对象的消息模型

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角度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阶函数和闭包特性。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 # has no method 'count'。

在静态语言这个问题很少受到重视,但在动态语言中却大有文章,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

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
《冒号课堂 - 编程范式与OOP思想》

 

posted on 2011-08-14 17:28 Todd Wei 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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