设计模式之美学习(四)

2019.11.15 10:48 0

除了面向对象之外,被大家熟知的编程范式还有另外两种,面向过程编程和函数式编程。面向过程这种编程范式随着面向对象的出现,已经慢慢退出了舞台,而函数式编程目前还没有被广泛接受。

在工作中,很多人搞不清楚面向对象和面向过程的区别,总以为使用面向对象编程语言来做开发,就是在进行面向对象编程了。而实际上,他们只是在用面向对象编程语言,编写面向过程风格的代码而已,并没有发挥面向对象编程的优势。这就相当于手握一把屠龙刀,却只是把它当作一把普通的刀剑来用,相当可惜。

什么是面向过程编程与面向过程编程语言?

我们可以对比着面向对象编程和面向对象编程语言这两个概念,来理解面向过程编程和面向过程编程语言。还记得之前是如何定义面向对象编程和面向对象编程语言的吗?让我们一块再来回顾一下。

  • 面向对象编程是一种编程范式或编程风格。它以类或对象作为组织代码的基本单元,并将封装、抽象、继承、多态四个特性,作为代码设计和实现的基石 。

  • 面向对象编程语言是支持类或对象的语法机制,并有现成的语法机制,能方便地实现面向对象编程四大特性(封装、抽象、继承、多态)的编程语言。

类比面向对象编程与面向对象编程语言的定义,对于面向过程编程和面向过程编程语言这两个概念,给出下面这样的定义。

  • 面向过程编程也是一种编程范式或编程风格。它以过程(可以为理解方法、函数、操作)作为组织代码的基本单元,以数据(可以理解为成员变量、属性)与方法相分离为最主要的特点。面向过程风格是一种流程化的编程风格,通过拼接一组顺序执行的方法来操作数据完成一项功能。

  • 面向过程编程语言首先是一种编程语言。它最大的特点是不支持类和对象两个语法概念,不支持丰富的面向对象编程特性(比如继承、多态、封装),仅支持面向过程编程。

不过,这里必须声明一下,就像我们在之前讲到的,面向对象编程和面向对象编程语言并没有官方的定义一样,这里我给出的面向过程编程和面向过程编程语言的定义,也并不是严格的官方定义。之所以要给出这样的定义,只是为了跟面向对象编程及面向对象编程语言做个对比,以方便你理解它们的区别。

定义不是很严格,也比较抽象,所以,我再用一个例子进一步解释一下。假设我们有一个记录了用户信息的文本文件 users.txt,每行文本的格式是 name&age&gender(比如,小王 &28& 男)。我们希望写一个程序,从 users.txt 文件中逐行读取用户信息,然后格式化成 name\tage\tgender(其中,\t 是分隔符)这种文本格式,并且按照 age 从小到达排序之后,重新写入到另一个文本文件 formatted_users.txt 中。针对这样一个小程序的开发,我们一块来看看,用面向过程和面向对象两种编程风格,编写出来的代码有什么不同。

首先,我们先来看,用面向过程这种编程风格写出来的代码是什么样子的。注意,下面的代码是用 C 语言这种面向过程的编程语言来编写的。

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struct User {
char name[64];
int age;
char gender[16];
};

struct User parse_to_user(char* text) {
// 将text(“小王&28&男”)解析成结构体struct User
}

char* format_to_text(struct User user) {
// 将结构体struct User格式化成文本("小王\t28\t男")
}

void sort_users_by_age(struct User users[]) {
// 按照年龄从小到大排序users
}

void format_user_file(char* origin_file_path, char* new_file_path) {
// open files...
struct User users[1024]; // 假设最大1024个用户
int count = 0;
while(1) { // read until the file is empty
struct User user = parse_to_user(line);
users[count++] = user;
}

sort_users_by_age(users);

for (int i = 0; i < count; ++i) {
char* formatted_user_text = format_to_text(users[i]);
// write to new file...
}
// close files...
}

int main(char** args, int argv) {
format_user_file("/home/zheng/user.txt", "/home/zheng/formatted_users.txt");
}

然后,我们再来看,用面向对象这种编程风格写出来的代码是什么样子的。注意,下面的代码是用 Java 这种面向对象的编程语言来编写的。

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public class User {
private String name;
private int age;
private String gender;

public User(String name, int age, String gender) {
this.name = name;
this.age = age;
this.gender = gender;
}

public static User praseFrom(String userInfoText) {
// 将text(“小王&28&男”)解析成结构体struct User
}

public String formatToText() {
// 将结构体struct User格式化成文本("小王\t28\t男")
}
}

public class UserFileFormatter {
public void format(String userFile, String formattedUserFile) {
// Open files...
List users = new ArrayList<>();
while (1) { // read until file is empty
// read from file into userText...
User user = User.parseFrom(userText);
users.add(user);
}
// sort users by age...
for (int i = 0; i < users.size(); ++i) {
String formattedUserText = user.formatToText();
// write to new file...
}
// close files...
}
}

public class MainApplication {
public static void main(Sring[] args) {
UserFileFormatter userFileFormatter = new UserFileFormatter();
userFileFormatter.format("/home/zheng/users.txt", "/home/zheng/formatted_users.txt");
}
}

从上面的代码中,我们可以看出,面向过程和面向对象最基本的区别就是,代码的组织方式不同。面向过程风格的代码被组织成了一组方法集合及其数据结构(struct User),方法和数据结构的定义是分开的。面向对象风格的代码被组织成一组类,方法和数据结构被绑定一起,定义在类中。

面向对象编程相比面向过程编程有哪些优势?

为什么面向对象编程晚于面向过程编程出现,却能取而代之,成为现在主流的编程范式?面向对象编程跟面向过程编程比起来,到底有哪些优势?

1.OOP 更加能够应对大规模复杂程序的开发

对于简单程序的开发来说,不管是用面向过程编程风格,还是用面向对象编程风格,差别确实不会很大,甚至有的时候,面向过程的编程风格反倒更有优势。因为需求足够简单,整个程序的处理流程只有一条主线,很容易被划分成顺序执行的几个步骤,然后逐句翻译成代码,这就非常适合采用面向过程这种面条式的编程风格来实现。

但对于大规模复杂程序的开发来说,整个程序的处理流程错综复杂,并非只有一条主线。如果把整个程序的处理流程画出来的话,会是一个网状结构。如果我们再用面向过程编程这种流程化、线性的思维方式,去翻译这个网状结构,去思考如何把程序拆解为一组顺序执行的方法,就会比较吃力。这个时候,面向对象的编程风格的优势就比较明显了。

面向对象编程是以类为思考对象。在进行面向对象编程的时候,我们并不是一上来就去思考,如何将复杂的流程拆解为一个一个方法,而是采用曲线救国的策略,先去思考如何给业务建模,如何将需求翻译为类,如何给类之间建立交互关系,而完成这些工作完全不需要考虑错综复杂的处理流程。当我们有了类的设计之后,然后再像搭积木一样,按照处理流程,将类组装起来形成整个程序。这种开发模式、思考问题的方式,能让我们在应对复杂程序开发的时候,思路更加清晰。

除此之外,面向对象编程还提供了一种更加清晰的、更加模块化的代码组织方式。比如,我们开发一个电商交易系统,业务逻辑复杂,代码量很大,可能要定义数百个函数、数百个数据结构,那如何分门别类地组织这些函数和数据结构,才能不至于看起来比较凌乱呢?类就是一种非常好的组织这些函数和数据结构的方式,是一种将代码模块化的有效手段。

实际上,利用面向过程的编程语言照样可以写出面向对象风格的代码,只不过可能会比用面向对象编程语言来写面向对象风格的代码,付出的代价要高一些。而且,面向过程编程和面向对象编程并非完全对立的。很多软件开发中,尽管利用的是面向过程的编程语言,也都有借鉴面向对象编程的一些优点。

2.OOP 风格的代码更易复用、易扩展、易维护

面向过程编程是一种非常简单的编程风格,并没有像面向对象编程那样提供丰富的特性。而面向对象编程提供的封装、抽象、继承、多态这些特性,能极大地满足复杂的编程需求,能方便我们写出更易复用、易扩展、易维护的代码。为什么这么说呢?

首先,我们先来看下封装特性。封装特性是面向对象编程相比于面向过程编程的一个最基本的区别,因为它基于的是面向对象编程中最基本的类的概念。面向对象编程通过类这种组织代码的方式,将数据和方法绑定在一起,通过访问权限控制,只允许外部调用者通过类暴露的有限方法访问数据,而不会像面向过程编程那样,数据可以被任意方法随意修改。因此,面向对象编程提供的封装特性更有利于提高代码的易维护性。

其次,我们再来看下抽象特性。我们知道,函数本身就是一种抽象,它隐藏了具体的实现。我们在使用函数的时候,只需要了解函数具有什么功能,而不需要了解它是怎么实现的。从这一点上,不管面向过程编程还是是面向对象编程,都支持抽象特性。不过,面向对象编程还提供了其他抽象特性的实现方式。这些实现方式是面向过程编程所不具备的,比如基于接口实现的抽象。基于接口的抽象,可以让我们在不改变原有实现的情况下,轻松替换新的实现逻辑,提高了代码的可扩展性。

再次,我们来看下继承特性。继承特性是面向对象编程相比于面向过程编程所特有的两个特性之一(另一个是多态)。如果两个类有一些相同的属性和方法,我们就可以将这些相同的代码,抽取到父类中,让两个子类继承父类。这样两个子类也就可以重用父类中的代码,避免了代码重复写多遍,提高了代码的复用性。

最后,我们来看下多态特性。基于这个特性,我们在需要修改一个功能实现的时候,可以通过实现一个新的子类的方式,在子类中重写原来的功能逻辑,用子类替换父类。在实际的代码运行过程中,调用子类新的功能逻辑,而不是在原有代码上做修改。这就遵从了“对修改关闭、对扩展开放”的设计原则,提高代码的扩展性。除此之外,利用多态特性,不同的类对象可以传递给相同的方法,执行不同的代码逻辑,提高了代码的复用性。

所以说,基于这四大特性,利用面向对象编程,我们可以更轻松地写出易复用、易扩展、易维护的代码。当然,我们不能说,利用面向过程风格就不可以写出易复用、易扩展、易维护的代码,但没有四大特性的帮助,付出的代价可能就要高一些。

3.OOP 语言更加人性化、更加高级、更加智能

人类最开始跟机器打交道是通过 01 这样的二进制指令,然后是汇编语言,再之后才出现了高级编程语言。在高级编程语言中,面向过程编程语言又早于面向对象编程语言出现。之所以先出现面向过程编程语言,那是因为跟机器交互的方式,从二进制指令、汇编语言到面向过程编程语言,是一个非常自然的过渡,都是一种流程化的、面条式的编程风格,用一组指令顺序操作数据,来完成一项任务。

从指令到汇编再到面向过程编程语言,跟机器打交道的方式在不停地演进,从中我们很容易发现这样一条规律,那就是编程语言越来越人性化,让人跟机器打交道越来越容易。笼统点讲,就是编程语言越来越高级。实际上,在面向过程编程语言之后,面向对象编程语言的出现,也顺应了这样的发展规律,也就是说,面向对象编程语言比面向过程编程语言更加高级!

跟二进制指令、汇编语言、面向过程编程语言相比,面向对象编程语言的编程套路、思考问题的方式,是完全不一样的。前三者是一种计算机思维方式,而面向对象是一种人类的思维方式。我们在用前面三种语言编程的时候,我们是在思考,如何设计一组指令,告诉机器去执行这组指令,操作某些数据,帮我们完成某个任务。而在进行面向对象编程时候,我们是在思考,如何给业务建模,如何将真实的世界映射为类或者对象,这让我们更加能聚焦到业务本身,而不是思考如何跟机器打交道。可以这么说,越高级的编程语言离机器越“远”,离我们人类越“近”,越“智能”。

顺着刚刚这个编程语言的发展规律来想,如果一种新的突破性的编程语言出现,那它肯定是更加“智能”的。大胆想象一下,使用这种编程语言,我们可以无需对计算机知识有任何了解,无需像现在这样一行一行地敲很多代码,只需要把需求文档写清楚,就能自动生成我们想要的软件了。

重点回顾

1. 什么面向过程编程?什么面向过程编程语言?

实际上,面向过程编程和面向过程编程语言并没有严格的官方定义。理解这两个概念最好的方式是跟面向对象编程和面向对象编程语言进行对比。相较于面向对象编程以类为组织代码的基本单元,面向过程编程则是以过程(或方法)作为组织代码的基本单元。它最主要的特点就是数据和方法相分离。相较于面向对象编程语言,面向过程编程语言最大的特点就是不支持丰富的面向对象编程特性,比如继承、多态、封装。

2. 面向对象编程相比面向过程编程有哪些优势?

  • 面向对象编程相比起面向过程编程的优势主要有三个。
    对于大规模复杂程序的开发,程序的处理流程并非单一的一条主线,而是错综复杂的网状结构。面向对象编程比起面向过程编程,更能应对这种复杂类型的程序开发。

  • 面向对象编程相比面向过程编程,具有更加丰富的特性(封装、抽象、继承、多态)。利用这些特性编写出来的代码,更加易扩展、易复用、易维护。

  • 从编程语言跟机器打交道的方式的演进规律中,我们可以总结出:面向对象编程语言比起面向过程编程语言,更加人性化、更加高级、更加智能。

思考

面向对象编程比面向过程编程,更加容易应对大规模复杂程序的开发。但像 UnixLinux 这些复杂的系统,也都是基于 C 语言这种面向过程的编程语言开发的,怎么看待这个现象?

参考:面向对象相比面向过程有哪些优势?面向过程真的过时了吗?

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