，保證不使用拷貝構造函數修改程序的狀態，就顯得極為重要。相關例程如下：
上述例子里，在所有函數調用之后，m_static的數值由使用的是何種編譯器來決定，不是明確的值。這種不確定因素很可能帶來嚴重的安全隱患，顯然不是我們希望看到的。 3 籌——概念與代碼的重復利用 運籌學中一個經典的例子是：用2個鍋同時煎雞蛋，每個雞蛋要煎2面，每煎1面1分鐘，問煎好3個雞蛋最少要多少時間?對這個簡單例子的解決過程反映了我們的思考習慣：面對新事物新問題時，首先考慮的是如何充分利用現有的工具和概念，如果需要的話，在此基礎上作盡可能小的改動。繼承與派生就是這種思想在 C++中的體現。 按照真實世界的情況，在軟件設計中引入了類的概念。同時我們注意到人們的特定思維習慣：當提到兩廂小轎車時，遵循著“交通工具→汽車→轎車→兩廂小轎車” 的具象化過程，而不是從螺絲釘開始想象。對于C++而言，面對新對象，首先想到的不是從成員開始重新構建它，而是去尋找這個新對象與已有對象類別的相似之處，看能不能最大限度利用已經給出定義的類來描述這個新對象。為新對象創建的特殊類，具有一般類的全部屬性與服務，稱作特殊類對一般類的繼承。1個類可以單獨存在，但是當利用繼承機制使用該類時，該類就成為給其他類提供屬性和行為的基類，或者成為繼承其他類的屬性和行為的派生類。 合理使用繼承可以顯著提高代碼的利用率。規則10－1－2(強制)： 只有在菱形結構中才允許將基類聲明為虛基類。 虛基類會引入許多未定義和潛在的容易令人混淆的特性。因此，只有當該基類在菱形繼承結構中作為公共基類時，才可以將其聲明為虛基類。
上述例程中，對于C而言，有兩個父類B1、B2，有1個祖父類A，從而A、B1、B2、C構成了典型的菱形結構。使用了虛基類的菱形結構里，對象的內存布局中只有1個A，即祖父類的部分只有1份，且放在最后面，排放順序是B1+B2+C+A。如果沒有用虛繼承機制，那么在C對象的內存布局中會出現2份A部分，這也就是所謂的V型繼承。相應的對象布局為A+B1+A+B2+C。在V型繼承中不能直接從C(即孫子類)直接轉型到A(即祖父類)因為在對象的布局中有2份祖父類的實體，分別從B1、B2而來。編譯器在決議時會存在二義性，它不知道轉型后到底用哪一份實體�？梢酝ㄟ^先轉型到某一父類，然后再轉型到祖父類來解決。但使用這種方法時，如果改寫了祖父類的成員變量的內容，runtime不會同步2個祖父類實體的狀態，因此可能會有語義錯誤。 多繼承結構允許1個對象繼承來自不同對象的特征，但也會帶來新的問題。我們看下面的規則。規則10-2-1(推薦)： 多繼承層級中，可訪問的實體名稱應當是相互獨立、不同的。如果名稱含混不清，編譯器將報告名稱沖突，同時不會武斷生成不符合預期的代碼。但是這種含混不清對于開發者來說，并不容易察覺。當成員函數是虛函數時，還有一個需要特別注意的地方：通過explicitly引用基類來解決名稱含混的問題，將會去除函數的“虛”特性。對于本條規則也有例外的情況，比如：相關的重載函數應當看作具有相同的入口。相關說明程序如下：
上述程序定義D時，無法分辨成員中的count和foo()到底來自B1還是B2，造成了不必要的困擾。代碼重用的目的是按不同方式重復使用代碼來實現類、結構、函數等，這就要求代碼必須是通用的，且通用代碼不受使用數據類型和操作的影響，即無論使用什么數據類型通用代碼都是不變的。于是C++提出了類模板的概念：類模版可以為類聲明1種模式，使得類中的某些數據成員、某些成員函數的參數、某些成員函數的返回值能取任意類型。MISRA C++：2008就模板的使用也給出了詳細的規則。 規則14-5-2(強制)： 當具有單參數的模版構造函數時，必須聲明拷貝構造函數。 與開發人員預期的不同，模版的構造函數不會禁止編譯器生成拷貝構造函數。這樣當成員函數要求進行深拷 貝的時候，可能會導致不正確的拷貝語句被執行。這樣的問題往往在程序設計初期不會引起重視，等到面對莫名其妙的問題時，再回過頭來尋找原因，只能一籌莫展。如果在程序設計時就遵循MISRA C++：2008中相關的規則，自然可以避免這樣的困擾。 4 小結 本文是學習MISRA C++系列連載講座之三。從“統籌兼顧”的角度和大家一起學習討論了MISRA C++：2008中關于類、派生類、成員訪問的控制、特殊的成員函數以及模版的相關規則。其中有意思的例子還有很多，限于篇幅，就不一一展開敘述了。請繼續關注本系列講座的第4講：異常機制的使用。 參考文獻 1. Motor Industry Research Association.MISRA-C++:2008Guidelines for the use of the C++language in critical systems[M].Nuneaton:MIRA Limted,2008. 2. ISO/IEC.ISO/IEC 14882:zoos[S].New York:American National Standards Institute,2003. 3. Motor Industry Research Association.MISRA Development Guidelines for Vehicle Based Software[M].Nuneaton:MIRA Limted,1994. 4. Deitel H M,Deitel P J.C++程序設計教程[M].薛萬鵬,等譯.北京:機械工業出版社,2000. 5. 鄭莉,董淵.C++語言程序設計[M].2版.北京:清華大學出版社,2001. 作者：清華大學 林軼 邵貝貝 來源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（11） |
