從基于對象轉變到面向對象的C++教學案例

呂蘭蘭

（湖南科技學院電子與信息工程學院，永州 425199）

0 引言

面向對象程序設計主要講授使用C++來進行面向對象程序設計。文獻[1]以四個面向來表現C++的本質：面向過程、面向泛型、基于對象、面向對象。與基于對象程序設計相比，面向對象程序設計的編程理念更為先進也更為復雜，學生不容易區分二者的差別。學生雖然學習了封裝、繼承、多態等面向對象特性在C++中的語法，但是在設計程序解決具體問題時，雖然編寫的C++程序中定義了類，卻很少利用C++的繼承和多態來提高代碼重用。不難發現，文獻[2]中給出的猜數字游戲的面向對象解決方案，從嚴格意義上來說其實是一個基于對象的解決方案，因為其中并沒有用到繼承和多態。因此，如何引導學生實現“從基于對象到面向對象的程序設計”的轉化，成為講授面向對象程序設計必須解決的重要問題之一。

1 面向對象的四個要素

1.1抽象

在面向對象的程序設計方法中，將各種事物稱為“對象”。將同一類事物的共同特點概括出來，這個過程就稱為“抽象”[3]。對象的抽象包括兩個方面：屬性和方法。在猜數字游戲中，出現了游戲、人類玩家、電腦玩家等對象。答案是游戲對象的一個屬性；人類玩家和電腦玩家猜測的數，也可作為它們的屬性。游戲對象具有“判斷輸贏”、“開始游戲”等方法，而人類玩家和電腦玩家對象則具有“猜數”等方法。

1.2封裝

在完成抽象后，通過某種語法形式，將屬性和方法在形式上寫成一個整體，即“類”，這個過程就稱為“封裝”[3]。在猜數字游戲中，經過封裝可以得到3個類：游戲類、人類玩家類和電腦玩家類。

1.3繼承

猜數字游戲中的人類玩家和電腦玩家，它們具有許多共性，例如它們都具有“猜數”這一方法以及所猜的“數”這一屬性。同時，它們也分別具有一些特性，例如人類玩家可以根據當前猜數結果自動調整猜數范圍，而電腦玩家則需通過“更新范圍”的方法達到這一目標。如何在描述兩類玩家各自特性的同時，避免對它們的共性進行重復描述呢？這就可以借助面向對象方法中的繼承與派生了。所謂繼承，就是從先輩處得到屬性和行為特征[4]。因此，可以創建一個新的類——玩家類，用它來描述兩類玩家的共性，再將人類玩家類和電腦玩家類作為玩家類的派生類，這樣就能夠很好地描述兩類賬戶的共性和各自的特性。

1.4多態

所謂多態具體是指，由繼承而產生的相關的不同的類，其對象對同一消息會做出不同的響應[5]。猜數字游戲中的人類玩家和電腦玩家，是從玩家類派生出的兩個相關但不同的子類，它們在接收到“猜數”這一消息后，人類玩家可由用戶直接從鍵盤輸入所猜的數，而電腦玩家則只能產生一個隨機數作為要猜的數。顯然，它們針對同一消息所做出的響應是不同的，這就是多態。因此，在C++中可以通過將玩家類中的“猜數”這一方法聲明為虛函數，并在人類玩家類和電腦玩家類中重新定義“猜數”方法，達到實現多態的目的。

2 精化基于對象解決方案

經測試，文獻[2]中“面向對象解決方案”中實現的C++程序，其運行結果與文獻[2]中“教學案例：猜數字游戲”部分給出的程序運行樣例有本質區別。在程序實際運行結果中，可能會出現以下情況：人類玩家Human首先猜了一個數50，程序提示“太低”，但緊接著電腦玩家猜了一個數16。這顯示電腦玩家很“笨”。不難發現，這是由于電腦玩家每次只會隨機猜一個數而造成的。為了提高電腦玩家的游戲智能，必須使電腦玩家可以根據雙方已經猜過的數來調整自己的猜數范圍。因此，可以啟發學生進一步精化文獻[2]的交互建模[6]和設計建模[6]，并按照精化的設計類圖重新編程實現猜數字游戲，這樣就可以完善猜數字游戲的基于對象解決方案。

2.1精化交互建模

如上所述，要提高電腦玩家的游戲智能，必須要將游戲雙方已經猜過的數以及猜的結果通知電腦玩家，尤其是人類玩家“：Human”的猜數情況。此時，猜數字游戲中游戲對象“：Game”、人類玩家“：Human”、電腦玩家“：Computer”這三個對象之間的交互情況與文獻[2]有所不同。可以使用UML順序圖表達精化交互建模的結果，如圖1所示。

圖1 猜數字游戲順序圖

從圖 1中可以看到，游戲對象“：Game”在每次check 之后，均向電腦玩家“：Computer”發送了一條 up?date消息來通知電腦玩家“：Computer”來及時更新自己猜數時的下限和上限。

2.2精化設計建模

圖1中新增的兩條update消息均由游戲對象“：Game”發出，且均由電腦玩家“：Computer”接收。按照設計建模的原則，對于順序圖中的每一條消息，接收該消息的對象需要提供相應的方法來響應，從而獲得每一個類的職責和屬性以及類之間的關系。因此，需在Computer類中添加相應的update（）方法來處理接收到的消息。可使用UML設計類圖表達精化設計建模的結果，如圖2所示。

圖2 猜數字游戲設計類圖

需要注意的是，圖2中除了Computer類新增了update（）方法來更新猜數范圍，還在Computer類中新增了2個private屬性high和low用于表示猜數范圍的上限和下限。同時，圖2中Game類的check（）方法的返回值類型由bool改為int，用于表示猜數字游戲結果中的猜高了（1）、猜對了（0）和猜低了（-1）。對部分學生來講，這些可能要到類的代碼實現階段才能想到。

2.3精化類的實現

根據圖2可以方便地進行類的代碼實現。下面僅給出電腦玩家類Computer的完整代碼，以及游戲類的部分代碼。

在上述程序中，即使人類玩家故意忽視游戲提示亂猜，電腦玩家依然能夠不受干擾地猜一個合理的數。例如，在游戲雙方猜的50和30都提示“太高”的情況下，人類玩家Human故意猜一個數70，緊接著電腦玩家猜的數4卻是小于30的。這表明電腦玩家在更新自己猜數范圍的下限和上限時，能夠人類玩家猜的數是否處于合理范圍內做出正確判斷。這樣，電腦玩家已經變得和人類玩家一樣“聰明”。

3 面向對象解決方案

之所以將上述解決方案稱為“精化的基于對象解決方案”，是因為其中并沒有用到繼承和多態特性。下面將利用繼承和多態特性，進一步引導學生在目前構造的基于對象的猜數字游戲程序基礎上，設計并實現面向對象的猜數字游戲。

3.1設計建模

如1.3中所述，不管是人類玩家，還是電腦玩家，都是猜數字游戲中的玩家，因此可以將二者的共性抽象出來，封裝在玩家Player類中，且Player類中有一個public方法guess（）和一個protected屬性num。利用類的繼承特性，以玩家Player類作為基類，從Player類派生出人類玩家Human類和電腦玩家Computer類。可使用UML設計類圖表達精化設計建模的結果，如圖3所示。

圖3 猜數字游戲設計類圖

通過將游戲類Game中的play（）方法的原型做如下更改：

void play（Player&p1,Player&p2）;

就可將猜數字游戲從“人機對戰”模式擴展到“人人對戰”、“機機對戰”模式，如下所示：

3.2類的實現

根據圖3可以方便地進行類的代碼實現。下面僅給出玩家類Player的完整代碼，以及游戲類Game的部分代碼。

需要說明的是，Game類的play（）方法的實現對于部分學生來講可能是一個難點，尤其是在第一個玩家p1和第二個玩家p2分別猜完數字之后，均要使用下列語句通知游戲雙方：

4 結語

本文以學生熟悉的猜數字游戲作為案例，闡述了該案例的基于對象解決方案與面向對象解決方案，并在兩種解決方案的設計過程中融合了基于UML的面向對象軟件建模技術，以圖形化的方式直觀表達了從基于對象到面向對象的過渡。目前，該案例已在我校軟件工程專業2015級和2016級學生中進行了2學期的教學實踐。我們發現，通過引入UML，分別有大約95%、75%和90%的學生獨立實現了該案例的基于對象方案、基于對象精化方案和面向對象方案，各項數據較之前均有大幅上升。但是，基于對象精化方案本身屬于進階內容。為了降低難度，也可跳過該方案、直接對文獻[2]的基于對象方案進行面向對象改進。對大部分學生而言，要達到熟練運用繼承和多態實現代碼重用的程度，實現從基于對象程序設計到面向對象程序設計的跨越，還需要設計更多更好的能貫穿基于對象和面向對象的案例。而在不同難度案例的選擇和設計上，仍然需要進行進一步的研究與探索。