D语言的陷阱

原文：http://colorful1982.blog.sohu.com/45473453.html

关注D语言已一月有余。最近又在翻看D语言规范，写些心得，以资纪念（本文代码采用C#命名规范）。

诚如D所介绍的那样，它是一门通用的系统和应用编程语言。俺最欣赏D能以原生语言的身份引入垃圾回收机制。不依赖于特定虚拟机的实现着实让俺兴奋了一阵。 垃圾回收是个古老话题，它的好处自不待言，N多语言都提供这种机制，但在原生语言中引入仍是凤毛麟角。听说C++0x标准正在准备引入垃圾回收机制，无疑D已经在这方面先行一步。

D借鉴了很多语言的长处，但在很大程度上保留了C/C++的观感。为了与C二进制兼容，采用了C99的数据类型；为了支持多种编程范式，沿袭了C++的模型。其中值得一提的是它的虚方法调用机制师从于Java。俺所说的是D在OOP上的理解。

现代编程语言基本都提供了OOP的编程机制，即封装，继承和多态。先声明一下，在这里我们讨论的主要是语言层面的OOP。设计模式提及的OOP是在编程语言提供的OO机制上的升华，是代码如何有效组织，与语言上的OO机制有很大不同。D语言采用单根+接口的继承机制。在多态上主要使用虚方法表和多接口来实现，而数据封装则主要通过它的attributes。

OK，下面我们先来看下D语言attributes语法层面上的小陷阱。

Attributes的定义如下：Attributes are a way to modify one or more declarations（D语言的attributes是用来修饰一个或多个声明的方式）.

它通常形式如下:

attribute declaration; /* affects the declaration */
attribute: /* affects all declarations until the next } */
  declaration;
  declaration;
  ...
attribute /* affects all declarations in the block */
{
  declaration;
  declaration;
  ...
}
你可能会说，这不是已经解释的很清楚了吗？当然，对于1和3的声明方式，我们都很容易理解。但是第2种声明方式，我就犯迷糊了。我们不论在phobos还是tango库都可以找到大量的类似声明。

比如 fenv.d（为了方便观看，去除了注释）：

/* 示例1 */
module std.c.fenv;
extern(C):
struct fenv_t
{
  version(Windows)
  {
    ushort status;
    ushort control;
    ...
  }
  ...
}
...
enum
{
  FE_INVALID = 0x01;
  ...
}
void feraiseexcept(int except);
...
再比如array.d。

/* 示例2 */
module std.array;
private import std.c.stdio;
class ArrayBoundsError: Error
{
   private:
     uint linum;
     char[] filename;
   public:
     this(...)
     {
       ...
     }
}
...
查阅源代码，这些都很容易理解。但是，这跟文档明显有出入。如果这不是语法陷阱，那么就是写文档的笔误了。

上面的是开胃小菜，真正的大餐来了，呵呵。

看一下下面这个示例。

/* 示例3 */
module sample;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestClassA();
  return 0;
}
void TestClassA()
{
  A a = new A();
  printf("%*s",a.Method());/* 这里可以看出C和D处理字符串的区别 */
}
class A
{
  char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
函数TestClassA()会执行成功吗？答案是肯定的。因为在不带修饰符的情况下，D语言默认是public级别，不论对象是全局函数，结构还是类，成员函数。前面都好理解，但是连成员函数都默认是public，这就奇怪了。从OOP的角度来说，默认应该是保护级别的最大级别，尤其是在类中。在C++中，成员函数默认是private，这跟数据封装有关系。因为当程序员忘记修饰时，编译器会帮忙以免数据可以随意访问。当以后需求有变化时，再把它修正为public，这样对现存的客户程序都不会有兼容的问题。但是如果一旦把public修正为private时，麻烦就来了。继承的子类，客户程序等等都要在考虑之列。至于D为什么要把成员函数默认为public，俺不理解。另外俺认为良好的编程风格应该可以清晰表达代码的意图。D为了保持C/C++的观感，采取了上面的风格。俺不推荐。俺认为风格应该如下（以下所有的代码示例都会采用如下风格，并且除非采用C面向过程的结构化编程，不会再用到类似TestClassA()这种全局函数）：

public class A
{
  public char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
下面再看一下这段代码示例。

/* 示例4 */
module sample;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestCase test = new TestCase();
  test.TestClassA();
  return 0;
}
public class TestCase
{
  public void TestClassA()
  {
    A a = new A();
    printf("%*s",a.Method());/* 这里可以看出C和D处理字符串的区别 */
  }
}
public class A
{
  private char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
有过C++经验的程序员看到上面这段代码，会不会认为这是段错误代码，能通过编译吗？答案是上面这段代码不但能通过编译，而且运行良好。为什么会这样？D里面的private和C++/C#等语言private的语义稍有不同。在D中，private修饰的函数不仅可以被所在类的内部成员访问，甚至可以被同一模块内的其他成员访问。在同一模块内，它相当于C语言中被static修饰的函数，表达的是friend的语义。这一点跟Delphi很相似，只不过在Delphi中称其为单元（unit）。俺认为，D语言提供这个特性虽然方便了程序员编码，但也可能造成槽糕的代码组织和编程习惯。因为它破坏了OOP的封装性。所以，Delphi在其2005新版中增加了strict private来确保封装的严密。但在D中，目前还没有提供相似的功能。或许是D有意为之？俺建议，如果采用OOP，在模块内应人为限制private的语义（类C编程除外）。这是个无奈之举，最稳妥的办法是在语言机制上做出修改。

同理，protected也存在同样的问题。

到了这里，你可能会质疑示例3。D语言默认成员函数的访问级别应该是private才对啊，因为同一模块内，它可以随意访问。那么我们再修改一下示例3代码。

/* 示例5 */
module sample1;  //文件sample1.d
import std.c.stdio;
class A
{
  char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}

module sample2;  //文件sample2.d
private import sample1;
int main(char[][] argv)
{
  TestClassA();
  return 0;
}
void TestClassA()
{
  A a = new A();
  printf("%*s",a.Method());
}编译运行示例5，我们发现依然能运行成功。如果修改Method()为private级别，则不会编译成功。这就说明前面的分析正确。

下面，我们来讨论一下D的继承机制。

/* 示例6 */
module sample;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestCase test = new TestCase();
  test.Test();
  return 0;
}
public class TestCase
{
  public void Test()
  {
    TestClassA();
    TestClassB();
  }
  private void TestClassA()
  {
    printf("Call function TestClassA()...\n");
    A a = new A();
    printf("%*s",a.Method());
    printf("\n\n");
  }
  private void TestClassB()
  {
    printf("Call function TestClassB()...\n");
    B b = new B();
    printf("%*s",b.Method());
    printf("\n");
    printf("%*s",b.Method(1));
    printf("\n\n");
  }
}
public class A
{
  public char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
public class B : A
{
  public char[] Method(int i){return "Call member function Method(int) of Class B.";}
} 从C++的角度来看，上述代码并没有任何错误。但是在D中却不能编译通过。原因是B中并不存在有函数匹配Method()原型，所以b.Method()会调用不成功。奇怪，B明明继承父类A的Method()了啊。怎么会不能编译？

下面让我们修改一下示例6的代码。

/* 示例7 */
module sample;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestCase test = new TestCase();
  test.Test();
  return 0;
}
public class TestCase
{
  public void Test()
  {
    TestClassA();
    TestClassB();
  }
  private void TestClassA()
  {
    printf("Call function TestClassA()...\n");
    A a = new A();
    printf("%*s",a.Method());
    printf("\n\n");
  }
  private void TestClassB()
  {
    printf("Call function TestClassB()...\n");
    B b = new B();
    printf("%*s",b.Method());
    printf("\n");
    printf("%*s",b.AnotherMethod());
    printf("\n\n");
  }
}
public class A
{
  public char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
public class B : A
{
  public char[] AnotherMethod(){return "Call member function AnotherMethod() of Class B.";}
}
这下总算可以编译运行了。郁闷了吧，哈哈。为什么示例6不能编译，而示例7可以？我们注意到两个示例有点小小的不同，就是示例6有重载方法，而示例7则没有。Bingo！原因就在于此。D认为如果你要重载父类的方法，就必须显式的声明它。这是个良好的习惯，但许多程序员一开始都很不适应（Delphi和VB程序员似乎不会有这个问题，因为它们重载要显式声明），呵呵。我们再次修改示例6的代码，以便让其重载方法可以运行。

/* 示例8 */
module sample;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestCase test = new TestCase();
  test.Test();
  return 0;
}
public class TestCase
{
  public void Test()
  {
    TestClassA();
    TestClassB();
  }
  private void TestClassA()
  {
    printf("Call function TestClassA()...\n");
    A a = new A();
    printf("%*s",a.Method());
    printf("\n\n");
  }
  private void TestClassB()
  {
    printf("Call function TestClassB()...\n");
    B b = new B();
    printf("%*s",b.Method());
    printf("\n");
    printf("%*s",b.Method(1));
  }
}
public class A
{
  public char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
public class B : A
{
  alias A.Method Method;
  public char[] Method(int i){return "Call member function Method(int) of Class B.";}
} 最后，我们来看下D语言的多态。D语言实现多态主要是通过虚方法调用和多接口继承。此外，抽象类的使用也是实现多态的重要途径之一。多态问题非常复杂，很难一下说清楚。因此，我们重点考察D的虚方法调用和多接口继承（应用设计模式，抽象类也能发挥很大作用，但不在我们讨论范围之内）。

D语言的虚方法调用机制跟Java很相似，却与C++/C#背道而驰（这两种设计哲学孰优孰劣不予讨论）。D认为，所有非静态，非私有方法默认都是虚方法。需要说明的是，虚方法调用的开销要比非虚方法调用大的多。因此，D编译器在编译代码之前，会分析子类是否overridden父类的虚方法。如果没有，则编译成非虚方法。这样做的好处是不用再考虑应该把哪个方法设置为虚方法了，坏处是可能造成设计的不清晰和滥用。

接口既是表达多态的手段，也是实现契约编程的手段。接口实际上只是为一组方法签名指定一个名称的方式。这些方法根本不带任何实现。但是继承接口与继承父类截然不同。继承接口必须显式实现接口方法，而继承父类则不必显式实现。不管一个接口的契约说明有多么好，都无法保证任何人能100%正确实现它。COM就颇受这个问题之累，导致有的COM对象只能正确用于Microsoft Office Word或Microsoft Internet Explorer。此外，如果多个接口的方法签名相同，如何正确实现它也是个问题。值得注意的是，接口方法是虚方法。

下面的示例很好的说明了上述问题。

/* 示例9 */
module sampleford;
import std.c.stdio;
int main(char[][] argv)
{
  TestCase test = new TestCase();
  test.Test();
  return 0;
}
public class TestCase
{
  public void Test()
  {
    A a = new A();
    printf("%*s", a.Method());
    printf("\n");
    B b = new B();
    printf("%*s", b.Method());
    printf("\n");
    C c = new C();
    printf("%*s", c.Method());
    printf("\n\n");

    printf("---------Program executes succeeded.--------");
  }
}

public interface IA
{
  char[] Method();
}
public interface IB
{
  char[] Method();
}

public class A : IA
{
  public char[] Method(){return "Call member function Method() of class A.";}
}
public class B : A
{
  public override char[] Method(){return "Call member function Method() of class B.";}
}
/* C应该怎么实现 */
public class C : A, IA, IB
{
  /*
   * 奇怪的是竟然可以编译成功,不知道算不算是个Bug.
   * 但是调用不到这个方法.
   */
  alias A.Method Method;
  /*
   * 这个方法到底是谁的实现
   * 遗憾的是D还没有提供显式接口实现的特性
   * 所以目前不能区分到底实现的哪个接口方法
   */
  public override char[] Method(){return "Call member function Method() of class C.";}
}
D语言存在的陷阱不在少数。比如指针的陷阱，虽然比C++中减少了很多，但是只要是指针，就不可避免的存在问题，甚至新增了一个指向垃圾收集堆的新问题，幸运的是我们大部分情况下不需要动用指针这个超级武器。比如泛型编程，泛型已经逐渐成为编程主流，但是D当中的模板依然存在一定问题（这些问题有时间再撰文讨论）。俺只是讨论了D在OOP当中应该注意的问题，这些问题在其他编程语言中也或多或少的存在。

总之，D是一门发展中的语言，具有很大潜力。我很看好你呦！