面向对象编程已死，OOP 永存！

Brooke 程序人生 2019-10-30

【程序人生编者按】ECS（ECS，Entity–component–system，实体组件系统，是一种主要用于游戏开发的架构模式），是在游戏开发社区广为流传的伪模式，它基本上是关系模型的翻版，其中“实体”是ID，表示无形的对象，“组件”是特定表中的行，该行引用一个ID，而“系统”是更改组件的过程性的代码。
这种“模式”经常会导致继承的过度使用，而不会提及过度使用继承，其实违反了OOP（OOP，Object Oriented Programming，面向对象编程，是一种计算机编程架构）原则。那么如何避免这种情况呢？本文作者，会给大家介绍下真正的设计指南。

作者 | Brooke Hodgman

译者 | 弯月，责编 | 胡巍巍

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

灵感

这篇文章的灵感，来自最近Unity的知名工程师Aras Pranckevičius一次面向初级开发者的公开演讲，演讲的目的是让他们熟悉新的“ECS”架构的一些术语。

Aras使用了非常典型的模式，他展示了一些非常糟糕的OOP代码，然后表示关系模型是个更好的方案（不过这里的关系模型称为“ECS”）。我并不是要批评Aras，实际上我很喜欢他的作品，也非常赞赏他的演讲！

我选择他的演讲而不是网上几百篇关于ECS的其他帖子的原因是，他的演讲给出了代码，里面有个非常简单的小“游戏”用来演示各种不同的架构。这个小项目节省了我很多精力，可以方便我阐述自己的观点，所以，谢谢Aras！

Aras幻灯片的链接：

http://aras-p.info/texts/files/2018Academy%20-%20ECS-DoD.pdf

代码链接：

https://github.com/aras-p/dod-playground

我不想分析他的演讲最后提出的ECS架构，只想就他批判的“坏的OOP”代码来说说我的看法。我想论述的是，如果我们能改正所有违反OOD（面向对象设计）原则的地方，会变成什么样子。

剧透警告：改正违反OOD的代码，能得到与Aras的ECS版本相似的性能改进，而且还能比ECS版本占用更少的内存，代码量也更少！

概括为一句话：如果你认为OOP是垃圾、而ECS才是王道，那么先去了解一下OOD（即怎样正确使用OOP），再学学关系模型（了解怎样正确使用ECS）。

我一直很反感论坛上的许多关于ECS的帖子，部分原因是我觉得ECS够不上单独弄个术语的程度（剧透：它只不过是关系模型的专用版本），另一部分原因是所有宣扬ECS模式的帖子、幻灯片或文章都有着同样的结构：

展示一些很糟糕的OOP代码，其设计很垃圾，通常是过度使用继承（这一条就违反了许多OOD原则）。
证明组合要比继承更好（其实OOD早就这么说过）。
证明关系模型很适合游戏开发（只不过改名叫ECS）。

这种结构的文章很让我恼火，因为：

偷换概念。它对比的对象风马牛不相及，这一点很难让人信服，虽然可能是出于无意，却也并不能证明它提出的新架构更好。
它会产生副作用，贬低知识，并且无意间打击读者去学习该领域长达五十多年的研究结果。关系模型第一次是在上世纪六十年代提出的。七八十年代深入研究了该模型的各个方面。新手经常提出的问题是“这个数据应该放到哪个类里？”而该问题的答案通常很模糊，“等你有了更多经验以后自然而然就知道了”。但在七十年代，这个问题深入地研究，并用通用的、正式的方式解决了，即数据库的正规化（https://en.wikipedia.org/wiki/Database_normalization#Normal_forms）。忽略已有的研究成果把ECS当作全新的方案来展示，就等于把这些知识藏起来不告诉新手程序员。

面向对象编程的历史也同样悠久（实际上比关系模型还要久，它的概念从上世纪五十年代就出现了）！但是，直到九十年代，OO才得到人们的关注，成了主流的编程范式。各种各样的OO语言雨后春笋般地出现，其中就包括Java和（标准版本的）C++。

但由于它是被炒作起来的，所以每个人只是把这个词写到自己的简历上，真正懂得它的人少之又少。这些新语言引入了许多关键字来实现OO的功能，如CLASS、Virtual、extends、implements，我认为自此OO分成了两派。

后面我把拥有OO思想的编程语言称为“OOP”，使用OO思想的设计和架构技术称为“OOD”。每个人学习OOP都很快，学校里也说OO类非常高效，很适合新手程序员……但是，OOD的知识却被抛在了后面。

我认为，使用OOP的语言特性却不遵循OOD设计规则的代码，不是OO代码。大多数反对OO的文章所攻击的代码都不是真正的OO代码。

OOP代码的名声很差，其中部分原因就是大多数OOP代码没有遵循OOD原则，所以其实不是真正的OO代码。

背景

前面说过，上世纪九十年代是OO的大爆炸时代，那个时期的“坏OOP代码”可能是最糟糕的。如果你在那个时期学习了OOP，那么你很可能学过下面的“OOP四大支柱”：

抽象

封装

多态

继承

我更倾向于称他们为“OOP的四大工具”而不是四大支柱。这些工具可以用来解决问题。但是，只学习工具的用法是不够的，你必须知道什么时候应该使用它们。

教育者只传授工具的用法而不传授工具的使用场景，是不负责任的表现。在二十一世纪初，第二波OOD思潮出现，工具的滥用得到了一定的抑制。

当时提出了SOLID（https://en.wikipedia.org/wiki/SOLID）思想体系来快速评价设计的质量。注意其中的许多建议其实在上世纪九十年代就广为流传了，但当时并没有像“SOLID”这种简单好记的词语将其提炼成五条核心原则……

单一职责原则（Single Responsibility Principle）。每个类应该只有一个目的。如果类A有两个目的，那么分别创建类B和类C来处理每个目的，再从B和C中提炼出A。
开放/封闭原则（Open / Closed Principle）。软件随时都在变化（即维护很重要）。把可能会变化的部分放到实现（即具体的类）中，给不太可能会变化的东西建立接口（比如抽象基类）。

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）。每个接口的实现都应该100%遵循接口的要求，即任何能在接口上运行的算法都应该能在具体的实现上运行。

接口隔离原则（Interface Segregation Principle ）。接口应当尽量小，保证每一部分代码都“只需了解”最小量的代码，也就是说避免不必要的依赖。这一条建议对C++也很好用，因为不遵循这条原则会让编译时间大幅增长。

依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle）。两个具体的实现直接通信并且互相依赖的模式，可以通过将两者之间的通信接口正规化成第三个类，将这个类作为两者之间的接口的方式解耦合。这第三个类可以是个抽象积累，定义两者之间需要的调用，甚至可以只是个定义两者间传递数据的简单数据结构。
这一条不在SOLID中，但我认为这一条同样重要：组合重用原则（Composite Reuse Principle）。默认情况下应当使用组合，只有在必须时才使用继承。

这才是我们的SOLID C++。

接下来我用三字母的简称来代表这些原则：SRP、OCP、LSP、ISP、DIP、CRP。

一点其他看法：

在OOD中，接口和实现并不对应任何具体的OOP关键字。在C++中，接口通常用抽象类和虚函数建立，然后实现从基类继承……但那只是实现接口的概念的一种方式而已。C++中能使用PIMPL（https://en.cppreference.com/w/cpp/language/pimpl）、不透明指针（https://en.wikipedia.org/wiki/Opaque_pointer）、鸭子类型（https://en.wikipedia.org/wiki/Duck_typing）、typedef等……你甚至可以创建OOD的设计，然后用完全不支持OOP关键字的C语言实现！所以我这里说的接口指的并不一定是虚函数，而是隐藏实现的思想（https://en.wikipedia.org/wiki/Information_hiding）。接口可以是多态的（https://en.wikipedia.org/wiki/Polymorphism_(computer_science)），但大多数情况下并不是！好的多态非常罕见，但任何软件都会用到接口。

上面说过，如果建立一个简单的数据结构负责从一个类传递数据到另一个类，那么该结构就起到了接口的作用——用正式的语言来说，这叫数据定义（https://en.wikipedia.org/wiki/Data_definition_language）。

即使只是将一个类分成了公有和私有两部分，那么所有公有部分中的东西都是接口，而私有部分的都是实现。
继承实际上（至少）有两种类型：接口继承，实现继承。
在C++中，接口继承包括：利用纯虚函数实现的抽象基类、PIMPL、条件typedef。在Java中，接口继承用implements关键字表示。
在C++中，实现继承发生在一切基类包含纯虚函数以外的内容的情况。在Java中，实现继承用Extends关键字表示。
OOD定义了许多关于接口继承的规则，但实现继承通常是不祥的预兆（https://en.wikipedia.org/wiki/Code_smell）。

最后，我也许应该给出一些糟糕的OOP教育的例子，以及这种教育导致的糟糕代码（以及OOP的坏名声）。

在学习层次结构和继承时，你很可能学习过以下类似的例子：

假设我们有个学校的应用，其中包括学生和教职工的名录。于是我们可以用Person作为基类，然后从Person继承出Student和Staff两个类。
这完全错了。先等一下。LSP（里氏替换原则）指出，类的层次结构和操作它们的算法是共生（symbiotic）的。它们是一个完整程序的两个部分。OOP是过程式编程的扩展，它的主要结构依然是过程。所以，如果不知道Student和Staff上的算法（以及哪些算法可以用多态来简化），那么设计类层次结构是不负责任的。必须首先有算法和数据才能继续。

在学习层次结构和继承时，你很可能学习过以下类似的例子：

假设你有个形状的类。它的子类可以有正方形和矩形。那么，应该是正方形is-a矩形，还是矩形is-a正方形？

这个例子其实很好地演示了实现继承和接口继承之间的区别。

如果你考虑的是实现继承，那么你完全没有考虑LSP，只不过是把继承当做复用代码的工具而已。从这个观点来看，下面的定义是完全合理的：struct Square { int width; }; struct Rectangle: Square { int height; }; 正方形只有宽度，而矩形在宽度之外还有高度，所以用高度扩展正方形，就能得到矩形！

你一定猜到了，OOD认为这种设计（很可能）错了。我说可能的原因是你还可以争论其中暗含的接口……不过这无关紧要。

正方形的宽度和高度永远相同，所以从正方形的接口的角度来看，我们完全可以认为它的面积是“宽度×宽度”。

如果矩形从正方形继承，那么根据LSP，矩形必须遵守正方形接口的规则。所有能在正方形上正确工作的算法必须能在矩形上正确工作。

比如下面的算法：std::vector<Square*> shapes; int area = 0; for (auto s: shapes) area += s->width * s-> width; 这个算法能在正方形上正确工作（产生所有面积之和），但对于矩形则不能正确工作。因此，矩形违反了LSP原则。

如果用接口继承的方式来思考，那么无论是正方形还是矩形，都不应该从对方继承。正方形和矩形的接口实际上是不同的，谁都不是谁的超集。

所以，OOD实际上并不鼓励实现继承。前面说过，如果你要复用代码，OOD认为应该使用组合！

所以，上面实现继承的层次结构代码的正确版本，用C++来写应该是这样：

struct Shape { virtual int area() const = 0; };

struct Square : public virtual Shape { virtual int area() const { return width * width; }; int width; };

struct Rectangle : private Square, public virtual Shape { virtual int area() const { return width * height; }; int height; };

public virtual相当于Java中的implements，在实现一个接口时使用。

private可以让你从基类继承，而无需继承它的接口。在本例中，Rectangle is-not-a Square，虽然它继承了Square。

我不推荐这样写代码，但如果你真想使用实现继承，那么这才是正确的写法！

总之一句话，OOP课程教给你什么是继承，而你没有学习的OOD课程本应教给你在99%的情况下不要使用继承！

实体 / 组件框架

有了这些背景之后，我们来看看Aras开头提出的那些所谓的“常见的OOP”。

实际上我还要说一句，Aras称这些代码为“传统的OOP”，而我并不这样认为。这些代码也许是人们常用的OOP，但如上所述，这些代码破坏了所有核心的OO规则，所以它们完全不是传统的OOP。

我们从最早的提交开始——当时他还没有把设计修改成ECS："Make it work on Windows again"（https://github.com/aras-p/dod-playground/blob/3529f232510c95f53112bbfff87df6bbc6aa1fae/source/game.cpp）：

class GameObject;class Component;typedef std::vector<Component*> ComponentVector;typedef std::vector<GameObject*> GameObjectVector;class Component{public:
    Component() : m_GameObject(nullptr) {}
    virtual ~Component() {}

    virtual void Start() {}
    virtual void Update(double time, float deltaTime) {}

    const GameObject& GetGameObject() const { return *m_GameObject; }
    GameObject& GetGameObject() { return *m_GameObject; }
    void SetGameObject(GameObject& go) { m_GameObject = &go; }
    bool HasGameObject() const { return m_GameObject != nullptr; }private:
    GameObject* m_GameObject;};class GameObject{public:
    GameObject(const std::string&& name) : m_Name(name) { }
    ~GameObject()
    {

        for (auto c : m_Components) delete c;
    }

    template<typename T>
    T* GetComponent()
    {
        for (auto i : m_Components)
        {
            T* c = dynamic_cast<T*>(i);
            if (c != nullptr)
                return c;
        }
        return nullptr;
    }

    void AddComponent(Component* c)
    {
        assert(!c->HasGameObject());
        c->SetGameObject(*this);
        m_Components.emplace_back(c);
    }

    void Start() { for (auto c : m_Components) c->Start(); }
    void Update(double time, float deltaTime) { for (auto c : m_Components) c->Update(time, deltaTime); }
    private:
    std::string m_Name;
    ComponentVector m_Components;};static GameObjectVector s_Objects;template<typename T>static ComponentVector FindAllComponentsOfType(){
    ComponentVector res;
    for (auto go : s_Objects)
    {
        T* c = go->GetComponent<T>();
        if (c != nullptr)
            res.emplace_back(c);
    }
    return res;}template<typename T>static T* FindOfType(){
    for (auto go : s_Objects)
    {
        T* c = go->GetComponent<T>();
        if (c != nullptr)
            return c;
    }
    return nullptr;}

OK，代码很难一下子看懂，所以我们来分析一下……不过还需要另一个背景：在上世纪九十年代，使用继承解决所有代码重用问题，这在游戏界是通用的做法。首先有个Entity，然后扩展成Character，再扩展成Player和Monster等等……

如前所述，这是实现继承，尽管一开始看起来不错，但最后会导致极其不灵活的代码。因此，OOD才有“使用组合而不是继承”的规则。因此，在本世纪初“使用组合而不是继承”的规则变得流行后，游戏开发才开始写这种代码。

这段代码实现了什么？总的来说都不好，呵呵。

简单来说，这段代码通过运行时函数库重新实现了组合的功能，而不是利用语言特性来实现。

你可以认为，这段代码在C++之上构建了一种新的语言，以及运行这种语言的编译器。Aras的示例游戏并没有用到这段代码（我们一会儿就会把它都删掉了！），它唯一的用途是将游戏的性能降低10倍。

它实际上做了什么？这是个“实体/组件”（Entity/Component）框架（有时候会被误称为“实体/组件系统”），但它跟“实体组件系统”（Entity Component System）框架完全没关系（后者很显然不会被称为“实体组件系统”）。

游戏从一个无功能的“实体”开始（本例中称为GameObject），这些实体自身由“组件”（Component）构成。

GameObject实现了服务定位器模式（Service Locator Pattern，https://en.wikipedia.org/wiki/Service_locator_pattern），这种模式可以通过类型查询子组件。

Component知道自己属于哪个GameObject，它们可以通过查询父GameObject来定位兄弟组件。

组合仅限于单层（Component不能拥有子组件，GameObject也不能拥有子GameObject）。

GameObject只能有各种类型的组件各一个（有些框架要求这一点，有些不要求）。

所有组件（可能）都会以未知的方式改变，因此接口定义为“virtual void Update”。

GameObject属于场景，场景可以查询所有GameObject（因此可以继续查询所有Component）。

这种框架在本世纪初非常流行，尽管它很严格，但提供了足够的灵活性来支持无数的游戏，直到今天依然如此。

但是，这种框架并不是必须的。编程语言的特性中已经提供了组合，不需要再用框架实现一遍……那为什么还需要这些框架？那是因为框架可以实现动态的、运行时的组合。

GameObject无须硬编码，可以从数据文件中加载。这样游戏设计师和关卡设计师就可以创建自己的对象……但是，在大多数游戏项目中，项目的设计师都很少，而程序员很多，所以我认为这并不是关键的功能。何况，还有许多其他方式来实现运行时组合！

例如，Unity使用C#作为其“脚本语言”，许多其他游戏使用Lua等替代品，所以面向设计师的工具可以生成C#/Lua代码来定义新的游戏对象，而不需要这些框架！

我们会在以后的文章里重新加入运行时组合的“功能”，但要同时避免10倍的性能开销……

如果我们用OOD的观点评价这段代码：

GameObject：GetComponent使用了dynamic_cast。大多数人都会告诉你，dynamic_cast是一种代码异味——它强烈地暗示着代码什么地方有问题。我认为，它预示着你的代码违反了LSP——某个算法在操作基类的解耦，但它要求了解不同实现的细节。这正是代码异味的原因。
GameObject还算可以，如果认为它实现了服务定位器模式的话……但是从OOD的观点来看，这种模式在项目的不同部分之间建立了隐含的联系，而且我认为（我找不到能用计算机科学的知识支持我的维基链接）这种隐含的通信通道是一种反面模式（https://en.wikipedia.org/wiki/Anti-pattern），应当使用明示的通信通道。这种观点同样适用于一些游戏中使用的“事件框架”……
我认为，Component违反了SRP（单一责任原则），因为它的接口（ virtual void Update(time)）太宽泛了。“virtual void Update”在游戏开发中非常普遍，但我还是要说这是个反面模式。好的软件应该可以很容易地论证其控制流和数据流。将一切游戏代码放在“virtual void Update”调用后面完全混淆了控制流和数据流。在我看来，不可见的副作用（https://en.wikipedia.org/wiki/Side_effect_(computer_science)）——也称为“远隔作用”（https://en.wikipedia.org/wiki/Action_at_a_distance_(computer_programming）——是最常见的Bug来源，而“virtual void Update”使得一切都拥有不可见的副作用。
尽管Component类的目的是实现组合，但它是通过继承实现的，这违反了CRP（组合重用原则）。

这段代码好的一方面在于，它满足了SRP和ISP（接口隔离原则），分割出了大量的简单组件，每个组件的责任非常小，这一点非常适合代码重用。

但是，它在DIP（依赖反转原则）方面做得不好，许多组件都互相了解对方。

所以，我上面贴出的所有代码实际上都可以删掉了。整个框架都可以删掉。删掉GameObject（即其他框架中的Entity），删掉Component，删掉Find Of Type。这些都是无用的VM中的一部分，破坏了OOD的规则，使得游戏变得非常慢。

无框架组合（即使用编程语言的功能实现组合）

如果删掉整个组合框架，并且没有Component基类，我们怎样才能使用组合来管理GameObject呢？

我们不需要写VM再在我们自己的奇怪的语言之上实现GameObject，我们可以使用C++自身的功能来实现，因为这就是我们游戏程序员的工作。

下面的提交中删除了整个实体/组件框架：

https://github.com/hodgman/dod-playground/commit/f42290d0217d700dea2ed002f2f3b1dc45e8c27c

下面是原始版本的代码：

https://github.com/hodgman/dod-playground/blob/3529f232510c95f53112bbfff87df6bbc6aa1fae/source/game.cpp

下面是改进后的代码：

https://github.com/hodgman/dod-playground/blob/f42290d0217d700dea2ed002f2f3b1dc45e8c27c/source/game.cpp

这段改动包括：

从每个组件类型中删掉了“: public Component”。

给每个组件类型添加了构造函数。

OOD的主旨是封装类的状态，但这些类非常小、非常简单，所以没有太多东西需要隐藏，它的接口只是数据描述而已。但是，封装成为面向对象支柱的主要原因之一是，它可以让类不变量（class invariant，https://en.wikipedia.org/wiki/Class_invariant）永远为真……或者说，在违反某个不变量时，你只需要检查封装的实现代码就能找到Bug。在这段示例代码中，我们值得添加一个构造函数来确保一个简单的不变量，即所有值必须被初始化。

我将过于通用的“Update”方法改名，使之能够反映出实际功能，比如MoveComponent的叫做Update Position，Avoid Component的叫做Resolve Collisions。

我删掉了三段有关模板和预制组件（Prefab）硬编码的代码，即创建包含特定Component类型的GameObject代码，并用三个C++类来代替。

修正了“virtual void Update”反面模式。

不再让组件通过服务定位器模式互相查找，而是让GameObject在构造过程中直接链接组件。

对象

这样，我们不再使用下面的“VM”代码：

for (auto i = 0; i < kObjectCount; ++i)
    {
        GameObject* go = new GameObject("object");

        PositionComponent* pos = new PositionComponent();
        pos->x = RandomFloat(bounds->xMin, bounds->xMax);
        pos->y = RandomFloat(bounds->yMin, bounds->yMax);
        go->AddComponent(pos);

        SpriteComponent* sprite = new SpriteComponent();
        sprite->colorR = 1.0f;
        sprite->colorG = 1.0f;
        sprite->colorB = 1.0f;
        sprite->spriteIndex = rand() % 5;
        sprite->scale = 1.0f;
        go->AddComponent(sprite);

        MoveComponent* move = new MoveComponent(0.5f, 0.7f);
        go->AddComponent(move);

        AvoidComponent* avoid = new AvoidComponent();
        go->AddComponent(avoid);

        s_Objects.emplace_back(go);
    }

而是使用正常的C++实现：

struct RegularObject{    PositionComponent pos;  SpriteComponent sprite; MoveComponent move; AvoidComponent avoid;

    RegularObject(const WorldBoundsComponent& bounds)
        : move(0.5f, 0.7f)
        , pos(RandomFloat(bounds.xMin, bounds.xMax),
              RandomFloat(bounds.yMin, bounds.yMax))
        , sprite(1.0f,
                 1.0f,
                 1.0f,
                 rand() % 5,
                 1.0f)
    {
    }};...
  regularObject.reserve(kObjectCount);for (auto i = 0; i < kObjectCount; ++i)
    regularObject.emplace_back(bounds);

算法

现在另一个难题是算法。还记得开始时我说过，接口和算法是共生（Symbotic）的，两者应该互相影响对方的设计吗？“virtual void Update”反面模式也不适合这种情况。原始的代码有个主循环算法，它的结构如下：

for (auto go : s_Objects)
{

go->Update(time, deltaTime);

你可能会认为这段代码很简洁，但我认为这段代码很糟糕。它完全混淆了游戏中的控制流和数据流。

如果我们想理解软件，维护软件，给软件添加新功能，优化软件，甚至想让它能在多个CPU核心上运行得更快，那么我们必须理解控制流和数据流。所以，“virtual void Update”不应该出现。

相反，我们应该使用更明确的主循环，才能让论证控制流更容易（这里数据流依然被混淆了，我们会在稍后的提交中解决）。

for (auto& go : s_game->regularObject)
    {       UpdatePosition(deltaTime, go, s_game->bounds.wb);
    }   for (auto& go : s_game->avoidThis)
    {       UpdatePosition(deltaTime, go, s_game->bounds.wb);
    }

    for (auto& go : s_game->regularObject)
    {       ResolveCollisions(deltaTime, go, s_game->avoidThis);
    }

这种风格的缺点是，每加入一个新类型的对象，就要在主循环中添加几行。我会在以后的文章中解决这个问题。

性能

现在代码中仍然有违反OOD的地方，有一些不好的设计抉择，还有许多可以优化的地方，但这些问题我会在以后的文章中解决。

至少在目前来看，这个“改正后的OOD”版本的性能不弱于Aras演讲中最后的ECS版本，甚至可能超过它……

而我们所做的只是将伪OOP代码删除，并使用真正遵守OOP规则的代码而已（并且删除了100多行代码！）。

下一步

我还想谈更多的问题，包括解决残余的OOD问题、不可更改的对象（函数式风格编程，https://en.wikipedia.org/wiki/Functional_programming），以及对数据流、消息传递的论证能带来的好处。

并给我们的OOD代码添加一些DOD论证，给OOD代码添加一些关系型技巧，删掉那些“实体”类并得到纯粹由组件组成的、以不同风格互相链接的组件（指针 VS 事件处理），真实世界的组件容器，加入更多优化以跟上ECS版本，以及更多Aras的演讲中都没有提到的优化（如线程和SIMD）。