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  • 面向对象的一些概念

    参考文献:http://www.cppblog.com/snowball/archive/2011/10/05/55051.html

    1.面向对象的三个基本特征是:封装、继承、多态。

    o_OOBase.gif

    1.1封装

    封装最好理解了。封装是面向对象的特征之一,是对象和类概念的主要特性。

    封装,也就是把客观事物封装成抽象的类,并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作,对不可信的进行信息隐藏。

    1.2继承

    面向对象编程 (OOP) 语言的一个主要功能就是 “ 继承 ” 。继承是指这样一种能力:它可以使用现有类的所有功能,并在无需重新编写原来的类的情况下对这些功能进行扩展。

    通过继承创建的新类称为“子类”或“派生类”。

    被继承的类称为 “ 基类 ” 、 “ 父类 ” 或 “ 超类 ” 。

    继承的过程,就是从一般到特殊的过程。

    要实现继承,可以通过 “ 继承 ” ( Inheritance )和 “ 组合 ” ( Composition )来实现。

    在某些 OOP 语言中,一个子类可以继承多个基类。但是一般情况下,一个子类只能有一个基类,要实现多重继承,可以通过多级继承来实现。

     

    继承概念的实现方式有三类:实现继承、接口继承和可视继承。

    Ø         实现继承是指使用基类的属性和方法而无需额外编码的能力;

    Ø         接口继承是指仅使用属性和方法的名称、但是子类必须提供实现的能力;

    Ø         可视继承是指子窗体(类)使用基窗体(类)的外观和实现代码的能力。

    在考虑使用继承时,有一点需要注意,那就是两个类之间的关系应该是 “ 属于 ” 关系。例如, Employee 是一个人, Manager 也是一个人,因此这两个类都可以继承 Person 类。但是 Leg 类却不能继承 Person 类,因为腿并不是一个人。

    抽象类仅定义将由子类创建的一般属性和方法,创建抽象类时,请使用关键字 Interface 而不是 Class 。

    OO 开发范式大致为:划分对象 → 抽象类 → 将类组织成为层次化结构 ( 继承和合成 ) → 用类与实例进行设计和实现几个阶段。

    1.3多态

    多态性( polymorphisn )是允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术,赋值之后,父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。简单的说,就是一句话:允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针。

    实现多态,有二种方式,覆盖,重载。

    覆盖,是指子类重新定义父类的虚函数的做法。

    重载,是指允许存在多个同名函数,而这些函数的参数表不同(或许参数个数不同,或许参数类型不同,或许两者都不同)。

    其实,重载的概念并不属于 “ 面向对象编程 ” ,重载的实现是:编译器根据函数不同的参数表,对同名函数的名称做修饰,然后这些同名函数就成了不同的函数(至少对于编译器来说是这样的)。如,有两个同名函数: function func(p:integer):integer; 和 function func(p:string):integer; 。那么编译器做过修饰后的函数名称可能是这样的: int_func 、 str_func 。对于这两个函数的调用,在编译器间就已经确定了,是静态的(记住:是静态)。也就是说,它们的地址在编译期就绑定了(早绑定),因此,重载和多态无关!真正和多态相关的是 “ 覆盖 ” 。当子类重新定义了父类的虚函数后,父类指针根据赋给它的不同的子类指针,动态(记住:是动态!)的调用属于子类的该函数,这样的函数调用在编译期间是无法确定的(调用的子类的虚函数的地址无法给出)。因此,这样的函数地址是在运行期绑定的(晚邦定)。结论就是:重载只是一种语言特性,与多态无关,与面向对象也无关!引用一句 Bruce Eckel 的话: “ 不要犯傻,如果它不是晚邦定,它就不是多态。 ”

    那么,多态的作用是什么呢?我们知道,封装可以隐藏实现细节,使得代码模块化;继承可以扩展已存在的代码模块(类);它们的目的都是为了 —— 代码重用。而多态则是为了实现另一个目的 —— 接口重用!多态的作用,就是为了类在继承和派生的时候,保证使用 “ 家谱 ” 中任一类的实例的某一属性时的正确调用。

    2.泛化、聚合、组合和依赖的概念解析

    2.1泛化( Generalization )

    o_Generalization.gif

    图表 泛化

    在上图中,空心的三角表示继承关系(类继承),在 UML 的术语中,这种关系被称为泛化( Generalization )。 Person( 人 ) 是基类, Teacher( 教师 ) 、 Student( 学生 ) 、Guest( 来宾 ) 是子类。

    若在逻辑上 B 是 A 的“一种”,并且 A 的所有功能和属性对 B 而言都有意义,则允许 B 继承 A 的功能和属性。

    例如, 教师是人, Teacher 是 Person 的“一种”( a kind of )。 那么类 Teacher 可以从类 Person 派生(继承)。

    如果 A 是基类, B 是 A 的派生类,那么 B 将继承 A 的数据和函数。

    如果类 A 和类 B 毫不相关,不可以为了使 B 的功能更多些而让 B 继承 A 的功能和属性。

    若在逻辑上 B 是 A 的“一种”( a kind of ),则允许 B 继承 A 的功能和属性。

    2.2聚合(组合)

    o_aggregationBase.gif

    图表 组合

    若在逻辑上 A 是 B 的“一部分”( a part of ),则不允许 B 从 A 派生,而是要用 A 和其它东西组合出 B 。

    例如,眼( Eye )、鼻( Nose )、口( Mouth )、耳( Ear )是头( Head )的一部分,所以类 Head 应该由类 Eye 、 Nose 、 Mouth 、 Ear 组合而成,不是派生(继承)而成。

    聚合的类型分为无、共享 ( 聚合 ) 、复合 ( 组合 ) 三类。

    2.3聚合( aggregation )

     

    o_aggregation.gif

    图表 共享

    上面图中,有一个菱形(空心)表示聚合( aggregation )(聚合类型为共享),聚合的意义表示 has-a 关系。聚合是一种相对松散的关系,聚合类 B 不需要对被聚合的类 A负责。

    2.4组合( composition )

    o_composition.gif

    图表 复合

    这幅图与上面的唯一区别是菱形为实心的,它代表了一种更为坚固的关系 —— 组合( composition )(聚合类型为复合)。组合表示的关系也是 has-a ,不过在这里, A 的生命期受 B 控制。即 A 会随着 B 的创建而创建,随 B 的消亡而消亡。

    2.5依赖 (Dependency)

    o_Dependency.gif

    图表 依赖

    这里 B 与 A 的关系只是一种依赖 (Dependency) 关系,这种关系表明,如果类 A 被修改,那么类 B 会受到影响。

    3接口与抽象类有什么区别

    abstract class和interface是Java语言中对于抽象类定义进行支持的两种机制,正是由于这两种机制的存在,才赋予了Java强大的面向对象能力。abstract class和interface之间在对于抽象类定义的支持方面具有很大的相似性,甚至可以相互替换,因此很多开发者在进行抽象类定义时对于abstract class和interface的选择显得比较随意。其实,两者之间还是有很大的区别的,对于它们的选择甚至反映出对于问题领域本质的理解、对于设计意图的理解是否正确、合理。本文将对它们之间的区别进行一番剖析,试图给开发者提供一个在二者之间进行选择的依据。

    3.1理解抽象类

    abstract class和interface在Java语言中都是用来进行抽象类(本文中的抽象类并非从abstract class翻译而来,它表示的是一个抽象体,而abstract class为Java语言中用于定义抽象类的一种方法,请读者注意区分)定义的,那么什么是抽象类,使用抽象类能为我们带来什么好处呢?

    在面向对象的概念中,我们知道所有的对象都是通过类来描绘的,但是反过来却不是这样。并不是所有的类都是用来描绘对象的,如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象,这样的类就是抽象类。抽象类往往用来表征我们在对问题领域进行分析、设计中得出的抽象概念,是对一系列看上去不同,但是本质上相同的具体概念的抽象。比如:如果我们进行一个图形编辑软件的开发,就会发现问题领域存在着圆、三角形这样一些具体概念,它们是不同的,但是它们又都属于形状这样一个概念,形状这个概念在问题领域是不存在的,它就是一个抽象概念。正是因为抽象的概念在问题领域没有对应的具体概念,所以用以表征抽象概念的抽象类是不能够实例化的。

    在面向对象领域,抽象类主要用来进行类型隐藏。我们可以构造出一个固定的一组行为的抽象描述,但是这组行为却能够有任意个可能的具体实现方式。这个抽象描述就是抽象类,而这一组任意个可能的具体实现则表现为所有可能的派生类。模块可以操作一个抽象体。由于模块依赖于一个固定的抽象体,因此它可以是不允许修改的;同时,通过从这个抽象体派生,也可扩展此模块的行为功能。熟悉OCP的读者一定知道,为了能够实现面向对象设计的一个最核心的原则OCP(Open-Closed Principle),抽象类是其中的关键所在。

    3.2从语法定义层面看abstract class和interface

    在语法层面,Java语言对于abstract class和interface给出了不同的定义方式,下面以定义一个名为Demo的抽象类为例来说明这种不同。

    使用abstract class的方式定义Demo抽象类的方式如下:

    abstract class Demo { 
    abstract void method1(); 
    abstract void method2(); 
    … 

    使用interface的方式定义Demo抽象类的方式如下:

    interface Demo { 
    void method1(); 
    void method2(); 
    … 
    }

    在abstract class方式中,Demo可以有自己的数据成员,也可以有非abstarct的成员方法,而在interface方式的实现中,Demo只能够有静态的不能被修改的数据成员(也就是必须是static final的,不过在interface中一般不定义数据成员),所有的成员方法都是abstract的。从某种意义上说,interface是一种特殊形式的abstract class。

    从编程的角度来看,abstract class和interface都可以用来实现"design by contract"的思想。但是在具体的使用上面还是有一些区别的。

    首先,abstract class在Java语言中表示的是一种继承关系,一个类只能使用一次继承关系。但是,一个类却可以实现多个interface。也许,这是Java语言的设计者在考虑Java对于多重继承的支持方面的一种折中考虑吧。

    其次,在abstract class的定义中,我们可以赋予方法的默认行为。但是在interface的定义中,方法却不能拥有默认行为,为了绕过这个限制,必须使用委托,但是这会 增加一些复杂性,有时会造成很大的麻烦。

    在抽象类中不能定义默认行为还存在另一个比较严重的问题,那就是可能会造成维护上的麻烦。因为如果后来想修改类的界面(一般通过abstract class或者interface来表示)以适应新的情况(比如,添加新的方法或者给已用的方法中添加新的参数)时,就会非常的麻烦,可能要花费很多的时间(对于派生类很多的情况,尤为如此)。但是如果界面是通过abstract class来实现的,那么可能就只需要修改定义在abstract class中的默认行为就可以了。

    同样,如果不能在抽象类中定义默认行为,就会导致同样的方法实现出现在该抽象类的每一个派生类中,违反了"one rule,one place"原则,造成代码重复,同样不利于以后的维护。因此,在abstract class和interface间进行选择时要非常的小心。

    3.3从设计理念层面看abstract class和interface

    上面主要从语法定义和编程的角度论述了abstract class和interface的区别,这些层面的区别是比较低层次的、非本质的。本小节将从另一个层面:abstract class和interface所反映出的设计理念,来分析一下二者的区别。作者认为,从这个层面进行分析才能理解二者概念的本质所在。

    前面已经提到过,abstarct class在Java语言中体现了一种继承关系,要想使得继承关系合理,父类和派生类之间必须存在"is a"关系,即父类和派生类在概念本质上应该是相同的(参考文献〔3〕中有关于"is a"关系的大篇幅深入的论述,有兴趣的读者可以参考)。对于interface 来说则不然,并不要求interface的实现者和interface定义在概念本质上是一致的,仅仅是实现了interface定义的契约而已。为了使论述便于理解,下面将通过一个简单的实例进行说明。

    考虑这样一个例子,假设在我们的问题领域中有一个关于Door的抽象概念,该Door具有执行两个动作open和close,此时我们可以通过abstract class或者interface来定义一个表示该抽象概念的类型,定义方式分别如下所示:

    使用abstract class方式定义Door:

    abstract class Door { 
    abstract void open(); 
    abstract void close(); 
    }

    使用interface方式定义Door:

    interface Door { 
    void open(); 
    void close(); 
    }

    其他具体的Door类型可以extends使用abstract class方式定义的Door或者implements使用interface方式定义的Door。看起来好像使用abstract class和interface没有大的区别。

    如果现在要求Door还要具有报警的功能。我们该如何设计针对该例子的类结构呢(在本例中,主要是为了展示abstract class和interface反映在设计理念上的区别,其他方面无关的问题都做了简化或者忽略)?下面将罗列出可能的解决方案,并从设计理念层面对这些不同的方案进行分析。

    解决方案一:

    简单的在Door的定义中增加一个alarm方法,如下:

    abstract class Door { 
    abstract void open(); 
    abstract void close(); 
    abstract void alarm(); 
    }

    或者

    interface Door { 
    void open(); 
    void close(); 
    void alarm(); 
    }

    那么具有报警功能的AlarmDoor的定义方式如下:

    class AlarmDoor extends Door { 
    void open() { … } 
    void close() { … } 
    void alarm() { … } 
    }

    或者

    class AlarmDoor implements Door { 
    void open() { … } 
    void close() { … } 
    void alarm() { … } 

    这种方法违反了面向对象设计中的一个核心原则ISP(Interface Segregation Priciple),在Door的定义中把Door概念本身固有的行为方法和另外一个概念"报警器"的行为方法混在了一起。这样引起的一个问题是那些仅仅依赖于Door这个概念的模块会因为"报警器"这个概念的改变(比如:修改alarm方法的参数)而改变,反之依然。

    解决方案二:

    既然open、close和alarm属于两个不同的概念,根据ISP原则应该把它们分别定义在代表这两个概念的抽象类中。定义方式有:这两个概念都使用abstract class方式定义;两个概念都使用interface方式定义;一个概念使用abstract class方式定义,另一个概念使用interface方式定义。

    显然,由于Java语言不支持多重继承,所以两个概念都使用abstract class方式定义是不可行的。后面两种方式都是可行的,但是对于它们的选择却反映出对于问题领域中的概念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理。我们一一来分析、说明。

    如果两个概念都使用interface方式来定义,那么就反映出两个问题:1、我们可能没有理解清楚问题领域,AlarmDoor在概念本质上到底是Door还是报警器?2、如果我们对于问题领域的理解没有问题,比如:我们通过对于问题领域的分析发现AlarmDoor在概念本质上和Door是一致的,那么我们在实现时就没有能够正确的揭示我们的设计意图,因为在这两个概念的定义上(均使用interface方式定义)反映不出上述含义。

    如果我们对于问题领域的理解是:AlarmDoor在概念本质上是Door,同时它有具有报警的功能。我们该如何来设计、实现来明确的反映出我们的意思呢?前面已经说过,abstract class在Java语言中表示一种继承关系,而继承关系在本质上是"is a"关系。所以对于Door这个概念,我们应该使用abstarct class方式来定义。另外,AlarmDoor又具有报警功能,说明它又能够完成报警概念中定义的行为,所以报警概念可以通过interface方式定义。如下所示:

    abstract class Door { 
    abstract void open(); 
    abstract void close(); 

    interface Alarm { 
    void alarm(); 

    class AlarmDoor extends Door implements Alarm { 
    void open() { … } 
    void close() { … } 
    void alarm() { … } 
    }

    这种实现方式基本上能够明确的反映出我们对于问题领域的理解,正确的揭示我们的设计意图。其实abstract class表示的是"is a"关系,interface表示的是"like a"关系,大家在选择时可以作为一个依据,当然这是建立在对问题领域的理解上的,比如:如果我们认为AlarmDoor在概念本质上是报警器,同时又具有Door的功能,那么上述的定义方式就要反过来了。

    小结

    1. abstract class 在 Java 语言中表示的是一种继承关系,一个类只能使用一次继承关系。但是,一个类却可以实现多个interface。
    2. 在abstract class 中可以有自己的数据成员,也可以有非abstarct的成员方法,而在interface中,只能够有静态的不能被修改的数据成员(也就是必须是static final的,不过在 interface中一般不定义数据成员),所有的成员方法都是abstract的。
    3. abstract class和interface所反映出的设计理念不同。其实abstract class表示的是"is-a"关系,interface表示的是"like-a"关系。 
    4. 实现抽象类和接口的类必须实现其中的所有方法。抽象类中可以有非抽象方法。接口中则不能有实现方法。
    5. 接口中定义的变量默认是public static final 型,且必须给其初值,所以实现类中不能重新定义,也不能改变其值。
    6. 抽象类中的变量默认是 friendly 型,其值可以在子类中重新定义,也可以重新赋值。 
    7. 接口中的方法默认都是 public,abstract 类型的。

    结论

      abstract class 和 interface 是 Java语言中的两种定义抽象类的方式,它们之间有很大的相似性。但是对于它们的选择却又往往反映出对于问题领域中的概 念本质的理解、对于设计意图的反映是否正确、合理,因为它们表现了概念间的不同的关系(虽然都能够实现需求的功能)。这其实也是语言的一种的惯用法,希望读者朋友能够细细体会。

    作者:xwdreamer
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