对象的创建和存在时间

2019-11-18 12:09:48

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供稿：网友

　　从技术角度说，OOP（面向对象程序设计）只是涉及抽象的数据类型、继续以及多形性，但另一些问题也可能显得非常重要。本节将就这些问题进行探讨。
　　最重要的问题之一是对象的创建及破坏方式。对象需要的数据位于哪儿，如何控制对象的“存在时间”呢？针对这个问题，解决的方案是各异其趣的。C++认为程序的执行效率是最重要的一个问题，所以它答应程序员作出选择。为获得最快的运行速度，存储以及存在时间可在编写程序时决定，只需将对象放置在堆栈（有时也叫作自动或定域变量）或者静态存储区域即可。这样便为存储空间的分配和释放提供了一个优先级。某些情况下，这种优先级的控制是非常有价值的。然而，我们同时也牺牲了灵活性，因为在编写程序时，必须知道对象的准确的数量、存在时间、以及类型。假如要解决的是一个较常规的问题，如计算机辅助设计、仓储治理或者空中交通控制，这一方法就显得太局限了。
　　第二个方法是在一个内存池中动态创建对象，该内存池亦叫“堆”或者“内存堆”。若采用这种方式，除非进入运行期，否则根本不知道到底需要多少个对象，也不知道它们的存在时间有多长，以及准确的类型是什么。这些参数都在程序正式运行时才决定的。若需一个新对象，只需在需要它的时候在内存堆里简单地创建它即可。由于存储空间的治理是运行期间动态进行的，所以在内存堆里分配存储空间的时间比在堆栈里创建的时间长得多（在堆栈里创建存储空间一般只需要一个简单的指令，将堆栈指针向下或向下移动即可）。由于动态创建方法使对象本来就倾向于复杂，所以查找存储空间以及释放它所需的额外开销不会为对象的创建造成明显的影响。除此以外，更大的灵活性对于常规编程问题的解决是至关重要的。
　　C++答应我们决定是在写程序时创建对象，还是在运行期间创建，这种控制方法更加灵活。大家或许认为既然它如此灵活，那么无论如何都应在内存堆里创建对象，而不是在堆栈中创建。但还要考虑另外一个问题，亦即对象的“存在时间”或者“生存时间”（Lifetime）。若在堆栈或者静态存储空间里创建一个对象，编译器会判定对象的持续时间有多长，到时会自动“破坏”或者“清除”它。程序员可用两种方法来破坏一个对象：用程序化的方式决定何时破坏对象，或者利用由运行环境提供的一种“垃圾收集器”特性，自动寻找那些不再使用的对象，并将其清除。当然，垃圾收集器显得方便得多，但要求所有应用程序都必须容忍垃圾收集器的存在，并能默许随垃圾收集带来的额外开销。但这并不符合C++语言的设计宗旨，所以未能包括到C++里。但java确实提供了一个垃圾收集器（Smalltalk也有这样的设计；尽管Delphi默认为没有垃圾收集器，但可选择安装；而C++亦可使用一些由其他公司开发的垃圾收集产品）。
　　本节剩下的部分将讨论操纵对象时要考虑的另一些因素。
　　1 集合与继续器
　　针对一个特定问题的解决，假如事先不知道需要多少个对象，或者它们的持续时间有多长，那么也不知道如何保存那些对象。既然如此，怎样才能知道那些对象要求多少空间呢？事先上根本无法提前知道，除非进入运行期。
　　在面向对象的设计中，大多数问题的解决办法似乎都有些轻率——只是简单地创建另一种类型的对象。用于解决特定问题的新型对象容纳了指向其他对象的句柄。当然，也可以用数组来做同样的事情，那是大多数语言都具有的一种功能。但不能只看到这一点。这种新对象通常叫作“集合”（亦叫作一个“容器”，但AWT在不同的场合应用了这个术语，所以本书将一直沿用“集合”的称呼。在需要的时候，集合会自动扩充自己，以便适应我们在其中置入的任何东西。所以我们事先不必知道要在一个集合里容下多少东西。只需创建一个集合，以后的工作让它自己负责好了。
　　幸运的是，设计优良的OOP语言都配套提供了一系列集合。在C++中，它们是以“标准模板库”（STL）的形式提供的。Object Pascal用自己的“可视组件库”（VCL）提供集合。Smalltalk提供了一套非常完整的集合。而Java也用自己的标准库提供了集合。在某些库中，一个常规集合便可满足人们的大多数要求；而在另一些库中（非凡是C++的库），则面向不同的需求提供了不同类型的集合。例如，可以用一个矢量统一对所有元素的访问方式；一个链接列表则用于保证所有元素的插入统一。所以我们能根据自己的需要选择适当的类型。其中包括集、队列、散列表、树、堆栈等等。
　　所有集合都提供了相应的读写功能。将某样东西置入集合时，采用的方式是十分明显的。有一个叫作“推”（Push）、“添加”（Add）或其他类似名字的函数用于做这件事情。但将数据从集合中取出的时候，方式却并不总是那么明显。假如是一个数组形式的实体，比如一个矢量（Vector），那么也许能用索引运算符或函数。但在许多情况下，这样做往往会无功而返。此外，单选定函数的功能是非常有限的。假如想对集合中的一系列元素进行操纵或比较，而不是仅仅面向一个，这时又该怎么办呢？
　　办法就是使用一个“继续器”（Iterator），它属于一种对象，负责选择集合内的元素，并把它们提供给继续器的用户。作为一个类，它也提供了一级抽象。利用这一级抽象，可将集合细节与用于访问那个集合的代码隔离开。通过继续器的作用，集合被抽象成一个简单的序列。继续器答应我们遍历那个序列，同时毋需关心基础结构是什么——换言之，不管它是一个矢量、一个链接列表、一个堆栈，还是其他什么东西。这样一来，我们就可以灵活地改变基础数据，不会对程序里的代码造成干扰。Java最开始（在1.0和1.1版中）提供的是一个标准继续器，名为Enumeration（枚举），为它的所有集合类提供服务。Java 1.2新增一个更复杂的集合库，其中包含了一个名为Iterator的继续器，可以做比老式的Enumeration更多的事情。
　　从设计角度出发，我们需要的是一个全功能的序列。通过对它的操纵，应该能解决自己的问题。假如一种类型的序列即可满足我们的所有要求，那么完全没有必要再换用不同的类型。有两方面的原因促使我们需要对集合作出选择。首先，集合提供了不同的接口类型以及外部行为。堆栈的接口与行为与队列的不同，而队列的接口与行为又与一个集（Set）或列表的不同。利用这个特征，我们解决问题时便有更大的灵活性。
　　其次，不同的集合在进行特定操作时往往有不同的效率。最好的例子便是矢量（Vector）和列表（List）的区别。它们都属于简单的序列，拥有完全一致的接口和外部行为。但在执行一些特定的任务时，需要的开销却是完全不同的。对矢量内的元素进行的随机访问（存取）是一种常时操作；无论我们选择的选择是什么，需要的时间量都是相同的。但在一个链接列表中，若想到处移动，并随机挑选一个元素，就需付出“惨重”的代价。而且假设某个元素位于列表较远的地方，找到它所需的时间也会长许多。但在另一方面，假如想在序列中部插入一个元素，用列表就比用矢量划算得多。这些以及其他操作都有不同的执行效率，具体取决于序列的基础结构是什么。在设计阶段，我们可以先从一个列表开始。最后调整性能的时候，再根据情况把它换成矢量。由于抽象是通过继续器进行的，所以能在两者方便地切换，对代码的影响则显得微不足道。
　　最后，记住集合只是一个用来放置对象的储藏所。假如那个储藏所能满足我们的所有需要，就完全没必要关心它具体是如何实现的（这是大多数类型对象的一个基本概念）。假如在一个编程环境中工作，它由于其他因素（比如在Windows下运行，或者由垃圾收集器带来了开销）产生了内在的开销，那么矢量和链接列表之间在系统开销上的差异就或许不是一个大问题。我们可能只需要一种类型的序列。甚至可以想象有一个“完美”的集合抽象，它能根据自己的使用方式自动改变基层的实现方式。
　　2 单根结构
　　在面向对象的程序设计中，由于C++的引入而显得尤为突出的一个问题是：所有类最终是否都应从单独一个基础类继续。在Java中（与其他几乎所有OOP语言一样），对这个问题的答案都是肯定的，而且这个终级基础类的名字很简单，就是一个“Object”。这种“单根结构”具有许多方面的优点。
　　单根结构中的所有对象都有一个通用接口，所以它们最终都属于相同的类型。另一种方案（就象C++那样）是我们不能保证所有东西都属于相同的基本类型。从向后兼容的角度看，这一方案可与C模型更好地配合，而且可以认为它的限制更少一些。但假期我们想进行纯粹的面向对象编程，那么必须构建自己的结构，以期获得与内建到其他OOP语言里的同样的便利。需添加我们要用到的各种新类库，还要使用另一些不兼容的接口。理所当然地，这也需要付出额外的精力使新接口与自己的设计方案配合（可能还需要多重继续）。为得到C++额外的“灵活性”，付出这样的代价值得吗？当然，假如真的需要——假如早已是C专家，假如对C有难舍的情结——那么就真的很值得。但假如你是一名新手，首次接触这类设计，象Java那样的替换方案也许会更省事一些。
　　单根结构中的所有对象（比如所有Java对象）都可以保证拥有一些特定的功能。在自己的系统中，我们知道对每个对象都能进行一些基本操作。一个单根结构，加上所有对象都在内存堆中创建，可以极大简化参数的传递（这在C++里是一个复杂的概念）。
　　利用单根结构，我们可以更方便地实现一个垃圾收集器。与此有关的必要支持可安装于基础类中，而垃圾收集器可将适当的消息发给系统内的任何对象。假如没有这种单根结构，而且系统通过一个句柄来操纵对象，那么实现垃圾收集器的途径会有很大的不同，而且会面临许多障碍。
　　由于运行期的类型信息肯定存在于所有对象中，所以永远不会碰到判定不出一个对象的类型的情况。这对系统级的操作来说显得非凡重要，比如违例控制；而且也能在程序设计时获得更大的灵活性。
　　但大家也可能产生疑问，既然你把好处说得这么天花乱坠，为什么C++没有采用单根结构呢？事实上，这是早

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