【C++高级编程】（二）设计专业的C++程序

 本章内容：

• 程序设计的定义
• 程序设计的重要性
• C++程序设计的特点
• 高效C++程序设计的两个基本主题：抽象以及重用
• 不同类型的重用代码
• 代码重用的优缺点
• 重用代码的常用策略及指导原则
• 开放源代码库
• C++标准库
• C++程序设计的特定组件

（主要讲述如何利用专业的C++方法进行C++设计，磨刀不误砍柴工，在项目开始时清晰的规划设计实际上可以大幅缩短项目周期）

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 2.1 程序设计概述

1. 程序设计（软件设计）：为满足程序的功能及性能要求，而实现的结构规范
2. 设计就是规划如何编写程序
3. 通常以设计文档的形式写出设计，大多数设计文档的常见布局类似，包括两个主要的部分：

• • 将总的程序分为子系统，包括子系统间的界面及依赖关系、子系统间的数据流、每个子系统的输入输出及通用线程模型；
  • 每个子系统的详情，包括类的细分、类的层次结构、数据结构、算法、具体的线程模型及错误处理的细节

 4. 设计文档通常包括图及表格，以显示子系统交互关系及类层次结构

• • 设计的关键是在写程序前进行思考，而不要一头扎进应用程序
  • 如在写代码时遇到问题，修改设计是不可避免的

 

2.2 程序设计的重要性

1.  很重要
2.  程序的子系统并不是孤立存在的——子系统彼此有联系；大部分的设计工作都用来判断和定义这些关系

 

2.3 C++设计的特点

• 具有庞大的功能集
  • 是C语言的超集，此外还有类和对象、运算符重载、异常、模板及其他功能
• 是一门面向对象语言
• 有许多设计通用的、可重复使用代码的工具
• 提供了有用的标准库
• 提供了许多设计模式或解决问题的通用方法

 

2.4 C++设计的两个原则

 C++设计的两个基本原则：抽象、重用，这两个原则几乎贯穿高效C++程序设计所有领域

 

2.4.1 抽象

1. 抽象的作用：可以直接使用代码而不必了解底层实现

• 如：直接调用在 <cmath> 头文件中声明的 sqrt() 函数，而不需要知道该函数求平方根的实际所用算法
• 如：直接使用 cout 插入运算符 (<<) 已经写好的公有接口进行输出，而不用了解 cout 是怎么将文本输出到屏幕的； cout 的底层实现可以随意改动，只有公开的行为及接口保持不变即可

2. 在设计中使用抽象

•  例如，一个国际象棋的程序：

  //使用一个指向 ChessPiece 对象的二维指针数组，实现象棋的棋盘
  
  ChessPiece* chessBoard[8][8];
  ChessBoard[0][0] = new Rook();

   

• 但上面这种方法并没有用到抽象概念，更好的方法是用类建立棋盘模型（这样就可以公开接口，并隐藏底层的实现细节）：

  //建立 ChessBoard 类
  
  class ChessBoard
  {
      public:
          // 这里放方法
          void setPieceAt(ChessPiece* piece, int x, int y);
  
          ChessPiece& getPieceAt(int x, int y);
          //getPieceAt()函数返回了一个引用，建议底层实现使用指向对象的指针或智能指针，而不要将对象直接存在集合中，以避免一些奇奇怪怪的bug
  
          bool isEmpty(int x, int y); 
  
      protected:
           // 这里放属性 
  }

   

  注意：接口并不决定底层实现方式，改变实现并不需要改变接口（实现还可以根据需求提供更多的功能）

 

 2.4.2 重用

•  不必重新造轮子，只需要修改这些轮子并添加必要的功能

 

1. 重用代码

•  使用已有的代码
• 如：使用 cout 输出的时候就已经在重用代码了。我们没有编写真正将数据输出到屏幕上的代码，而是使用了已有的 ostream 实现输出

 

2. 编写可供重用的代码

• 使用类、算法、数据结构...以供重用
• 在C++中，模板是一种编写多用途代码的语言技术：

  //在此编写了一个可以用于任何二维棋盘游戏类型的泛型GameBoard：
  template <typename PieceType>
  class GameBoard
  {
      public:
          // 这里放方法
          void setPieceAt(PieceType* piece, int x, int y);
          PieceType& getPieceAt(int x, int y);
          bool isEmpty(int x, int y);
  
      protected:
          // 这里放属性
  }

  注意：只需要修改类的声明，在接口中将棋子作为模板参数而不是固定类型

 

2.5 重用代码

•  好的 C++ 程序员不会从零开始启动一个项目，而是利用各种资源提供的代码（如：标准模板库、开放源代码库、公司专用代码、以前的项目），大胆地重用代码

 

 2.5.1 关于术语的说明

•  有三种可以重用的代码：
  • 过去编写的代码
  • 同事编写的代码
  • 所在公司以外的第三方编写的代码
•  可以通过以下几种方式来构建：
  • 独立的函数 / 类
  • 库
  • 框架
•  程序使用库，但会适应框架。库提供了特定功能，而框架是程序设计和结构构建的基础
• 应用程序编程接口（API）是库或代码为特定目的提供的接口（并非库本身，库指的是实现，而 API 指的是库的公开接口）

 

2.5.2 决定是否重用代码

•  重用代码的优点：
  • 简化设计（被重用的应用程序组件不需要进行设计）
  • 不需要测试（一般认为库代码是没有bug的）
  • 库可以检测用户的错误输入（给出提示）
  • 安全性更高（某领域大佬编写的代码更安全）
  • 库代码会持续改进更新
•  重用代码的缺点：
  • 需要花时间理解接口及其正确用法
  • 库代码提供的功能与需求功能未必完全吻合
  • 一般来说，库代码的性能可能不会太好，不适应于特定场合，或根本没有对应文档记录
  • 库版本的升级可能会引发新的bug
  • 当产品过于依赖第三方库，而库的开发人员又停止了对库的支持
  • 库还涉及许可证发放问题
  • 还需要考虑跨平台的可移植性（跨平台的应用程序要使用可移植的库）

 

2.5.3 重用代码的策略

1.  理解功能及限制因素
   • 可以从文档、公开的接口或 API 开始理解代码的运行方式，如果库没有将接口及实现明确分离，可能还要研究源代码
   • 首先应该理解基本功能：　　
     • 如果是库，该库可以提供哪些行？
     • 如果是框架，代码如何适应这个框架？
     • 应该编写哪些类的子类？需要自己编写哪些代码
   • 对于任何库或框架：
     • 库或框架需要什么样的初始化调用？需要什么样的清理？
     • 库或框架依赖于其他哪些库？
     • 对于多线程程序而言，代码是否安全？
   • 对于任何库调用：
     • 如果某个调用返回一个内存指针，谁负责内存的释放（调用者还是库）？如果库对此负责，什么时候释放内存？是否可以使用智能指针管理由库分配的内存？
     • 库调用检查哪些错误情况？此时做出了什么假定？如何处理错误？如何提醒客户端程序发生了错误？应避免使用弹出消息对话框、将消息传递到 stderr / cerr 或者 stdout / cout 以及终止程序的库
     • 某个调用的全部返回值（按值或按引用）有哪些？所有可能抛出的异常有哪些？
   • 关于框架：
     • 如果从某个类继承，应该调用哪个构造函数？应该重写哪些虚方法？
     • 程序员负责释放哪些内存？框架负责释放哪些内存？
2. 理解性能
   • 对代码提供性能保障
3. 大O表示法
   • 大O表示相对性能而不是绝对性能，将算法的运行时间表示为输入量的函数，就是常说的算法复杂度

     算法复杂度	大O表示法	说明	举例
     常数	O(1)	运行时间与输入量无关	访问数组中的某个元素
     对数	O(logn)	运行时间是输入量对数的函数	使用二分法查找有序列表中的元素
     线性	O(n)	运行时间与输入量成正比	在未排序的列表中查找元素
     线性对数	O(n logn)	运行时间是输入量对数函数的线性倍函数	归并排序
     二次方	O(n2)	运行时间是输入量的平方函数	较慢的排序算法（如选择排序法）

   • 用输入量的函数（而非绝对数字）表示性能的好处：
     • 独立于平台（在不同计算机平台上加载相同负荷也可以显而易见的比较算法性能）
     • 可以用一种方法表示算法所有可能的输入（如果用秒来表示算法所需特定时间，那么该时间只针对于特定输入，对于另外的输入则毫无意义）
4. 理解性能的几点提示
   • 使用大O表示法表示性能时，需要考虑以下问题：
     • 当数据量加倍时，算法所需的时间也会加倍，如果算法访问了不必要的磁盘，虽然不会影响大O表示法，但性能变得一塌糊涂
     • 因此也很难比较出两个相同大O运行时间的算法孰优孰劣
     • 而对于小规模的输入量，O(n²)算法的实际执行性能可能要优于O(logn)
   • 除了考虑算法的大O特性外，还需要考虑算法性能的其他方面：
     • 重点考虑某段特定库代码的使用频率（90/10法则：90%运行时间花费在10%的代码上）
     • 不要信任文档，一定要运行性能测试来判断库代码是否提供了可接受的性能
5. 理解平台限制
   • 平台不仅包括不同的操作系统，还包括同一操作系统的不同版本（如：能在8.0版本上运行的库未必能在9.0上运行）
6. 理解许可证及支持
   • 有时使用第三方供应商提供的库必须支付许可证费用，可能还有其他许可限制
7. 寻求帮助
   • 首先参考库自带的文档，相关书籍，web（但不一定对）
8. 原型
   • 首次使用某个新库或框架时，可以编写一个快速原型测试库，以最快熟悉库功能及限制

 

 2.5.4 开放源代码库

• 开放源代码库是一种日益流行的可重用代码类型
• 开放源代码（open-source）通常意味着任何人都可以查看源代码

 

2.5.5 C++标准库

•  标准库并不是整体式库的，它分为几个完全不同的组件
• C标准库：由于C++是C的超集，因此一些C库的工具在C++中依然有效，包括：
• 数学函数：abs()、sqrt()、pow()
• 随机生成数函数：srand()、rand()
• 错误处理辅助程序：assert()、errno
• 将字符数组作为字符串操作：strlen()、strcpy()
• C风格的 I/O 函数：printf()、scanf()
• 此外还需要注意，C头文件名称与C++不同
• 判断是否使用STL
  • 设计标准库时优先考虑的是：功能、性能、正交性(orthogonality)