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设计原则与思想：面向对象（11 讲）
1. 什么是面向对象编程（OOP）
- 面向对象编程是一种
编程范式或编程风格。它以类或对象作为组织代码的基本单元，并将封装、抽象、继承、多态四个特性，作为代码设计和实现的基石
2. 什么是面向对象编程语言
- 面向对象编程语言是
支持类或对象的语法机制，并有现成的语法机制，能方便地实现面向对象编程四大特性（封装、抽象、继承、多态）的编程语言
3. 面向对象编程和面向对象编程语言之间的关系
- 面向对象编程一般使用面向对象编程语言来进行，但是，不用面向对象编程语言，我们照样可以进行面向对象编程。反过来讲，即便我们使用面向对象编程语言，写出来的代码也不一定是面向对象编程风格的，也有可能是面向过程编程风格的
4. UML 统一建模语言
- 学习成本较高，可以适当简单学习
5. 封装、继承、多态、抽象分别解决哪些编程问题
* 封装
- 概念：封装也叫作
信息隐藏或者数据访问保护，类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方法（函数）来访问内部的信息和数据- 作用：
- 保护数据不被随意修改，提高代码的
可维护性- 仅暴露有限的必要接口，提高
类的易用性
- 封装特性，必须使用
访问控制权限- Demo: 金融系统简化版虚拟钱包
public class Wallet {
private String id;// 钱包唯一编号
private long createTime;// 钱包创建时间
private BigDecimal balance;// 钱包余额
//BigDecimal 对数字进行精度计算，返回的是对象，不能通过传统 + - * / 计算，而是必须调用相应的方法
private long balanceLastModifiedTime;// 上次钱包余额变更时间
// 构造函数，完成对象初始化。Java 构造函数的名称必须与类名相同, 包括大小写; 构造函数没有返回值, 也不能用 void 修饰;
public Wallet() {this.id = IdGenerator.getInstance().generate();// 全局唯一 ID 生成器
this.createTime = System.currentTimeMillis();
this.balance = BigDecimal.ZERO;//0 用于和 0 比较大小
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();// 获取时间，毫秒级}
public String getId() { return this.id;}
public long getCreateTime() { return this.createTime;}
public BigDecimal getBalance() { return this.balance;}
public long getBalanceLastModifiedTime() { return this.balanceLastModifiedTime;}
public void increaseBalance(BigDecimal increasedAmount) {if (increasedAmount.compareTo(BigDecimal.ZERO) < 0) {throw new InvalidAmountException("...");
}
this.balance.add(increasedAmount);// 添加数值
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();}
public void decreaseBalance(BigDecimal decreasedAmount) {if (decreasedAmount.compareTo(BigDecimal.ZERO) < 0) {throw new InvalidAmountException("...");
}
if (decreasedAmount.compareTo(this.balance) > 0) {throw new InsufficientAmountException("...");
}
this.balance.subtract(decreasedAmount);// 减去数值
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();}
}
- 解析
- 从业务的角度来说，id、createTime 在创建钱包的时候就确定好了，之后不应该再被改动，所以，我们并没有在 Wallet 类中，暴露 id、createTime 这两个属性的任何修改方法，比如 set 方法。所以，
在 Wallet 类的构造函数内部将其初始化设置好，而不是通过构造函数的参数来外部赋值。
- 对于钱包余额 balance 这个属性，从业务的角度来说，只能增或者减，不会被重新设置。所以，我们在 Wallet 类中，只暴露了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 方法，并没有暴露 set 方法。对于 balanceLastModifiedTime 这个属性，它完全是跟 balance 这个属性的修改操作绑定在一起的。只有在 balance 修改的时候，这个属性才会被修改。所以，我们把 balanceLastModifiedTime 这个属性的修改操作完全
封装在了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 两个方法中，不对外暴露任何修改这个属性的方法和业务细节。这样也可以保证 balance 和 balanceLastModifiedTime 两个数据的一致性。
抽象
- 概念：抽象是如何隐藏方法的具体实现，让使用者只需要关心调用哪些方法，不需要知道具体如何实现
- 抽象可以通过
接口类（Java 中的 interface 关键字）或抽象类（Java 中的 abstract 关键字）来实现- 作用：
- 提高代码的可扩展性、维护性，修改时不需要改变定义，减少代码的改动范围
- 抽象是处理复杂系统的有效手段，能有效过滤掉不必要关注的信息
- Demo: 图片存储功能
public interface IPictureStorage {
// void 是空，在方法声明中表示该方法没有返回值
void savePicture(Picture picture);
Image getPicture(String pictureId);
void deletePicture(String pictureId);
void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo);
}
public class PictureStorage implements IPictureStorage {
// ... 省略其他属性...
@Override
public void savePicture(Picture picture) {...}
@Override
public Image getPicture(String pictureId) {...}
@Override
public void deletePicture(String pictureId) {...}
@Override
public void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo) {...}
}
- 解析
- 在上面的这段代码中，我们利用 Java 中的 interface 接口语法来实现抽象特性
- 调用者在使用图片存储功能的时候，只需要了解 IPictureStorage 这个接口类暴露了哪些方法就可以了，不需要去查看 PictureStorage 类里的具体实现逻辑
- 举个简单例子，比如 getAliyunPictureUrl() 就不是一个具有抽象思维的命名，如果更换存储设备，那这个命名也要随之被修改。相反，如果我们定义一个比较抽象的函数，比如叫作 getPictureUrl()，那即便内部存储方式修改了，我们也不需要修改命名。
继承
- 概念：继承用来表示
类与类之间 is- a 关系，可分为单继承和多继承- 实现继承，需要语言的语法支持，Java 使用
extends关键字来实现继承，C++ 使用冒号（class B : public A），Python 使用paraentheses()，Ruby 使用 <- 单继承：Java、PHP、C#、Ruby 等
- 多继承：C++、Python、Perl 等
- 作用：提高
代码复用性，比如通用的方法抽象到父类- 缺点：过度使用继承，继承层次过深、过复杂，就会导致代码的可读性、可维护性变差
- 解决思路：
多用组合少用继承
多态
- 概念：
父类，被多个子类继承，如果父类的某个方法，在多个子类中被重写，表现出不同功能，就是多态（同一个类的不同子类表现不同形态）- 实现方法：
继承 + 方法重写-Demo1
- 利用
接口类语法（C++ 不支持）-Demo2
- 利用
duck-typing语法（仅有 Python、JavaScript 支持）-Demo3
- 作用：多态可以提高代码的
扩展性和复用性- Demo1
// 继承 + 方法重写
public class DynamicArray {
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
protected int size = 0;
protected int capacity = DEFAULT_CAPACITY;
protected Integer[] elements = new Integer[DEFAULT_CAPACITY];
public int size() { return this.size;}
public Integer get(int index) {return elements[index];}
//... 省略 n 多方法...
public void add(Integer e) {ensureCapacity();
elements[size++] = e;
}
protected void ensureCapacity() {//... 如果数组满了就扩容... 代码省略...}
}
public class SortedDynamicArray extends DynamicArray {
@Override
public void add(Integer e) {ensureCapacity();
int i;
for (i = size-1; i>=0; --i) { // 保证数组中的数据有序
if (elements[i] > e) {elements[i+1] = elements[i];
} else {break;}
}
elements[i+1] = e;
++size;
}
}
public class Example {
// 静态方法，直接类名. 方法调用
public static void test(DynamicArray dynamicArray) {dynamicArray.add(5);
dynamicArray.add(1);
dynamicArray.add(3);
for (int i = 0; i < dynamicArray.size(); ++i) {System.out.println(dynamicArray.get(i));
}
}
//main()方法是 Java 应用程序入口方法，程序运行，第一个执行的方法就是 main()方法
public static void main(String args[]) {DynamicArray dynamicArray = new SortedDynamicArray();
test(dynamicArray); // 打印结果：1、3、5
}
}
- 解析
- 多态这种特性也需要编程语言提供特殊的语法机制来实现。在上面的例子中，我们用到了三个语法机制来实现多态。
- 第一，支持父类对象引用子类对象，也就是可以将 SortedDynamicArray 传递给 DynamicArray。
- 第二，支持继承，也就是 SortedDynamicArray 继承了 DynamicArray，才能将 SortedDyamicArray 传递给 DynamicArray
- 第三，支持子类可以重写（override）父类中的方法，也就是 SortedDyamicArray 重写了 DynamicArray 中的 add() 方法。
- 通过这三种语法机制配合在一起，我们就实现了在 test() 方法中，子类 SortedDyamicArray 替换父类 DynamicArray，执行子类 SortedDyamicArray 的 add() 方法，也就是实现了多态特性。
- Demo2
// 利用接口类实现
public interface Iterator {String hasNext();// 检测序列是否还有元素
String next();// 获取序列下一个元素
String remove();// 将迭代器新返回的元素删除}
public class Array implements Iterator {private String[] data;
public String hasNext() { ...}
public String next() { ...}
public String remove() { ...}
//... 省略其他方法...
}
public class LinkedList implements Iterator {
private LinkedListNode head;
public String hasNext() { ...}
public String next() { ...}
public String remove() { ...}
//... 省略其他方法...
}
public class Demo {private static void print(Iterator iterator) {while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());
}
}
public static void main(String[] args) {Iterator arrayIterator = new Array();
print(arrayIterator);
Iterator linkedListIterator = new LinkedList();
print(linkedListIterator);
}
}
- 解析
- 在这段代码中，Iterator 是一个接口类，定义了一个可以遍历集合数据的迭代器。Array 和 LinkedList 都实现了接口类 Iterator
- 我们通过传递不同类型的实现类（Array、LinkedList）到 print(Iterator iterator) 函数中，支持动态的调用不同的 next()、hasNext() 实现。
- Demo3
class Logger:
def record(self):
print(“I write a log into file.”)
class DB:
def record(self):
print(“I insert data into db.”)
def test(recorder):
recorder.record()
def demo():
logger = Logger()
db = DB()
test(logger)
test(db)
- 解析
- 从这段代码中看出，duck-typing 实现多态的方式非常灵活。Logger 和 DB 两个类没有任何关系，既不是继承关系，也不是接口和实现的关系，但是只要它们都有定义了 record() 方法，就可以被传递到 test() 方法中
- 在实际运行的时候，执行对应的 record() 方法。也就是说，只要两个类具有相同的方法，就可以实现多态，并不要求两个类之间有任何关系，这就是所谓的 duck-typing，是一些动态语言所特有的语法机制。而像 Java 这样的静态语言，通过继承实现多态特性，必须要求两个类之间有继承关系，通过接口实现多态特性，类必须实现对应的接口。
- 扩展：
- Java，PHP 不支持多继承原因：
多重继承有副作用：
菱形继承 (钻石问题)
假设类 B 和类 C 继承自类 A，且都重写了类 A 中的同一个方法，而类 D 同时继承了类 B 和类 C，那么此时类 D 会继承 B、C 的方法，那对于 B、C 重写的 A 中的方法，类 D 会继承哪一个呢？这里就会产生歧义。
- Python 多继承的实现方法：
针对多继承时，多个父类的同名方法，
Python 采用 MRO，在多继承时，判断方法、属性的调用路径
在当前类中找到方法，就直接执行，不再搜索; 如果没有找到，就查找下一个类是否有对应方法，如果找到就直接执行，不再搜索; 直到最后一个类，没找到就报错
正文完
