呂蘭蘭

（湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，永州 425199）

0 引言

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)主要講授使用C++來(lái)進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]以四個(gè)面向來(lái)表現(xiàn)C++的本質(zhì)：面向過(guò)程、面向泛型、基于對(duì)象、面向?qū)ο?。與基于對(duì)象程序設(shè)計(jì)相比，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的編程理念更為先進(jìn)也更為復(fù)雜，學(xué)生不容易區(qū)分二者的差別。學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了封裝、繼承、多態(tài)等面向?qū)ο筇匦栽贑++中的語(yǔ)法，但是在設(shè)計(jì)程序解決具體問(wèn)題時(shí)，雖然編寫(xiě)的C++程序中定義了類，卻很少利用C++的繼承和多態(tài)來(lái)提高代碼重用。不難發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[2]中給出的猜數(shù)字游戲的面向?qū)ο蠼鉀Q方案，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)其實(shí)是一個(gè)基于對(duì)象的解決方案，因?yàn)槠渲胁](méi)有用到繼承和多態(tài)。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)“從基于對(duì)象到面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)化，成為講授面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)必須解決的重要問(wèn)題之一。

1 面向?qū)ο蟮乃膫€(gè)要素

1.1抽象

在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法中，將各種事物稱為“對(duì)象”。將同一類事物的共同特點(diǎn)概括出來(lái)，這個(gè)過(guò)程就稱為“抽象”[3]。對(duì)象的抽象包括兩個(gè)方面：屬性和方法。在猜數(shù)字游戲中，出現(xiàn)了游戲、人類玩家、電腦玩家等對(duì)象。答案是游戲?qū)ο蟮囊粋€(gè)屬性；人類玩家和電腦玩家猜測(cè)的數(shù)，也可作為它們的屬性。游戲?qū)ο缶哂小芭袛噍斱A”、“開(kāi)始游戲”等方法，而人類玩家和電腦玩家對(duì)象則具有“猜數(shù)”等方法。

1.2封裝

在完成抽象后，通過(guò)某種語(yǔ)法形式，將屬性和方法在形式上寫(xiě)成一個(gè)整體，即“類”，這個(gè)過(guò)程就稱為“封裝”[3]。在猜數(shù)字游戲中，經(jīng)過(guò)封裝可以得到3個(gè)類：游戲類、人類玩家類和電腦玩家類。

1.3繼承

猜數(shù)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(shù)”這一方法以及所猜的“數(shù)”這一屬性。同時(shí)，它們也分別具有一些特性，例如人類玩家可以根據(jù)當(dāng)前猜數(shù)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整猜數(shù)范圍，而電腦玩家則需通過(guò)“更新范圍”的方法達(dá)到這一目標(biāo)。如何在描述兩類玩家各自特性的同時(shí)，避免對(duì)它們的共性進(jìn)行重復(fù)描述呢？這就可以借助面向?qū)ο蠓椒ㄖ械睦^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(chuàng)建一個(gè)新的類——玩家類，用它來(lái)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(tài)

所謂多態(tài)具體是指，由繼承而產(chǎn)生的相關(guān)的不同的類，其對(duì)象對(duì)同一消息會(huì)做出不同的響應(yīng)[5]。猜數(shù)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(gè)相關(guān)但不同的子類，它們?cè)诮邮盏健安聰?shù)”這一消息后，人類玩家可由用戶直接從鍵盤輸入所猜的數(shù)，而電腦玩家則只能產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為要猜的數(shù)。顯然，它們針對(duì)同一消息所做出的響應(yīng)是不同的，這就是多態(tài)。因此，在C++中可以通過(guò)將玩家類中的“猜數(shù)”這一方法聲明為虛函數(shù)，并在人類玩家類和電腦玩家類中重新定義“猜數(shù)”方法，達(dá)到實(shí)現(xiàn)多態(tài)的目的。

2 精化基于對(duì)象解決方案

經(jīng)測(cè)試，文獻(xiàn)[2]中“面向?qū)ο蠼鉀Q方案”中實(shí)現(xiàn)的C++程序，其運(yùn)行結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中“教學(xué)案例：猜數(shù)字游戲”部分給出的程序運(yùn)行樣例有本質(zhì)區(qū)別。在程序?qū)嶋H運(yùn)行結(jié)果中，可能會(huì)出現(xiàn)以下情況：人類玩家Human首先猜了一個(gè)數(shù)50，程序提示“太低”，但緊接著電腦玩家猜了一個(gè)數(shù)16。這顯示電腦玩家很“笨”。不難發(fā)現(xiàn)，這是由于電腦玩家每次只會(huì)隨機(jī)猜一個(gè)數(shù)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(jù)雙方已經(jīng)猜過(guò)的數(shù)來(lái)調(diào)整自己的猜數(shù)范圍。因此，可以啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步精化文獻(xiàn)[2]的交互建模[6]和設(shè)計(jì)建模[6]，并按照精化的設(shè)計(jì)類圖重新編程實(shí)現(xiàn)猜數(shù)字游戲，這樣就可以完善猜數(shù)字游戲的基于對(duì)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(jīng)猜過(guò)的數(shù)以及猜的結(jié)果通知電腦玩家，尤其是人類玩家“：Human”的猜數(shù)情況。此時(shí)，猜數(shù)字游戲中游戲?qū)ο蟆埃篏ame”、人類玩家“：Human”、電腦玩家“：Computer”這三個(gè)對(duì)象之間的交互情況與文獻(xiàn)[2]有所不同。可以使用UML順序圖表達(dá)精化交互建模的結(jié)果，如圖1所示。

圖1 猜數(shù)字游戲順序圖

從圖 1中可以看到，游戲?qū)ο蟆埃篏ame”在每次check 之后，均向電腦玩家“：Computer”發(fā)送了一條 up?date消息來(lái)通知電腦玩家“：Computer”來(lái)及時(shí)更新自己猜數(shù)時(shí)的下限和上限。

2.2精化設(shè)計(jì)建模

圖1中新增的兩條update消息均由游戲?qū)ο蟆埃篏ame”發(fā)出，且均由電腦玩家“：Computer”接收。按照設(shè)計(jì)建模的原則，對(duì)于順序圖中的每一條消息，接收該消息的對(duì)象需要提供相應(yīng)的方法來(lái)響應(yīng)，從而獲得每一個(gè)類的職責(zé)和屬性以及類之間的關(guān)系。因此，需在Computer類中添加相應(yīng)的update（）方法來(lái)處理接收到的消息?？墒褂肬ML設(shè)計(jì)類圖表達(dá)精化設(shè)計(jì)建模的結(jié)果，如圖2所示。

圖2 猜數(shù)字游戲設(shè)計(jì)類圖

需要注意的是，圖2中除了Computer類新增了update（）方法來(lái)更新猜數(shù)范圍，還在Computer類中新增了2個(gè)private屬性high和low用于表示猜數(shù)范圍的上限和下限。同時(shí)，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(shù)字游戲結(jié)果中的猜高了（1）、猜對(duì)了（0）和猜低了（-1）。對(duì)部分學(xué)生來(lái)講，這些可能要到類的代碼實(shí)現(xiàn)階段才能想到。

2.3精化類的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖2可以方便地進(jìn)行類的代碼實(shí)現(xiàn)。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(gè)合理的數(shù)。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(gè)數(shù)70，緊接著電腦玩家猜的數(shù)4卻是小于30的。這表明電腦玩家在更新自己猜數(shù)范圍的下限和上限時(shí)，能夠人類玩家猜的數(shù)是否處于合理范圍內(nèi)做出正確判斷。這樣，電腦玩家已經(jīng)變得和人類玩家一樣“聰明”。

3 面向?qū)ο蠼鉀Q方案

之所以將上述解決方案稱為“精化的基于對(duì)象解決方案”，是因?yàn)槠渲胁](méi)有用到繼承和多態(tài)特性。下面將利用繼承和多態(tài)特性，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生在目前構(gòu)造的基于對(duì)象的猜數(shù)字游戲程序基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟聰?shù)字游戲。

3.1設(shè)計(jì)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(shù)字游戲中的玩家，因此可以將二者的共性抽象出來(lái)，封裝在玩家Player類中，且Player類中有一個(gè)public方法guess（）和一個(gè)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(shè)計(jì)類圖表達(dá)精化設(shè)計(jì)建模的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 猜數(shù)字游戲設(shè)計(jì)類圖

通過(guò)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(shù)字游戲從“人機(jī)對(duì)戰(zhàn)”模式擴(kuò)展到“人人對(duì)戰(zhàn)”、“機(jī)機(jī)對(duì)戰(zhàn)”模式，如下所示：

3.2類的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖3可以方便地進(jìn)行類的代碼實(shí)現(xiàn)。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(shuō)明的是，Game類的play（）方法的實(shí)現(xiàn)對(duì)于部分學(xué)生來(lái)講可能是一個(gè)難點(diǎn)，尤其是在第一個(gè)玩家p1和第二個(gè)玩家p2分別猜完數(shù)字之后，均要使用下列語(yǔ)句通知游戲雙方：

4 結(jié)語(yǔ)

本文以學(xué)生熟悉的猜數(shù)字游戲作為案例，闡述了該案例的基于對(duì)象解決方案與面向?qū)ο蠼鉀Q方案，并在兩種解決方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中融合了基于UML的面向?qū)ο筌浖＜夹g(shù)，以圖形化的方式直觀表達(dá)了從基于對(duì)象到面向?qū)ο蟮倪^(guò)渡。目前，該案例已在我校軟件工程專業(yè)2015級(jí)和2016級(jí)學(xué)生中進(jìn)行了2學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入U(xiǎn)ML，分別有大約95%、75%和90%的學(xué)生獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了該案例的基于對(duì)象方案、基于對(duì)象精化方案和面向?qū)ο蠓桨?，各?xiàng)數(shù)據(jù)較之前均有大幅上升。但是，基于對(duì)象精化方案本身屬于進(jìn)階內(nèi)容。為了降低難度，也可跳過(guò)該方案、直接對(duì)文獻(xiàn)[2]的基于對(duì)象方案進(jìn)行面向?qū)ο蟾倪M(jìn)。對(duì)大部分學(xué)生而言，要達(dá)到熟練運(yùn)用繼承和多態(tài)實(shí)現(xiàn)代碼重用的程度，實(shí)現(xiàn)從基于對(duì)象程序設(shè)計(jì)到面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的跨越，還需要設(shè)計(jì)更多更好的能貫穿基于對(duì)象和面向?qū)ο蟮陌咐?。而在不同難度案例的選擇和設(shè)計(jì)上，仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探索。