从基于对象转变到面向对象的C++教学案例

吕兰兰

（湖南科技学院电子与信息工程学院，永州 425199）

0 引言

面向对象程序设计主要讲授使用C++来进行面向对象程序设计。文献[1]以四个面向来表现C++的本质：面向过程、面向泛型、基于对象、面向对象。与基于对象程序设计相比，面向对象程序设计的编程理念更为先进也更为复杂，学生不容易区分二者的差别。学生虽然学习了封装、继承、多态等面向对象特性在C++中的语法，但是在设计程序解决具体问题时，虽然编写的C++程序中定义了类，却很少利用C++的继承和多态来提高代码重用。不难发现，文献[2]中给出的猜数字游戏的面向对象解决方案，从严格意义上来说其实是一个基于对象的解决方案，因为其中并没有用到继承和多态。因此，如何引导学生实现“从基于对象到面向对象的程序设计”的转化，成为讲授面向对象程序设计必须解决的重要问题之一。

1 面向对象的四个要素

1.1抽象

在面向对象的程序设计方法中，将各种事物称为“对象”。将同一类事物的共同特点概括出来，这个过程就称为“抽象”[3]。对象的抽象包括两个方面：属性和方法。在猜数字游戏中，出现了游戏、人类玩家、电脑玩家等对象。答案是游戏对象的一个属性；人类玩家和电脑玩家猜测的数，也可作为它们的属性。游戏对象具有“判断输赢”、“开始游戏”等方法，而人类玩家和电脑玩家对象则具有“猜数”等方法。

1.2封装

在完成抽象后，通过某种语法形式，将属性和方法在形式上写成一个整体，即“类”，这个过程就称为“封装”[3]。在猜数字游戏中，经过封装可以得到3个类：游戏类、人类玩家类和电脑玩家类。

1.3继承

猜数字游戏中的人类玩家和电脑玩家，它们具有许多共性，例如它们都具有“猜数”这一方法以及所猜的“数”这一属性。同时，它们也分别具有一些特性，例如人类玩家可以根据当前猜数结果自动调整猜数范围，而电脑玩家则需通过“更新范围”的方法达到这一目标。如何在描述两类玩家各自特性的同时，避免对它们的共性进行重复描述呢？这就可以借助面向对象方法中的继承与派生了。所谓继承，就是从先辈处得到属性和行为特征[4]。因此，可以创建一个新的类——玩家类，用它来描述两类玩家的共性，再将人类玩家类和电脑玩家类作为玩家类的派生类，这样就能够很好地描述两类账户的共性和各自的特性。

1.4多态

所谓多态具体是指，由继承而产生的相关的不同的类，其对象对同一消息会做出不同的响应[5]。猜数字游戏中的人类玩家和电脑玩家，是从玩家类派生出的两个相关但不同的子类，它们在接收到“猜数”这一消息后，人类玩家可由用户直接从键盘输入所猜的数，而电脑玩家则只能产生一个随机数作为要猜的数。显然，它们针对同一消息所做出的响应是不同的，这就是多态。因此，在C++中可以通过将玩家类中的“猜数”这一方法声明为虚函数，并在人类玩家类和电脑玩家类中重新定义“猜数”方法，达到实现多态的目的。

2 精化基于对象解决方案

经测试，文献[2]中“面向对象解决方案”中实现的C++程序，其运行结果与文献[2]中“教学案例：猜数字游戏”部分给出的程序运行样例有本质区别。在程序实际运行结果中，可能会出现以下情况：人类玩家Human首先猜了一个数50，程序提示“太低”，但紧接着电脑玩家猜了一个数16。这显示电脑玩家很“笨”。不难发现，这是由于电脑玩家每次只会随机猜一个数而造成的。为了提高电脑玩家的游戏智能，必须使电脑玩家可以根据双方已经猜过的数来调整自己的猜数范围。因此，可以启发学生进一步精化文献[2]的交互建模[6]和设计建模[6]，并按照精化的设计类图重新编程实现猜数字游戏，这样就可以完善猜数字游戏的基于对象解决方案。

2.1精化交互建模

如上所述，要提高电脑玩家的游戏智能，必须要将游戏双方已经猜过的数以及猜的结果通知电脑玩家，尤其是人类玩家“：Human”的猜数情况。此时，猜数字游戏中游戏对象“：Game”、人类玩家“：Human”、电脑玩家“：Computer”这三个对象之间的交互情况与文献[2]有所不同。可以使用UML顺序图表达精化交互建模的结果，如图1所示。

图1 猜数字游戏顺序图

从图 1中可以看到，游戏对象“：Game”在每次check 之后，均向电脑玩家“：Computer”发送了一条 up⁃date消息来通知电脑玩家“：Computer”来及时更新自己猜数时的下限和上限。

2.2精化设计建模

图1中新增的两条update消息均由游戏对象“：Game”发出，且均由电脑玩家“：Computer”接收。按照设计建模的原则，对于顺序图中的每一条消息，接收该消息的对象需要提供相应的方法来响应，从而获得每一个类的职责和属性以及类之间的关系。因此，需在Computer类中添加相应的update（）方法来处理接收到的消息。可使用UML设计类图表达精化设计建模的结果，如图2所示。

图2 猜数字游戏设计类图

需要注意的是，图2中除了Computer类新增了update（）方法来更新猜数范围，还在Computer类中新增了2个private属性high和low用于表示猜数范围的上限和下限。同时，图2中Game类的check（）方法的返回值类型由bool改为int，用于表示猜数字游戏结果中的猜高了（1）、猜对了（0）和猜低了（-1）。对部分学生来讲，这些可能要到类的代码实现阶段才能想到。

2.3精化类的实现

根据图2可以方便地进行类的代码实现。下面仅给出电脑玩家类Computer的完整代码，以及游戏类的部分代码。

在上述程序中，即使人类玩家故意忽视游戏提示乱猜，电脑玩家依然能够不受干扰地猜一个合理的数。例如，在游戏双方猜的50和30都提示“太高”的情况下，人类玩家Human故意猜一个数70，紧接着电脑玩家猜的数4却是小于30的。这表明电脑玩家在更新自己猜数范围的下限和上限时，能够人类玩家猜的数是否处于合理范围内做出正确判断。这样，电脑玩家已经变得和人类玩家一样“聪明”。

3 面向对象解决方案

之所以将上述解决方案称为“精化的基于对象解决方案”，是因为其中并没有用到继承和多态特性。下面将利用继承和多态特性，进一步引导学生在目前构造的基于对象的猜数字游戏程序基础上，设计并实现面向对象的猜数字游戏。

3.1设计建模

如1.3中所述，不管是人类玩家，还是电脑玩家，都是猜数字游戏中的玩家，因此可以将二者的共性抽象出来，封装在玩家Player类中，且Player类中有一个public方法guess（）和一个protected属性num。利用类的继承特性，以玩家Player类作为基类，从Player类派生出人类玩家Human类和电脑玩家Computer类。可使用UML设计类图表达精化设计建模的结果，如图3所示。

图3 猜数字游戏设计类图

通过将游戏类Game中的play（）方法的原型做如下更改：

void play（Player&p1,Player&p2）;

就可将猜数字游戏从“人机对战”模式扩展到“人人对战”、“机机对战”模式，如下所示：

3.2类的实现

根据图3可以方便地进行类的代码实现。下面仅给出玩家类Player的完整代码，以及游戏类Game的部分代码。

需要说明的是，Game类的play（）方法的实现对于部分学生来讲可能是一个难点，尤其是在第一个玩家p1和第二个玩家p2分别猜完数字之后，均要使用下列语句通知游戏双方：

4 结语

本文以学生熟悉的猜数字游戏作为案例，阐述了该案例的基于对象解决方案与面向对象解决方案，并在两种解决方案的设计过程中融合了基于UML的面向对象软件建模技术，以图形化的方式直观表达了从基于对象到面向对象的过渡。目前，该案例已在我校软件工程专业2015级和2016级学生中进行了2学期的教学实践。我们发现，通过引入UML，分别有大约95%、75%和90%的学生独立实现了该案例的基于对象方案、基于对象精化方案和面向对象方案，各项数据较之前均有大幅上升。但是，基于对象精化方案本身属于进阶内容。为了降低难度，也可跳过该方案、直接对文献[2]的基于对象方案进行面向对象改进。对大部分学生而言，要达到熟练运用继承和多态实现代码重用的程度，实现从基于对象程序设计到面向对象程序设计的跨越，还需要设计更多更好的能贯穿基于对象和面向对象的案例。而在不同难度案例的选择和设计上，仍然需要进行进一步的研究与探索。