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C++对象模型

话题从下面这段C++程序说起，你认为它可以顺利执行吗？

//C++
class A {
    public:
        void Hello(const std::string& name) {
           std::cout << "hello " << name;
         }
};
int main(int argc, char** argv)
{
    A* pa = NULL; //!!
    pa->Hello("world");
    return 0;
}

试试的确可以顺利运行输出hello world，奇怪吗？其实并不奇怪，根据C++对象模型，类的非虚方法并不会存在于对象内存布局中，实际上编译器是把Hello方法转化成了类似这样的全局函数：

void A_Hello_xxx(A * const this, const std::string& name) {
    std::cout << “hello “ << name;
}

对象指针其实是作为第一个参数被隐式传递的，pa->Hello(“world”)实际上是调用的A_Hello_xxx(pa, “world”)，而恰好A_Hello_xxx内部没有使用pa，所以这段代码得以顺利运行。

对象的消息模型

如果是研究C++对象模型，上面的讨论可以到此为止，不过这里我想从另一个层面来继续探讨这个问题。OOP的先驱人物Alan Kay在总结Smalltalk的OO特征时强调：

Smalltalk is not only NOT its syntax or the class library, it is not even about classes. I’m sorry that I long ago coined the term “objects” for this topic because it gets many people to focus on the lesser idea. The big idea is “messaging”.

也就是说相比类和对象的概念来讲，他认为对象交互的消息模型是OOP更为本质的特征，因为消息关注的是对象间的接口和交互，在构建大的系统的时候重要的不是对象/模块的内部状态，而是它们的交互。根据消息模型，牛.吃(草) 的语义是发送一条消息给“牛”，消息的类型是“吃”，消息的内容是“草”。如果按照严格的消息模型，那么上面那段C++代码应解释为向一个NULL对象发送Hello消息，这显然是不应该顺利执行的。类似的代码如果是在Java或C#中则会抛出空引用异常，所以Java和C#的设计更符合消息模型。

不过，Java和C#中也并非完全符合消息模型，来看一个经典的封装问题：

//C#

public class Account {
    private int _amount;

    public void Transfer(Account acc, int delta) {
        acc._amount += delta;
        this._amount -= delta;
    }
    …
}

上面定义了一个Account类，问题在于为什么在这个类的Transfer方法中可以直接访问另一个对象acc的私有成员_amount呢？这是不是有破坏封装的嫌疑呢？这个问题经典的答案是：并不破坏封装，封装是划分了基于类的静态的代码边界，使得类的private代码修改不影响外界，而不是对于动态对象的保护。这个解释当然是合理的，不过正如上面C++代码的解释属于C++对象模型范畴，这个解释则属于基于类的静态类型OOP语言的范畴。消息模型强调了对象内部状态的保护，只能通过消息改变其状态，而对象内部是否真的具有_amout这样一个私有成员对其他任何对象（即使同类对象）都是未知的。

如果要严格遵守消息模型实现对象内部状态的保护应该怎么做呢？我们来看一个例子，定义一个集合类，包括：1.集合对象的构造函数；2.In方法：判断元素是否存在；3.Join方法：对两个集合做交集；4.Union方法：对两个集合做并集。下面是一种Javascript实现：

//Javascript

//集合类Set的构造函数
function Set() {
    var _elements = arguments;
    //In方法：判断元素e是否在集合中
    this.In = function(e) {
        for (var i = 0; i < _elements.length; ++i) {
            if (_elements[i] == e) return true;
        }
        return false;
    };
}

//Join方法：对两个集合求交集
Set.prototype.Join = function(s2) {
    var s1 = this;
    var s = new Set();
    s.In = function(e) { return s1.In(e) && s2.In(e); }
    return s;
};

//Union方法：对两个集合求并集
Set.prototype.Union = function(s2) {
    var s1 = this;
    var s = new Set();
    s.In = function(e) { return s1.In(e) || s2.In(e); }
    return s;
};

var s1 = new Set(1, 2, 3, 4, 5);
var s2 = new Set(2, 3, 4, 5, 6);
var s3 = new Set(3, 4, 5, 6, 7);
assert(false == s1.Join(s2).Join(s3).In(2));
assert(true == s1.Join(s2).Uion(s3).In(7));

如果是在静态类型OOP语言中，要实现集合类的Join或Union，我们多半会像上面Account的例子一样直接对s2内部的_elements进行操作，而上面这段Javascript定义的Set关于对象s2的访问完全是符合消息模型的基于接口的访问。要实现消息模型Javascript的prototype机制并非必须的，真正的关键在于函数式的高级函数和闭包特性。从这个例子我们也可以体会到函数式的优点不仅在于无副作用，函数的可组合性也是函数式编程强大的原因。

Method Missing

接下来我们还要进行深度历险，让我们思考一下如果发送一条对象不能识别的消息会怎样？这种情况在C++、Java、C#等静态类型语言中会得到一个方法未定义的编译错误，如果是在Javascript中则会产生运行时异常。比如，s1.count()会产生一个运行时异常：Object #<Set> has no method ‘count’。

在静态类型语言这个问题很少受到重视，但在动态类型语言中却大有文章，来看下面的例子：
//Ruby

builder = Builder::XmlMarkup.new
xml = builder.books {|b|
    b.book :isbn => "14134" do
        b.title "Revelation Space"
        b.author "Alastair Reynolds"
    end
    b.book :isbn => "53534" do
        b.title "Accelerando"
        b.author "Charles Stross"
    end
}

上面这段很DSL的Ruby代码创建了这样一个XML文件对象：

<books>
    <book isbn="14134">
        <title>Revelation Space</title>
        <author>Alastair Reynolds</author>
    </book>
    <book isbn="53534">
        <title>Accelerando</title>
        <author>Charles Stross</author>
    </book>
</books>

builder.books, b.book, b.title都是对象方法调用，由于XML的元素名是任意的，所以不可能事先定义这些方法，类似的代码如果是在Javascript中就是no method异常。那为什么上面的Ruby代码可以正确执行呢？其实只要理解了消息模型就很容易想明白，只需要定义一个通用的消息处理方法，所有未明确定义的消息都交给它来处理就行了，这就是所谓的Method Missing模式：

class Foo
    def method_missing(method, *args, &block)
        …
    end
end

Method Missing除了对实现DSL很重要外，还可用于产生更好地调试和错误信息，把参数嵌入到方法名中等场合。目前，Ruby、Python、Groovy几种语言对Method Missing都有很好的支持，甚至在C# 4.0中也可以利用动态特性实现。

总结

本文主要介绍了对象的消息模型的特征，并比较了C++对象模型，Java、C#等基于类的静态类型语言中的对象模型与严格消息模型的差异，最后探讨了Method Missing相关话题。

参考

• Inside the C++ Object Model
• 冒号课堂 – 编程范式与OOP思想
• Alan Kays Definition Of Object Oriented
• OOP The Good Parts: Message Passing, Duck Typing, Object Composition, and not Inheritance
• Patterns of Method Missing
• Fun With Method Missing and C# 4

（全文完）