1.1 面向过程与面向对象程序设计

1.面向过程程序设计

早期计算机程序的规模较小，主要开发方式为个人设计、个人使用，没有组织原则，只需将相应的程序代码组织在一起，再让计算机执行它就可以完成相应的程序功能。随着计算机技术的发展和应用的普及，程序的规模和复杂度越来越大，到了20世纪60年代初期，个人软件开发方式已不能满足要求，出现了许多问题，如软件开发费用超出预算，不能按期完成软件开发，质量达不到要求，软件维护困难等，这就是所谓的软件危机。

软件危机表明个人手工编程方式已经跟不上软件开发的需求了，迫切需要改变软件的生产方式，提高软件生产率。20世纪60年代末产生了影响深远的结构化程序设计（Structure Programming，SP）思想。结构化程序设计采用“自顶向下、逐步求精、模块化”的方法进行程序设计。即采用模块分解、功能抽象、自顶向下、分而治之的方法，将一个复杂、庞大的软件系统分解成为许多易于控制、处理、可独立编程的子任务、子模块。各模块由顺序、分支、循环三种基本结构组成，每个模块则由结构化程序设计语言的子程序（函数）实现。其基本特点是：① 按层次结构组织模块；② 每个模块只有一个入口，一个出口；③ 代码和数据分离，即“程序=数据结构+算法”。

在进行结构化程序设计时，首先将要解决的问题分解成若干个功能模块，再根据模块功能设计一系列用于存储数据的数据结构，并编写一些函数（或过程）对这些数据进行操作，最终的程序是由许多函数（或过程）组成的。

结构化程序设计是一种面向过程的程序设计方法，把数据和过程分离为相互独立的程序实体，用数据代表问题空间的客体，表达实际问题中的信息；程序代码则是用于体现和加工处理这些数据的算法。在设计软件时，必须时时考虑所要处理数据的结构和类型，对于不同格式的数据要做相同的处理，或者对于相同格式的数据要做不同的处理，都必须编写不同的程序，代码的可重用性较差。

此外，代码和操作过程的分离还会导致程序的可维护性也较差。其原因是它把数据和处理数据的过程（函数）分为两个独立的部分，当数据结构改变时，所有与之相关的处理过程都要进行修改，增大了程序维护的难度。

例如，假设实现一个通信录管理软件，程序员编写了4个函数：InputData，SearchPhone，PrintData，SearchAddr，分别用于实现通信录数据的输入、输出和数据查询功能。许多技术都可以实现通信录的数据存取，如数组、链表、队列或堆栈等，本例中采用数组存取数据。

struct Person{   //用于存放个人信息的数据结构
   char name[10];
   char addr[20];
   char phone[11];
}
Person p[100];   //保存所有个人信息的全局数组
int n=0;    //用于保存实际人数的全局变量
void InputData(){……}  //初始化全局数组P，读入每个人的姓名、地址和电话
void SearchAddr(char *name){……} //根据姓名查找地址
void SearchPhone(char *name){……} //根据姓名查找电话号码
void PrintData(){……}    //打印输入每个人的姓名、地址和电话

这4个函数通过全局数组（即P）共享数据，并且相互影响。如果将这些函数提供给其他程序员使用，就必须让该程序员知道他不能定义和修改全局数组（即P），只能通过这4个过程存取全局数据P。

个人通信录管理程序代表了面向过程的编程方法：先定义一些全局性的数据结构，然后编写一些过程对这些数据结构进行操作，其模型如图1-1所示。

图1-1 结构化程序设计模型

从图1-1的程序模型可以看出，数据和函数之间存在潜在的连接关系。某个全局数据的修改可能会引起大量操作该全局数据的函数的修改。此外，若某个函数意外修改了某个全局数据，很可能引起程序数据的混乱。例如在个人通信录管理程序中，Person的变化会引起操作它的所有函数（如InputData()、SearchAddr()等）的修改。此外，谁也没有办法限制其他程序员定义与全局数据同名的变量（如数组P），也不能限制他修改全局数组的值。当程序规模较大时，这个问题尤其突出，软件维护困难。

支持结构化程序设计的高级语言称为结构化程序设计语言，提供了顺序、分支和循环三种基本结构，支持面向过程的程序设计。C、Fortran、BASIC、Pascal、Foxpro等都是当前仍在广泛使用的面向过程的程序设计语言。

2.面向对象程序设计

随着计算机技术的发展，软件应用的领域更加广泛，软件的规模和复杂度越来越大，软件更新的速度更快，面向过程程序设计技术已不能满足软件开发在效率、代码共享和更新维护等方面的需求了，取而代之的是面向对象的程序设计技术。

面向对象程序设计的基本观点是：计算机求解的都是现实世界中的问题，它们由一些相互联系并且处于不断运动变化的事物（即对象）组成，每个事物都可以通过两方面来刻画：描述事物状态的数据和描述事物行为的函数，应该把它们结合成一个整体，代表一个客观事物，这个整体就是对象。

可以看出，一个对象由数据和函数两部分构成。数据常被称为数据成员，函数则被称为成员函数。一个对象的数据成员通常只能通过自身的成员函数修改。对象真实地表达了客观事物，它将数据和操作数据的过程（函数）绑在一起，形成一个相互依存、不可分离的整体（即对象），从同类对象中抽象出共性，形成类。同类对象中的数据原则上只能用本类提供的方法（成员函数）进行处理。

面向对象程序技术能够实现对客观世界的真实模拟，反映出世界的本来面目。从客观世界中抽象出一个个对象，对象之间能够传递消息（一个对象向其他对象发出的服务请求信息），并通过特定的函数进行数据访问，禁止以任何未经允许的方式修改对象的数据，这就是面向对象程序设计的基本模式，如图1-2所示。

图1-2 面向对象程序设计的程序模型

面向对象程序技术提高了软件的重用性、灵活性和扩展性，且使软件具有更好的可维护性。因为某类对象数据的改变只会引起该类对象程序代码的改变，而与其他类型的对象无关，这就把程序代码的修改维护局限在了一个很小的范围内。由于数据和操作它的函数是一个整体，因此易被重用。在扩展某个对象的功能时，不用考虑它对其他对象的相互影响，软件功能的扩展更容易。