问题

如何理解 “c++缺少对象级别的消息发送机制” 这句话?

回答
这句话“C++缺少对象级别的消息发送机制”是一个比较经典且深刻的讨论点,它揭示了C++与某些其他面向对象语言(如Smalltalk或ObjectiveC)在设计哲学上的一个关键差异。要理解这句话,我们需要先回顾一下什么是“消息发送”,以及C++是如何处理对象交互的。

1. 什么是“消息发送”(Message Sending)?

在纯粹的面向对象语言中,“消息发送”是一种核心的编程范式。它的概念是这样的:

发送者 (Sender): 一个对象(主体)。
接收者 (Receiver): 另一个对象(目标)。
消息 (Message): 要接收者执行的某个操作的请求,通常包含一个“方法名”和可能附带的“参数”。

当一个对象需要另一个对象执行某个操作时,它会向那个对象“发送一个消息”。接收者对象收到消息后,会根据消息的名称(方法名)来查找并执行对应的方法。

关键特点 of Message Sending:

晚期绑定 (Late Binding) / 动态绑定 (Dynamic Binding): 消息发送最核心的特点是,在运行时才能确定具体执行哪个方法。接收者对象在收到消息时,会根据其自身的类型(运行时类型)来查找并调用相应的方法。即使发送者知道接收者的类型,它也只是发送一个通用的“请求”,具体的实现细节由接收者决定。
封装与解耦 (Encapsulation & Decoupling): 发送者不需要知道接收者是如何实现这个操作的,它只需要知道发送什么消息(方法名和参数)。这极大地增强了封装性,允许接收者在不影响发送者的情况下改变其内部实现。
多态的自然体现 (Natural Manifestation of Polymorphism): 通过消息发送,不同的接收者对象可以响应同一个消息,但执行不同的行为,这是多态最直接的体现。

举例(以ObjectiveC为例,它以消息发送为核心):

```objectivec
// Person.h
@interface Person : NSObject
(void)greet;
@end

// Student.h (继承自 Person)
@interface Student : Person
(void)greet; // 重写 greet 方法
@end

// Person.m
@implementation Person
(void)greet {
NSLog(@"Hello, I'm a generic person.");
}
@end

// Student.m
@implementation Student
(void)greet {
NSLog(@"Hello, I'm a student!");
}
@end

// main.m
int main(int argc, const char argv[]) {
@autoreleasepool {
Person person = [[Person alloc] init];
Student student = [[Student alloc] init];

// 发送消息 "greet"
[person greet]; // 输出: Hello, I'm a generic person.
[student greet]; // 输出: Hello, I'm a student!

Person personPtr = student; // 指向 Student 对象的 Person 指针
[personPtr greet]; // 输出: Hello, I'm a student!
// 这是晚期绑定的典型例子,根据 personPtr 指向的实际对象类型调用方法
}
return 0;
}
```

在这个ObjectiveC例子中,`[person greet]` 和 `[student greet]` 就是消息发送。`[personPtr greet]` 的效果更是凸显了晚期绑定:即使 `personPtr` 的编译时类型是 `Person`,但因为它在运行时实际指向的是一个 `Student` 对象,所以 `greet` 消息会被路由到 `Student` 类的 `greet` 方法。

2. C++ 如何处理对象交互?

C++ 是一种多范式语言,它支持面向过程、面向对象和泛型编程。在对象交互方面,C++ 主要依赖以下机制:

函数调用 (Function Call) / 方法调用 (Method Call): C++ 的对象交互是通过成员函数的调用来实现的。
`object.method(arguments)`
`pointer>method(arguments)`

静态绑定 (Static Binding) / 早期绑定 (Early Binding): 对于非虚函数,或者在没有指针或引用指向不同派生类对象的情况下,C++ 编译器在编译时就可以确定要调用哪个函数。这被称为静态绑定。

动态绑定 (Dynamic Binding) / 晚期绑定 (Late Binding): 对于虚函数 (Virtual Functions),C++ 在运行时会根据对象的实际类型(通过虚函数表 vtable)来决定调用哪个函数。这是C++实现多态的主要方式。

3. 理解“C++缺少对象级别的消息发送机制”

现在我们可以来理解这句话的含义了。这句话并不是说C++不能实现多态或对象交互,而是说C++的 核心机制 不是基于“发送消息”这个抽象概念,而是基于 函数/方法调用,并且其 默认行为 和 强调的关注点 与纯粹的消息发送语言不同。

核心区别在于“绑定点”和“抽象层级”:

消息发送 (Message Sending):
焦点在“消息”本身: 我要执行“greet”这个动作,发送给这个对象。
默认晚期绑定: 默认情况下,接收者如何响应消息是通过其运行时类型决定的,发送者不关心。
更纯粹的解耦: 发送者只需要知道方法签名和消息名称,甚至连“方法”这个词都可以省略,只说“发送消息”。

C++ 方法调用 (Method Call):
焦点在“函数/方法”: 我要调用 `对象.方法()`。
默认早期绑定 (对非虚函数): 对于非虚函数,编译器在编译时就确定了调用哪个函数。即使是虚函数,它也需要一个显式的 `virtual` 关键字来启用动态绑定。
更偏向底层细节: C++ 的方法调用更像是直接调用一个内存地址上的代码,即使是虚函数调用,其背后也是通过查找虚表来找到对应的函数地址,本质上还是函数调用的范式。

为什么说C++“缺少”?

1. 显式标记 `virtual`: 在C++中,如果你想让一个基类指针或引用调用派生类重写的函数时具有多态行为,你必须在基类中 显式地 将该函数声明为 `virtual`。如果没有 `virtual`,即使类型不同,也会调用基类版本(对于非虚函数)或出现未定义行为(对于未定义重载的虚函数)。而在消息发送模型中,这种动态性是 内建的、默认的。

2. `virtual` 关键字的含义: `virtual` 关键字在C++中是一个额外的“开关”来启用动态绑定。它是一种 可选的 增强,而不是语言的 基础通信方式。消息发送模型将动态性作为其基础通信协议。

3. 性能考虑与设计哲学: C++的设计哲学之一是“零成本抽象”(zerocost abstractions)。这意味着你使用的语言特性不应该带来不必要的运行时开销,除非你真的需要它。虚函数(以及其背后的虚表查找)确实会带来一定的运行时开销(尽管通常很小,而且优化得很好)。消息发送的纯粹晚期绑定模型可能在某些设计上更容易实现某些动态特性,但为了获得更好的性能和更直接的控制,C++选择了函数调用的模型,并通过 `virtual` 来选择性地开启动态绑定。

4. 对“消息”概念的抽象层次不同: 在C++中,我们谈论的是“调用方法”,发送方和接收方都明确知道“方法”的存在。在消息发送模型中,发送方更关注“执行这个行为”,而接收方根据收到的“消息”来决定具体执行哪个内部的“方法”。

举例说明C++中的“缺少”:

假设我们有以下C++代码:

```cpp
include
include

class Animal {
public:
void speak() { // 非虚函数
std::cout << "Generic animal sound" << std::endl;
}
virtual void eat() { // 虚函数
std::cout << "Animal is eating generically" << std::endl;
}
};

class Dog : public Animal {
public:
void speak() { // 隐藏了基类的 speak 方法,而不是重写
std::cout << "Woof!" << std::endl;
}
void eat() override { // 重写了虚函数
std::cout << "Dog is eating kibble" << std::endl;
}
};

int main() {
Animal a1 = new Animal();
Dog d1 = new Dog();
Animal a2 = new Dog(); // 基类指针指向派生类对象

std::cout << " Testing speak() " << std::endl;
a1>speak(); // 调用 Animal::speak()
d1>speak(); // 调用 Dog::speak()
a2>speak(); // !!! 调用 Animal::speak() !!! (因为 speak 不是虚函数)

std::cout << " Testing eat() " << std::endl;
a1>eat(); // 调用 Animal::eat()
d1>eat(); // 调用 Dog::eat()
a2>eat(); // !!! 调用 Dog::eat() !!! (因为 eat 是虚函数,a2 指向的是 Dog)

delete a1;
delete d1;
delete a2;
return 0;
}
```

在这个例子中:

`a1>speak();` 调用的是 `Animal::speak()`。
`d1>speak();` 调用的是 `Dog::speak()`。
`a2>speak();` 这是一个关键点。`a2` 是一个 `Animal` 指针,它指向一个 `Dog` 对象。然而,由于 `Animal::speak()` 不是虚函数,C++ 在编译时就确定了 `a2>speak()` 应该调用 `Animal::speak()`,而不是 `Dog::speak()`。这里的行为是 静态绑定。发送者 `a2` 只知道它要“调用 `speak`”,但因为 `speak` 不是 `virtual`,它被强制绑定到了基类的方法。
`a1>eat();` 调用 `Animal::eat()`。
`d1>eat();` 调用 `Dog::eat()`。
`a2>eat();` 这是多态的体现。因为 `Animal::eat()` 是虚函数,C++ 在运行时会检查 `a2` 指向的实际对象(是一个 `Dog`),然后找到 `Dog` 类重写的 `eat()` 方法并调用它。这里的行为是 动态绑定。

在消息发送模型中,如果我们把 `speak` 和 `eat` 都看作是“消息”,那么 `[a2 speak]` 应该像 `[a2 eat]` 一样,能够动态地找到 `Dog` 的 `speak` 实现。C++ 的这种行为差异(对非虚函数不进行动态分派)就是“缺少对象级别的消息发送机制”最直接的体现。在消息发送语言中,通常不会区分“虚”和“非虚”,一切交互都是消息,一切消息都可能进行动态分派。

总结:

“C++缺少对象级别的消息发送机制”这句话的意思是:

C++的核心对象交互机制是成员函数调用,而非更抽象的消息发送。
C++的动态绑定(多态)需要通过显式的 `virtual` 关键字来启用,它是一种“按需启用”的特性,而不是语言的默认通信范式。
相较于以消息发送为基础的语言,C++在处理非虚函数时,即使有基类指针指向派生类对象,也不会进行运行时的方法选择,而是倾向于早期绑定。

这并不意味着C++的面向对象能力弱,而是它在设计上选择了不同的侧重点和实现方式,以平衡抽象能力与性能和控制力。C++通过 `virtual` 提供了一种非常强大的多态机制,但其底层实现和哲学概念与“消息发送”略有不同。

网友意见

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看下Qt的signal slot你就知道什么叫对象级别的消息发送机制,为什么说c++没有了。

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