Effective C++ 学习笔记 条款23 宁以non-member、non-friend替换member函数

想象有个class用来表示网页浏览器。这样的class可能提供的众多函数中,有一些用来清除下载元素高速缓存区(cache of downloaded elements)、清除访问过的URLs的历史记录(history of visited URLs)、以及移除系统中的所有cookies:

class WebBrowser
{
public:// ...void clearCache();void clearHistory();void removeCookies();// ...
};

许多用户会想一整个执行所有这些动作,因此WebBrowser也提供这样一个函数:

class WebBrowser
{
public:// ...void clearEverything();    // 调用clearCache、clearHistory、removeCookies// ...
};

当然,这一机能也可由一个non-member函数调用适当的member函数而提供出来:

void clearBrowser(WebBrowser &wb)
{wb.clearCache();wb.clearHistory();wb.removeCookies();
}

那么,哪一个比较好呢?是member函数clearEverything还是non-member函数clearBrowser?

面向对象守则要求,数据以及操作数据的那些函数应该被捆绑在一块,这意味它建议member函数是较好的选择。不幸的是这个建议不正确。这是基于对面向对象真实意义的一个误解。面向对象守则要求数据应该尽可能被封装,然而与直观相反地,member函数clearEverything带来的封装性比non-member函数clearBrowser低。此外,提供non-member函数可允许对WebBrowser相关机能有较大的包裹弹性(packaging flexibility),而那最终导致较低的编译相依度,增加WebBrowser的可延伸性。因此在许多方面non-member做法比member做法好。重要的是,我们必须了解其原因。

让我们从封装开始讨论。如果某些东西被封装,它就不再可见。愈多东西被封装,愈少人可以看到它。而愈少人看到它,我们就有愈大的弹性去变化它,因为我们的改变仅仅直接影响看到改变的那些人事物。因此,愈多东西被封装,我们改变那些东西的能力也就愈大。这就是我们首先推崇封装的原因:它使我们能够改变事物而只影响有限客户。

现在考虑对象内的数据。愈少代码可以看到数据(也就是访问它),愈多的数据可被封装,而我们也就愈能自由地改变对象数据,例如改变成员变量的数量、类型等等。如何量测“有多少代码可以看到某一块数据”呢?我们计算能够访问该数据的函数数量,作为一种粗糙的量测。愈多函数可访问它,数据的封装性就愈低。

条款22曾说过,成员变量应该是private,因为如果它们不是,就有无限量的函数可以访问它们,它们也就毫无封装性。能够访问private成员变量的函数只有class的member函数加上friend函数而已。如果你要在一个member函数(它不只可以访问class内的private数据,也可以取用private函数、enums、typedefs等等)和一个non-member non-friend函数(它无法访问上述任何东西)之间做抉择,而且两者提供相同机能,那么,导致较大封装性的是non-member non-friend函数,因为它并不增加“能够访问class内之private成分”的函数数量。这就解释了为什么clearBrowser(一个non-member non-friend函数)比clearEverything(一个member函数)更受欢迎的原因:它导致WebBrowser class有较大的封装性。

在这一点上有两件事情值得注意。第一,这个论述只适用于non-member non-friend函数。friend函数对class private成员的访问权力和member函数相同,因此两者对封装的冲击力道也相同。从封装的角度看,这里的选择关键并不在member和non-member函数之间,而是在member和non-member non-friend函数之间(当然,封装并非唯一考虑,条款24解释当我们考虑隐式类型转换,应该在member和non-member函数之间抉择)。

第二件值得注意的事情是,只因在意封装性而让函数“成为class的non-member”,并不意味着它“不可以是另一个class的member”。这对那些习惯于“所有函数都必须定义于class内”的语言(如Eiffel、Java、C#)的程序员而言,可能是个温暖的慰藉。例如我们可以令clearBrowser成为某工具类(utility class)的一个static member函数。只要它不是WebBrowser的一部分(或成为其friend),就不会影响WebBrowser的private成员封装性。

在C++,比较自然的做法是让clearBrowser成为一个non-member函数并且位于WebBrowser所在的同一个namespace(命名空间)内:

namespace WebBrowserStuff
{class WebBroser{// ...};void clearBrowser(WebBrowser &wb);// ...
}

然而这不只是为了看起来自然而已。要知道,namespace和class不同,前者可以跨越多个源码文件而后者不能。这很重要,因为像clearBrowser这样的函数是个“提供便利的函数”,如果它既不是member也不是friend,就没有对WebBrowser的特殊访问权力,也就只能提供“WebBrowser客户以其他方式也能取得”的机能。举个例子,如果clearBrowser不存在,客户端就只好自行调用clearCache、clearHistory、removeCookies。

一个像WebBrowser这样的class可能拥有大量便利函数,某些与书签(bookmarks)有关,某些与打印有关,还有一些与cookies的管理有关……通常大多数客户只对其中某些感兴趣。没道理一个只对书签相关便利函数感兴趣的客户却与例如一个cookie相关便利函数发生编译相依关系。分离它们的最直接做法就是将书签相关便利函数声明于一个头文件,将cookie相关便利函数声明于另一个头文件,再将打印相关便利函数声明于第三个头文件,依此类推:

// 头文件“webbrowser.h”——这个头文件针对class WebBrowser自身及WebBrowser核心机能
namespace WebBrowserStuff
{class WebBrowser{// ...};// ...    核心机能,例如几乎所有客户都需要的non-member函数
}// 头文件“webbrowserbookmarks.h”
namespace WebBrowserStuff
{// ...    与书签相关的便利函数
}// 头文件“webbrowsercookies.h”
namespace WebBrowserStuff
{// ...    与cookie相关的便利函数
}
// ...

注意,这正是C++标准库的组织方式。标准程序库并不是拥有单一、整体、庞大的<C++StankardLibrary>头文件并在其中内含std命名空间内的每一样东西,而是有数十个头文件(<vector><algorithm><memory>等等),每个头文件声明std的某些机能。如果客户只想使用vector相关机能,他不需要#include <memory>;如果客户不想使用list,也不需要#include <list>。这允许客户只对他们所用的那一小部分系统形成编译相依(见条款13,其中讨论降低编译依存性的其他做法)。以此种方式切割机能并不适用于class成员函数,因为一个class必须整体定义,不能被分割为片片段段。

将所有便利函数放在多个头文件内但隶属同一个命名空间,意味客户可以轻松扩展这一组便利函数。他们需要做的就是添加更多non-member non-friend函数到此命名空间内。举个例子,如果某个WebBrowser客户决定写些与影像下载相关的便利函数,他只需要在WebBrowserStuff命名空间内建立一个头文件,内含那些函数的声明即可。新函数就像其他旧有的便利函数那样可用且整合为一体。这是class无法提供的另一个性质,因为class定义式对客户而言是不能扩展的。当然,客户可以派生出新class,但derived class无法访问base class中被封装的(即private)成员,于是如此的“扩展机能”拥有的只是次级身份。此外一如条款7所说,并非所有class都被设计用来作为base class。

请记住:
宁可拿non-member non-friend函数替换member函数。这样做可以增加封装性、包裹弹性和机能扩充性。

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