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【读书笔记】《C++ Software Design》第二章：The Art of Building Abstractions

ops 2025/7/13 13:38:14

《C++ Software Design》第二章：The Art of Building Abstractions

本章详细探讨如何在 C++ 中构建高质量的抽象，包括行为预期、一致性、所有权管理和文档化。

Guideline 6: Adhere to the Expected Behavior of Abstractions

6.1 An Example of Violating Expectations

示例场景：实现一个 Stack<T> 类时，提供 pop() 方法返回 T&，但在空栈调用时未抛出异常，而是返回未定义引用。
问题：客户端无法预期 pop() 行为，违反直觉。
解决方案：
- 改用 std::optional<T> 返回值，或抛出明确异常 std::underflow_error。
- 添加文档注释，明确表明函数的异常保证级别（noexcept 语义）。

6.2 The Liskov Substitution Principle

定义：子类型必须能够替换父类型且不改变程序语义。

具体实践：

前置条件：子类方法不应要求更严格输入。
后置条件：子类方法输出应满足基类声明的约定。

示例：

struct IShape { virtual double area() const = 0; };
struct Rectangle : IShape { double area() const override; };
struct Square : Rectangle { double side; double area() const override { return side * side; } };

确保 Square 中不破坏 Rectangle 的预期行为，如修改 side 时边长一致性。

6.3 Criticism of the Liskov Substitution Principle

争议：严格遵循 LSP 可能导致复杂的类型层次和过度抽象。
作者观点：注重抽象的语义契约即可，不必机械化实施所有 LSP 条件。
实践建议：编写契约测试（Contract Tests）验证继承层次的行为一致性。

6.4 The Need for Good and Meaningful Abstractions

要点：抽象应贴合领域概念，避免陷入技术细节。

示例：定义 Money 类型：

class Money {long cents;
public:explicit Money(long c): cents(c) {}double as_dollars() const { return cents / 100.0; }
};

好处：减少单元转换错误，增强类型安全性与可读性。

Guideline 7: Understand the Similarities Between Base Classes and Concepts

继承与概念：两者均定义范畴与行为规范。
运行时 vs 编译时：继承多态在运行时决议；概念约束在编译时检查。

示例对比：

// 继承多态
struct IFoo { virtual void foo() = 0; };
void callFoo(IFoo* f) { f->foo(); }// 概念约束
template<typename T>
concept Fooable = requires(T a) { a.foo(); };
void callFoo(Fooable auto& f) { f.foo(); }

实践：对性能敏感场景优先使用概念，需动态扩展场景使用继承。

Guideline 8: Understand the Semantic Requirements of Overload Sets

8.1 The Power of Free Functions: A Compile-Time Abstraction Mechanism

优势：支持对第三方类型扩展接口，无需修改原始类。

示例：

struct Vector2D { float x, y; };
inline float length(const Vector2D& v) { return std::hypot(v.x, v.y); }

8.2 The Problem of Free Functions: Expectations on the Behavior

契约：自由函数应与成员函数语义一致。
示例： std::data(), std::size() 应返回与成员函数相同结果。
实践：
- 在头文件中使用 using std::data; 保证 ADL 正常。
- 文档明确输出和异常语义。

Guideline 9: Pay Attention to the Ownership of Abstractions

9.1 The Dependency Inversion Principle

实践示例：

struct ILogger { virtual void log(std::string_view) = 0; };
class ConsoleLogger : public ILogger { void log(std::string_view msg) override { std::cout<<msg; } };
class App { std::unique_ptr<ILogger> logger; };

9.2 Dependency Inversion in a Plug-In Architecture

步骤：
1. 定义插件接口 IPlugin。
2. 插件库导出 createPlugin() C 接口。
3. 主程序用 dlopen/dlsym 加载并注册。
代码：
```
extern "C" IPlugin* createPlugin();
```

9.3 Dependency Inversion via Templates

示例：

template<typename Logger>
class App { Logger logger; };

9.4 Dependency Inversion via Overload Sets

示例：

void save(Data& d) { d.save(); }  // 自由函数调用 d.save()

9.5 DIP vs SRP

DIP：管理高低层依赖。
SRP：管理类职责。
结合：通过细粒度接口同时满足二者。

Guideline 10: Consider Creating an Architectural Document

目的：提升团队对系统全貌的理解。
建议文档：
- 组件图（Component Diagram）
- 类图（Class/Concept Diagram）
- 序列图（Sequence Diagram）
- 数据流图（Data Flow Diagram）
工具：PlantUML、Mermaid。
实践：将 UML 源文件纳入版本控制，与代码同步迭代。