跟我学C++中级篇——封装对象的实践

一、对象封装

在面向对象编程中，首要的事情就是如何进行对象的封装。说的直白一些，就是如何设计类或者是结构体。许多开发者看过不少的书，也学过很多的设计方法，更看过很多别人的代码。那么如何指导自己进行对象的封装呢？
在书籍中学过设计原则如才分析过的六大原则，也从书本上知道了继承是面向对象设计的一个重要方式。还有前面提到的内联以及学习过的内存对齐、依赖注入（注意不是依赖倒置）等等，那么如何才能在对象封装的过程中灵活的运用这些知识呢？这就需要一个封装设计从整体到细节，从粗芜到精细的过程。

二、封装的过程

在对象的封装过程中，可以划分成三个层次：
1、宏观设计
需要考虑这个类的功能，它如何与其它功能类或者管理类进行交互。这里就需要考虑一些设计原则如单一职责、开闭原则、迪米特法则等 。正如前面分析的，首先从宏观要保证这个类或者结构体的功能要尽量自耦合，尽量只提供对外的输出接口（这个当然是理想的），尽量减少对内的输入接口，少继承多组合等等。
那么有人会问，这个体现在哪儿，只是一种大脑的风暴？其实这就是在前文（“架构设计杂谈”）中提到的从思想到规则产出。这就需要一些工具，如一些UML的设计工具，一些流程图的工具等等。开发者可以在这些设计的具现化过程中，把自己的思想逐步形成一个设计的实体（形成规则）。

2、局部设计
局部设计其实就是进一步的细化，在类初步被设计出来已后，如何设计对外交互接口和头文件暴露的程度就提到了日程来。一般来说，一个封装的对象（类或结构）中，函数分成两大类，一种是自用的，不对外暴露；另外一种是对外的，也就是常说的对外接口。对内的函数可以随时调整（当然这种情况还是要尽量避免），因为它只能影响自己，但对外接口一般相对是比较稳定的。所以这就要求在设计时需要考虑对外接口的控制。
接口的控制一般考虑是尽量要齐全，比如看一些库或框架时，可以看到一些从0～N（N上了十的量级）的参数。这在早期的C++程序中是不可避免的，即使到了C++11以后，仍然在模板编程中可以看到类似的一些机制。另外一个就是是否跨平台上，需要考虑ABI的兼容性设计。最后还要考虑的是，不要随便的引入其它的依赖，这个非常重要，也非常典型。举一个例子，在开发之初可能需要某个三方的库，但后来不用了，却忘记删除相关的头文件，注意是头文件，因为别的文件很容易想到就剔除了，这其实就引入了一些莫名的风险。包括可以使用依赖注入来实现一些反转控制等等。
另外一个是头文件的暴露， 这里有一个原则就是尽量不要暴露变量，只暴露接口函数。其实就是出于简单原则和安全原则了。它的实现方法也很多，如简单的抽象出一个虚接口类（但这可能就ABI无法兼容了）、Pimpl、设计一个专门的接口类等等。
还有头文件和 cpp文件的是否分享的问题，这一般就涉及到是否为模板、是否有大量的内联函数、内部类、是否普遍公用的头文件等等。模板一般是建议都写在头文件中，毕竟大多数的编译器都不支持模板的分离编译。有大量的内联函数的类一般也建议写到头文件中。其它情况自己可以根据情况斟酌。

3、细节设计
其实上面的两层设计，可能大多数开发者还是觉得没有什么实际意义，毕竟开发的程序有几个是大规模的应用，很多都是自己搞来搞去的。但下面的细节设计，就非常重要了。
a) 变量设计
变量的设计从访问限制上分为三类，public（公有）,protected（保护）,private（私有）。一般来说不涉及到继承的只考虑公有和私有两类。从主流的设计思想出发，变量一般是不建议公有的即变量一律私有化，通过接口和控制变量的访问，只有某些静态成员变量可能需要公有。
从变量的类型来说有静态、静态局部和普通变量，这个一般来说比较好区别，使用静态一般都有一些特殊的要求，比如直接暴露变量并且唯一一个，常见的就是单例。
从CV限定上来看，变量如果是一个恒定值，或者只读访问，那么使用const限制；如果是和硬件通信或者多线程通信中使用一些易变的变量 ，需要增加volatile限定。不过这里需要注意的是，有些平台对volatile有一些不同的设定。比如在WINDOWS和Linux平台上，对其的使用限定就不完全相同。但是这一个一般在嵌入式中可能更有实用性，在上层应用上，就属于小众应用了。
变量的初始化，C++11以前，少量（两个以内 ）的可以使用构造（初始化）函数内赋值，但一般是建议使用列表列表初始化；在C++11以后，增加了默认赋值，即在定义成员变量时就赋值。可以综合运用。另外还有下面提到的委托构造和继承构造。
在变量设计中还有一个比较少见但比较重要的应用就是mutable，它可以和 const函数共同使用来达到一些特殊的修改动作，要谨慎使用。
inline是C++17后才提供的，可以根据其实功能来和实际场景匹配。如果需要进行指针控制，建议使用智能指针。

b) 构造和析构函数
构造函数和析构函数原则上来说尽量少干活，特别是涉及到内存处理的工作。如果有较多的初始化的动作（包括内存分配）或者资源回收动作，建议是做一个初始化的接口和一个回收接口来进行，虽然这样看起来有些丑陋并且增加了一些工作量。之所以不建议在构造和析构函数中做较多的工作，原因就在于二者对异常的处理比较难于控制。
另外，就不得不提到委托构造和继承构造了，这都可以大大减少代码的编写量并使整个工程代码显得整洁得体。
还有一个问题就是，构造函数是不会有是否virtual的问题，但一般析构函数都会有这个虚拟的问题，换句话说，析构函数是否需要增加virtual。这个判断的很简单，如果没有继承或者继承没有虚函数，就不要用。
如果不允许类的隐式转换，可以增加explict关键字，防止编译器进行隐式类型转化。
c) 异常的处理
这包括刚刚提到的构造函数和析构函数。大家有兴趣可以查找资料来看一看这两个函数是如何控制异常的，还是比较麻烦的，不如单独拉出来处理。
d)拷贝构造和移动构造等函数何时需要编写
C++11以前是默认的四个函数，C++11后是六个，增加了移动拷贝和移动赋值。一般来说，如需要实现非构造和析构函数中的其中任何一个，就建议全写，如果可以认定不需要，就把其设置为=delete。
特别是在赋值构造函数需要处理一下自身的赋值（没啥实际意义）。

d)普通函数的限定
包括static,const,noexcept等如此这些限定，一般来说，都比较好理解。一般不允许修改的都加const，需要回传值的加引用，如果既不允许修改，变量又比较大,为了减少内存复制可以引用加const,这里重点提一个在C++11中新增的引用限定符，即类似于：

class A
{int get0() &{return a;}
int get1()&&{return a;}
int get2()const &&{return a;}};

它可以限定左右值的调用，但需要注意的是，它只能在成员函数中使用而不能应用在static函数上。
还有最常见的inline函数，一般建议是小函数，功能简单的写成inline函数。不过话说回来，这个是向编译器建议的，不是强迫的，如果设计上对性能不是要求多高可以忽略它。
e) 封装模板类
模板类比较麻烦的在一般它只在头文件里，这里需要注意的有两点，一个是模板的延迟加载，即没有显示的调用，模板不会自动生成实例；另外一个是模板的难于调试性。只要注意到这两点，一般的开发都可以比较好的适用了。
其实重点还是在于，模板的代码不容易理解，如果实际的场景中大家都不太会用模板，还是建议将其耦合到自身，不要对外暴露，或者干脆不使用模板。

最后，如果确定类不再继承，可以使用final关键字来控制类的继承。这些都是一些比较常见的封装设计的实践经验，不一定普适，但可以根据实际情况综合应用到一起，重点在如何使用它们，这才是本文的目的。
从局部开始，其实就可以在IDE或者相关工具中进行类的设计了，当然继续在UML等工具进行设计也没有问题，毕竟很多UML工具可以直接导出为类的代码。这个就看每个开发者的习惯和想法了，不必强求。

三、结构体封装的特别说明

在C++中类和结构体基本的封装方式是一致的，但由于细节的不同，还是有些不同的：
1、结构的成员均为公有
所以上面的设计中关于变量的限制，接口的限定等就没有了实际的意义

2、内存对齐和定义顺序
写过网络和硬件开发的开发者都知道，二进制流传输是有字节对齐一说的。所以在设计一些对数据量敏感或者说有要求的结构体（POD类型的类）时，需要对字节进行对齐。它有两种方式，一种是内部调整，一种是使用编译命令处理。在C/C++面试时经常遇到一些类似下面的面试题：

struct A {int d;double d1;char c;int i;double d2;bool b;
};

然后sizeof(A)的大小。然后再把一些变量的位置换一下顺序，再求一下大小。就会发现可能大小不一样。这其实就是内存对齐的原因。所以在一些对空间要求严格或者访问严格限定的情况下，就需要处理一下变量的顺序。或者在某些情况下可以干脆使用一些预编译命令，强制其内存对齐到1,比如在串口传输中，就可以使用“#pragma pack(1)”，当然不同的平台和不同的语言都不同的对齐指令或者方法，C++新标准中也提供了std::align,根据实际情况使用即可。不过，强制内存对齐一般会造成性能的损失，这个需要考虑应用场景。同时，编译器对小对象的优化也需要考虑，一般来说对于某些情况下需要限制一下对128位长度的访问变量，因为它的速度会更快一些。
另外字节对齐的原因和好处，这里就不再赘述，有兴趣可以自己查看一些资料。
做为另外两种封装枚举体和联合体，一般用得比较多的前者，但前者除了一些C++11前后的类型限定外，只增加了一些类型处理的接口，没有什么可谈的。而联合体应用的就更少了，用到后自己斟酌考虑就可以了。

四、总结

面向对象编程是一种非常广泛的编译方式，很多开发者可能对它是既了解又不了解。对一些基础的知识会用，但又不知道是否用得合适，能不能有一个标准来判定。其实这恰恰表明对面向对象编程还是掌握的不够深入。一切设计没有标准只有原则，这也意味着，实际场景下，在考虑原则的同时，更要考虑实际的需求进行适当的取舍。
最好的设计方法是没有的，只有最合适的设计方法。