1 從過程到對象——類概念的引入
    真實世界是由“對象”組成的，無論是動物、植物、工廠還是機器等，都是根據(jù)它們的特征，細分出來的對象類別。盡管在軟件設計時，更多時候我們面對的是經(jīng)過高度抽象化的模型，但最終需要解決的還是真實世界中的問題。因此，如果能夠在軟件設計中按照對象來進行建模，將更加契合真實世界的情況，有利于解決高度復雜的實際問題。典型的過程化程序設計語言，如C語言，其程序設計更傾向于面向過程，以函數(shù)為基本單位。這在自頂向下設計方法深入人心的今天，往往有些力不從心，因為它很難恰如其分地模擬真實世界。
    對于C++語言來說，設計的基本單位是類。類是邏輯上相關的函數(shù)與數(shù)據(jù)的封裝，它是對所要處理的問題的抽象描述。引入了類概念的面向對象程序設計語言C++具有更高的代碼集成度，從而更適合用于大型復雜程序的開發(fā)。而由類產(chǎn)生的基類、繼承、派生、模板等概念，更是極大地豐富了軟件工程師解決問題的手段。如此強大的概念，如若使用不當，必然帶來許多意想不到的隱患。為此MISRA C++：2008中專門討論了與類使用相關的問題，簡單舉例如下。
    規(guī)則10-1-3(強制)： 同一層級的某個基類不允許既是虛基類又是非虛基類。
    這是因為，如果一個基類在多重繼承層次中既是虛類型，又是非虛類型，則在派生出來的相應對象中將至少有2個該基類的子對象拷貝。這可能與開發(fā)人員的理解不一致。為了更好說明這個問題，請看下面的程序：

   
    上述程序中，由于B1、B2是對A的public virtual繼承，而B3是對A的public繼承。因此，對于C而言，將保有A的2個子對象拷貝，造成不必要的冗繁，并隱含造成開發(fā)人員誤解的危險因素。所以，雖然這段程序在語法上是沒有錯誤的，但是出于程序安全性角度的考慮，這種使用方法被MISRA C++：2008所禁止。
    我們知道，通過將數(shù)據(jù)(屬性)和函數(shù)(行為)封裝在稱為對象的包中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和函數(shù)的緊密聯(lián)系，構成對象對信息的隱藏性。這樣，盡管對象知道怎樣通過定義好的接口實現(xiàn)相互的通信，但是對象通常并不知道其他對象是怎樣實現(xiàn)的，對象的細節(jié)隱藏在對象的內部。而同一類對象則具有相同的特點，新建立的對象通過繼承現(xiàn)有類的特征而派生出來，同時可以包含各自獨有的特點。
    也就是說，“類”很好地解決了2個問題：程序模塊化封裝的實現(xiàn)，以及合理提高代碼的利用率。對于軟件設計者之外的用戶而言，每一個對象都是給出了特定接口的“黑盒子”；而對于特定的數(shù)據(jù)結構，經(jīng)過單一定義之后，就可以借用繼承主體、修改細節(jié)的手段，來實現(xiàn)重復利用。如此高效的統(tǒng)籌兼顧，源于“類”這個嶄新概念的引入。然而這種高效也需要嚴格的規(guī)范來保證，否則會帶來意想不到的隱患。為此MISRA C++：2008從類、派生類、成員訪問的控制、特殊的成員函數(shù)以及模板這幾個方面進行了詳細的討論，并出于安全角度考慮，提出了一系列規(guī)則。下面就結合MISRA C++：2008中的相關規(guī)則，對這2個問題作進一步闡述。

2 統(tǒng)——數(shù)據(jù)與代碼的封裝
    對象的獨立性是通過封裝實現(xiàn)的，這是指將抽象得到的數(shù)據(jù)成員和代碼成員相結合，形成一個統(tǒng)一的有機整體，也就是說，將數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)的行為進行有機的結合、統(tǒng)一。
    通過封裝，一部分成員作為類與外部的接口，其他成員則被很好地隱蔽起來，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)訪問權限的合理控制，使程序中不同部分之間的相互影響減小到最低。這樣可以達到增強安全性和簡化程序編寫工作的目的。但是在進行封裝時，疏忽一些細節(jié)可能會得到與程序設計者初衷相去甚遠的結果，看下面的例子。
    規(guī)則9-3-1(強制)： 常量類型的成員函數(shù)不允許返回非常量類型的指針或對類數(shù)據(jù)的引用。
    當對象被聲明為常量型的類時，只有該類的常量成員函數(shù)能被人們調用。當調用常量成員函數(shù)時，人們一般認為將不會改變對象的狀態(tài)。然而，當常量類型的函數(shù)返回1個指向類數(shù)據(jù)的非常量指針或者對類數(shù)據(jù)的引用時，理論上將允許改變對象的狀態(tài)。這是程序設計者不希望看到的。
    作為保護數(shù)據(jù)、實現(xiàn)模塊化編程的手段，一個完全無法被外部訪問的“封裝”是沒有意義的。因此在利用封裝來限制對對象的修改操作時，必須留出必要的“接口”。這些接口通常必須以對象的成員函數(shù)的形式給出，否則可能會破壞封裝的效果。再看下面的例子。
    規(guī)則9-3-2(強制)： 成員函數(shù)不允許返回對于類數(shù)據(jù)的非常量的旬柄。
    利用類的成員函數(shù)構建類的訪問接口時，可以就對象狀態(tài)是如何被修改的保留更多的控制能力，同時可以實現(xiàn)在對類進行維護時不會受到用戶的影響。返回類數(shù)據(jù)的句柄，將使得用戶可以不經(jīng)過類的接口而對類的狀態(tài)進行修改，從而破壞了封裝。
    而合理的做法如下所述。
    規(guī)則9-3-3(強制)： 將成員函數(shù)聲明為static或者const類型。
    這是因為，將成員函數(shù)聲明為static或者const類型，可以限制對于其非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的訪問，從而避免無意識下對數(shù)據(jù)進行的修改。
    每一個對象都有和簡單變量類似的建立過程，我們希望也能夠像對待普通變量那樣，當通過聲明語句分配內存空間之后，立即寫入特定的數(shù)據(jù)。但由于對象的復雜性以及封裝需求決定了直接賦值不可行，為此C++嚴格規(guī)定了初始化程序的接口形式，并有一套自動的調用機制。這里所說的初始化程序就是構造函數(shù)，這個特殊的成員函數(shù)以及與之對應的析構函數(shù)，需要在封裝時給予特別的注意。
    規(guī)則12-1-1(強制)： 對象的動態(tài)類型不允許在其構造函數(shù)或者析構函數(shù)體內被調用。
    在對象的構造和析構過程中，它最終的類型可能會與完整構造的對象不一樣。在構造函數(shù)或者析構函數(shù)中使用對象的動態(tài)類型，將可能與開發(fā)人員的預期不一致。對象的動態(tài)類型使用在如下的結構中：
    ◆典型的具有虛函數(shù)或者其基類中具有虛函數(shù)；
    ◆dynamic_cast；
    ◆對于虛函數(shù)的虛調用。
    此規(guī)則同樣禁止由構造函數(shù)和析構函數(shù)產(chǎn)生的對純虛函數(shù)的調用。那樣的調用將導致未定義的行為。下面來看一個較為特殊的函數(shù)——拷貝構造函數(shù)，以結束對封裝的討論。
    拷貝構造函數(shù)是一種特殊的構造函數(shù)，其形參是本類的對象的引用。其作用是使用1個已經(jīng)存在的對象(由拷貝構造函數(shù)的參數(shù)指定的對象)去初始化1個新的同類的對象。
    規(guī)則12-8-1(強制)： 拷貝構造函數(shù)只允許對基類以及它所在類的非靜態(tài)成員進行初始化。
    如果編譯器接口發(fā)現(xiàn)1個對拷貝構造函數(shù)的調用是冗余的，它將忽略該函數(shù)調用。即使拷貝構造函數(shù)在構造對象之外還有其他功能，也不例外。這稱作拷貝省略。因此當修改程序狀態(tài)的次數(shù)不能確定時，保證不使用拷貝構造函數(shù)修改程序的狀態(tài)，就顯得極為重要。相關例程如下：

    上述例子里，在所有函數(shù)調用之后，m_static的數(shù)值由使用的是何種編譯器來決定，不是明確的值。這種不確定因素很可能帶來嚴重的安全隱患，顯然不是我們希望看到的。

3 籌——概念與代碼的重復利用
    運籌學中一個經(jīng)典的例子是：用2個鍋同時煎雞蛋，每個雞蛋要煎2面，每煎1面1分鐘，問煎好3個雞蛋最少要多少時間?對這個簡單例子的解決過程反映了我們的思考習慣：面對新事物新問題時，首先考慮的是如何充分利用現(xiàn)有的工具和概念，如果需要的話，在此基礎上作盡可能小的改動。繼承與派生就是這種思想在C++中的體現(xiàn)。
    按照真實世界的情況，在軟件設計中引入了類的概念。同時我們注意到人們的特定思維習慣：當提到兩廂小轎車時，遵循著“交通工具→汽車→轎車→兩廂小轎車”的具象化過程，而不是從螺絲釘開始想象。對于C++而言，面對新對象，首先想到的不是從成員開始重新構建它，而是去尋找這個新對象與已有對象類別的相似之處，看能不能最大限度利用已經(jīng)給出定義的類來描述這個新對象。為新對象創(chuàng)建的特殊類，具有一般類的全部屬性與服務，稱作特殊類對一般類的繼承。1個類可以單獨存在，但是當利用繼承機制使用該類時，該類就成為給其他類提供屬性和行為的基類，或者成為繼承其他類的屬性和行為的派生類。
    合理使用繼承可以顯著提高代碼的利用率。規(guī)則10－1－2(強制)： 只有在菱形結構中才允許將基類聲明為虛基類。
    虛基類會引入許多未定義和潛在的容易令人混淆的特性。因此，只有當該基類在菱形繼承結構中作為公共基類時，才可以將其聲明為虛基類。
   

    上述例程中，對于C而言，有兩個父類B1、B2，有1個祖父類A，從而A、B1、B2、C構成了典型的菱形結構。使用了虛基類的菱形結構里，對象的內存布局中只有1個A，即祖父類的部分只有1份，且放在最后面，排放順序是B1+B2+C+A。如果沒有用虛繼承機制，那么在C對象的內存布局中會出現(xiàn)2份A部分，這也就是所謂的V型繼承。相應的對象布局為A+B1+A+B2+C。在V型繼承中不能直接從C(即孫子類)直接轉型到A(即祖父類)因為在對象的布局中有2份祖父類的實體，分別從B1、B2而來。編譯器在決議時會存在二義性，它不知道轉型后到底用哪一份實體。可以通過先轉型到某一父類，然后再轉型到祖父類來解決。但使用這種方法時，如果改寫了祖父類的成員變量的內容，runtime不會同步2個祖父類實體的狀態(tài)，因此可能會有語義錯誤。
    多繼承結構允許1個對象繼承來自不同對象的特征，但也會帶來新的問題。我們看下面的規(guī)則。規(guī)則10-2-1(推薦)： 多繼承層級中，可訪問的實體名稱應當是相互獨立、不同的。如果名稱含混不清，編譯器將報告名稱沖突，同時不會武斷生成不符合預期的代碼。但是這種含混不清對于開發(fā)者來說，并不容易察覺。當成員函數(shù)是虛函數(shù)時，還有一個需要特別注意的地方：通過explicitly引用基類來解決名稱含混的問題，將會去除函數(shù)的“虛”特性。對于本條規(guī)則也有例外的情況，比如：相關的重載函數(shù)應當看作具有相同的入口。相關說明程序如下：

    
    上述程序定義D時，無法分辨成員中的count和foo()到底來自B1還是B2，造成了不必要的困擾。代碼重用的目的是按不同方式重復使用代碼來實現(xiàn)類、結構、函數(shù)等，這就要求代碼必須是通用的，且通用代碼不受使用數(shù)據(jù)類型和操作的影響，即無論使用什么數(shù)據(jù)類型通用代碼都是不變的。于是C++提出了類模板的概念：類模版可以為類聲明1種模式，使得類中的某些數(shù)據(jù)成員、某些成員函數(shù)的參數(shù)、某些成員函數(shù)的返回值能取任意類型。MISRA C++：2008就模板的使用也給出了詳細的規(guī)則。
    規(guī)則14-5-2(強制)： 當具有單參數(shù)的模版構造函數(shù)時，必須聲明拷貝構造函數(shù)。
    與開發(fā)人員預期的不同，模版的構造函數(shù)不會禁止編譯器生成拷貝構造函數(shù)。這樣當成員函數(shù)要求進行深拷 貝的時候，可能會導致不正確的拷貝語句被執(zhí)行。這樣的問題往往在程序設計初期不會引起重視，等到面對莫名其妙的問題時，再回過頭來尋找原因，只能一籌莫展。如果在程序設計時就遵循MISRA C++：2008中相關的規(guī)則，自然可以避免這樣的困擾。

4 小 結
    本文是學習MISRA C++系列連載講座之三。從“統(tǒng)籌兼顧”的角度和大家一起學習討論了MISRA C++：2008中關于類、派生類、成員訪問的控制、特殊的成員函數(shù)以及模版的相關規(guī)則。其中有意思的例子還有很多，限于篇幅，就不一一展開敘述了。請繼續(xù)關注本系列講座的第4講：異常機制的使用。