Скотт Мейерс - Как функции, не являющиеся методами, улучшают инкапсуляцию

Скотт Мейерс

Как функции, не являющиеся методами, улучшают инкапсуляцию

Предпосылка

Когда, в 1991 г., я писал первое издание "Эффективное использование C++" (Effective C++ [1]), я изучал проблему определения функций, связанных с классом. Для заданного класса C и функции f, связанной с C, я разработал следующий алгоритм:

if (f необходимо быть виртуальной) сделайте f функцией-членом C;

else

 if (f – это operator›› или operator‹‹) {

  сделайте f функцией – не членом;

  if (f необходим доступ к непубличным членам C) сделайте f другом C;

 }

 else if (в f надо преобразовывать тип его крайнего левого аргумента) {

  сделайте f функцией – не членом;

  if (f необходимо иметь доступ к непубличным членам C) сделайте f другом C;

 } else сделайте f функцией-членом C;

Этот алгоритм хорошо служил мне многие годы, и когда я правил "Эффективное использование C++" для второй издания в 1997 г. [2], я не сделал никаких изменений в этот алгоритм.

Однако, в 1998 году, когда я проводил презентацию в Actel, где Аран Канду (Arun Kundu) заметил, что мой алгоритм диктовал, что функции должны быть методами даже тогда, когда они могли бы быть реализованы как не члены, которые использовали только открытый интерфейс класса C. "Это действительно, что-нибудь означает?" – спросил он меня? Другими словами, если f могла бы быть реализован как функция-член (метод) или как функция не являющаяся не другом, не членом, я действительно защищал, что ее надо реализовать как метод класса? Я немного подумал об этом и решил, что это не то, то, что я подразумевал. Поэтому я изменил алгоритм [3]:

if (f необходимо быть виртуальной) сделайте f функцией-членом C;

else if (f – это operator›› или operator‹‹) {

 сделайте f функцией – не членом;

 if (f необходим доступ к непубличным членам C) сделайте f другом C;

} else if (f необходимо преобразовывать тип его крайнего левого аргумента) {

 сделайте f функцией – не членом;

 if (f необходимо иметь доступ к непубличным членам C) сделайте f другом C;

} else if (f может быть реализована через доступный интерфейс класса) сделайте f функцией – не членом;

else сделайте f функцией-членом C;

С той поры я критиковал программистов, которые освоили урок, преподанный объектно-ориентированным подходом, предлагающий помещать функции внутрь классов, содержащих данные, обрабатываемые этими функциями. В ответ они возражают мне, что это все делается ради инкапсуляции.

Но они ошибаются.

Инкапсуляция

Инкапсуляция не определяет вершину мира. Нет ничего такого, что могло бы возвысить инкапсуляцию. Она полезна только потому, что влияет на другие аспекты нашей программы, о которых мы заботимся. В частности, она обеспечивает гибкость программы и ее устойчивость к ошибкам. Посмотрите на эту структуру, чья реализация (я думаю, что мы все согласимся) не является инкапсулированной:

struct Point {

 int x, y;

};

Слабостью этой структуры является то, что она не обладает гибкостью при ее изменении. Как только клиенты начнут использовать эту структуру, будет очень тяжело изменить ее. Придется изменять слишком много клиентского кода. Если бы мы позднее решили, что хотели бы вычислять x и y вместо того, чтобы хранить эти значения, мы были бы обречены на неудачу. У нас возникли бы аналогичные проблемы при запоздалом озарении, что программа должна хранить x и y в базе данных. Это реальная проблема при недостаточной инкапсуляции: имеется препятствие для будущих изменений реализации. Неинкапсулированное программное обеспечение негибко, и, в результате, оно не очень устойчиво. При изменении внешних условий программное обеспечение неспособно элегантно измениться вместе с ними. Не забывайте, что мы говорим здесь о практической стороне, а не о том, что является потенциально возможным. Понятно, что можно изменить структуру Point. Но, если большой объем кода зависит от этой структуры, то такие изменения не являются практичными.

Перейдем к рассмотрению класса с интерфейсом, предлагающим клиентам возможности, подобные тем, которые предоставляет выше описанная структура, но с инкапсулированной реализацией:

class Point {

public:

 int getXValue() const;

 int getYValue() const;

 void setXValue(int newXValue);

 void setYValue(int newYValue);

private:

… // прочее…

};

Этот интерфейс поддерживает реализацию, используемую структурой (сохраняющей x и y как целые), но он также предоставляет альтернативные реализации, основанные, например, на вычислении или просмотре базы данных. Это более гибкий замысел, и гибкость делает возникающее в результате программное обеспечение более устойчивым. Если реализация класса найдена недостаточной, она может быть изменена без изменения клиентского кода. Принятые объявления доступных методов остаются, неизменными, что ведет к неизменности клиентского исходного текста. (Если необходимые провести изменения [4], то клиенты не нуждаются даже в перетрансляции.)

Инкапсулированное программное обеспечение более гибко, чем неинкапсулированное, и, при прочих равных условиях, эта гибкость делает его предпочтительнее при выборе метода проектирования.

Степень инкапсуляции

Класс, рассмотренный выше, не полностью инкапсулирует свою реализацию. Если реализация изменяется, то еще имеется код, который может быть изменен. В частности, методы класса могут оказаться нарушенными. По всей видимости, они зависят от особенностей данных класса. Однако ясно видно, что класс более инкапсулирован, чем структура, и хотелось бы иметь способ установить это более формально.

Это легко сделать. Причина, по которой класс является более инкапсулированным, чем структура, заключается в том, что при изменении открытых данных структуры может оказаться разрушенным больше кода, чем при изменением закрытых данных класса. Это ведет к следующему подходу в оценке двух реализаций инкапсуляции: если изменение для одной реализации может привести к большему разрушению кода, чем это разрушение будет при другой реализации, то соответствующее изменение для первой реализации, будет менее инкапсулировано. Это определение совместимо с нашей интуицией, которая подсказывает нам, что вносить изменения следует таким образом, чтобы разрушать как можно меньше кода. Имеется прямая связь между инкапсуляцией (сколько кода могут разрушить вносимые изменения) и практической гибкостью (вероятность, что мы будем делать специфические изменения).

Простой способ измерить, сколько кода может быть разрушено, состоит в том, чтобы считать функции, на которые пришлось бы воздействовать. То есть, если изменение одной реализации ведет потенциально к большему числу разрушаемых функций, чем изменения в другой реализации, то первая реализация менее инкапсулирована, чем вторая. Если мы применим эти рассуждение к описанной выше структуре, то увидим, что изменение ее элементов может разрушить неопределенно большое количество функций, а именно: каждую функцию, использующую эту структуру. В общем случае мы не можем рассчитать количество таких функций, потому что не имеется никакого способа выявить весь код который, используют специфику структуры. Это особенно видно, если изменения касаются кода библиотек. Однако число функций, которые могли бы быть разрушены, если изменить данные, являющиеся элементами класса, подсчитать просто: это все функции, которые имеют доступ к закрытой части класса. В данном случае, изменятся только четыре функции (не включая объявлений в закрытой части класса). И мы знаем об этом, потому что все они удобно перечислены при определении класса. Так как они – единственные функции, которые имеют доступ к закрытым частям класса, они также – единственные функции, на которые можно воздействовать, если эти части изменяются.

Инкапсуляция и функции – не члены

Мы теперь видим, что приемлемый способом оценки инкапсуляции является количество функций, которые могли бы быть разрушены, если изменяется реализация класса. В этом случае становится ясно, что класс с n методами более инкапсулирован, чем класс с n+1 методами. И это наблюдение поясняет мое предпочтение в выборе функций, не являющихся ни друзьями, ни методами: если функция f может быть выполнена как метод или как функция, не являющаяся другом, то создание ее в виде метода уменьшило бы инкапсуляцию, тогда как создание ее в виде "недруга" инкапсуляцию не уменьшит. Так как функциональность здесь не обсуждается (функциональные возможности f доступны классам клиентов независимо от того, где эта f размещена), мы естественно предпочитаем более инкапсулированный проект.