面向對象的一些基本核心概念

1.面向對象的三個基本特徵是:封裝、繼承、多態。

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1.1封裝

封裝最好理解了。封裝是面向對象的特徵之一,是對象和類概念的主要特性。

封裝,也就是把客觀事物封裝成抽象的類,並且類可以把自己的數據和方法只讓可信的類或者對象操作,對不可信的進行信息隱藏。

1.2繼承

面向對象編程 (OOP) 語言的一個主要功能就是 “ 繼承 ” 。繼承是指這樣一種能力:它可以使用現有類的所有功能,並在無需重新編寫原來的類的情況下對這些功能進行擴展。

通過繼承創建的新類稱爲“子類”或“派生類”。

被繼承的類稱爲 “ 基類 ” 、 “ 父類 ” 或 “ 超類 ” 。

繼承的過程,就是從一般到特殊的過程。

要實現繼承,可以通過 “ 繼承 ” ( Inheritance )和 “ 組合 ” ( Composition )來實現。

在某些 OOP 語言中,一個子類可以繼承多個基類。但是一般情況下,一個子類只能有一個基類,要實現多重繼承,可以通過多級繼承來實現。

 

繼承概念的實現方式有三類:實現繼承、接口繼承和可視繼承。

Ø         實現繼承是指使用基類的屬性和方法而無需額外編碼的能力;

Ø         接口繼承是指僅使用屬性和方法的名稱、但是子類必須提供實現的能力;

Ø         可視繼承是指子窗體(類)使用基窗體(類)的外觀和實現代碼的能力。

在考慮使用繼承時,有一點需要注意,那就是兩個類之間的關係應該是 “ 屬於 ” 關係。例如, Employee 是一個人, Manager 也是一個人,因此這兩個類都可以繼承 Person 類。但是 Leg 類卻不能繼承 Person 類,因爲腿並不是一個人。

抽象類僅定義將由子類創建的一般屬性和方法,創建抽象類時,請使用關鍵字 Interface 而不是 Class 。

OO 開發範式大致爲:劃分對象 → 抽象類 → 將類組織成爲層次化結構 ( 繼承和合成 ) → 用類與實例進行設計和實現幾個階段。

1.3多態

多態性( polymorphisn )是允許你將父對象設置成爲和一個或更多的他的子對象相等的技術,賦值之後,父對象就可以根據當前賦值給它的子對象的特性以不同的方式運作。簡單的說,就是一句話:允許將子類類型的指針賦值給父類類型的指針。

實現多態,有二種方式,覆蓋,重載。

覆蓋,是指子類重新定義父類的虛函數的做法。

重載,是指允許存在多個同名函數,而這些函數的參數表不同(或許參數個數不同,或許參數類型不同,或許兩者都不同)。

其實,重載的概念並不屬於 “ 面向對象編程 ” ,重載的實現是:編譯器根據函數不同的參數表,對同名函數的名稱做修飾,然後這些同名函數就成了不同的函數(至少對於編譯器來說是這樣的)。如,有兩個同名函數: function func(p:integer):integer; 和 function func(p:string):integer; 。那麼編譯器做過修飾後的函數名稱可能是這樣的: int_func 、 str_func 。對於這兩個函數的調用,在編譯器間就已經確定了,是靜態的(記住:是靜態)。也就是說,它們的地址在編譯期就綁定了(早綁定),因此,重載和多態無關!真正和多態相關的是 “ 覆蓋 ” 。當子類重新定義了父類的虛函數後,父類指針根據賦給它的不同的子類指針,動態(記住:是動態!)的調用屬於子類的該函數,這樣的函數調用在編譯期間是無法確定的(調用的子類的虛函數的地址無法給出)。因此,這樣的函數地址是在運行期綁定的(晚邦定)。結論就是:重載只是一種語言特性,與多態無關,與面向對象也無關!引用一句 Bruce Eckel 的話: “ 不要犯傻,如果它不是晚邦定,它就不是多態。 ”

那麼,多態的作用是什麼呢?我們知道,封裝可以隱藏實現細節,使得代碼模塊化;繼承可以擴展已存在的代碼模塊(類);它們的目的都是爲了 —— 代碼重用。而多態則是爲了實現另一個目的 —— 接口重用!多態的作用,就是爲了類在繼承和派生的時候,保證使用 “ 家譜 ” 中任一類的實例的某一屬性時的正確調用。

2.泛化、聚合、組合和依賴的概念解析

2.1泛化( Generalization )

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圖表 泛化

在上圖中,空心的三角表示繼承關係(類繼承),在 UML 的術語中,這種關係被稱爲泛化( Generalization )。 Person( 人 ) 是基類, Teacher( 教師 ) 、 Student( 學生 ) 、Guest( 來賓 ) 是子類。

若在邏輯上 B 是 A 的“一種”,並且 A 的所有功能和屬性對 B 而言都有意義,則允許 B 繼承 A 的功能和屬性。

例如, 教師是人, Teacher 是 Person 的“一種”( a kind of )。 那麼類 Teacher 可以從類 Person 派生(繼承)。

如果 A 是基類, B 是 A 的派生類,那麼 B 將繼承 A 的數據和函數。

如果類 A 和類 B 毫不相關,不可以爲了使 B 的功能更多些而讓 B 繼承 A 的功能和屬性。

若在邏輯上 B 是 A 的“一種”( a kind of ),則允許 B 繼承 A 的功能和屬性。

2.2聚合(組合)

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圖表 組合

若在邏輯上 A 是 B 的“一部分”( a part of ),則不允許 B 從 A 派生,而是要用 A 和其它東西組合出 B 。

例如,眼( Eye )、鼻( Nose )、口( Mouth )、耳( Ear )是頭( Head )的一部分,所以類 Head 應該由類 Eye 、 Nose 、 Mouth 、 Ear 組合而成,不是派生(繼承)而成。

聚合的類型分爲無、共享 ( 聚合 ) 、複合 ( 組合 ) 三類。

2.3聚合( aggregation )

 

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圖表 共享

上面圖中,有一個菱形(空心)表示聚合( aggregation )(聚合類型爲共享),聚合的意義表示 has-a 關係。聚合是一種相對鬆散的關係,聚合類 B 不需要對被聚合的類 A負責。

2.4組合( composition )

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圖表 複合

這幅圖與上面的唯一區別是菱形爲實心的,它代表了一種更爲堅固的關係 —— 組合( composition )(聚合類型爲複合)。組合表示的關係也是 has-a ,不過在這裏, A 的生命期受 B 控制。即 A 會隨着 B 的創建而創建,隨 B 的消亡而消亡。

2.5依賴 (Dependency)

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圖表 依賴

這裏 B 與 A 的關係只是一種依賴 (Dependency) 關係,這種關係表明,如果類 A 被修改,那麼類 B 會受到影響。

3接口與抽象類有什麼區別

abstract class和interface是Java語言中對於抽象類定義進行支持的兩種機制,正是由於這兩種機制的存在,才賦予了Java強大的面向對象能力。abstract class和interface之間在對於抽象類定義的支持方面具有很大的相似性,甚至可以相互替換,因此很多開發者在進行抽象類定義時對於abstract class和interface的選擇顯得比較隨意。其實,兩者之間還是有很大的區別的,對於它們的選擇甚至反映出對於問題領域本質的理解、對於設計意圖的理解是否正確、合理。本文將對它們之間的區別進行一番剖析,試圖給開發者提供一個在二者之間進行選擇的依據。

3.1理解抽象類

abstract class和interface在Java語言中都是用來進行抽象類(本文中的抽象類並非從abstract class翻譯而來,它表示的是一個抽象體,而abstract class爲Java語言中用於定義抽象類的一種方法,請讀者注意區分)定義的,那麼什麼是抽象類,使用抽象類能爲我們帶來什麼好處呢?

在面向對象的概念中,我們知道所有的對象都是通過類來描繪的,但是反過來卻不是這樣。並不是所有的類都是用來描繪對象的,如果一個類中沒有包含足夠的信息來描繪一個具體的對象,這樣的類就是抽象類。抽象類往往用來表徵我們在對問題領域進行分析、設計中得出的抽象概念,是對一系列看上去不同,但是本質上相同的具體概念的抽象。比如:如果我們進行一個圖形編輯軟件的開發,就會發現問題領域存在着圓、三角形這樣一些具體概念,它們是不同的,但是它們又都屬於形狀這樣一個概念,形狀這個概念在問題領域是不存在的,它就是一個抽象概念。正是因爲抽象的概念在問題領域沒有對應的具體概念,所以用以表徵抽象概念的抽象類是不能夠實例化的。

在面向對象領域,抽象類主要用來進行類型隱藏。我們可以構造出一個固定的一組行爲的抽象描述,但是這組行爲卻能夠有任意個可能的具體實現方式。這個抽象描述就是抽象類,而這一組任意個可能的具體實現則表現爲所有可能的派生類。模塊可以操作一個抽象體。由於模塊依賴於一個固定的抽象體,因此它可以是不允許修改的;同時,通過從這個抽象體派生,也可擴展此模塊的行爲功能。熟悉OCP的讀者一定知道,爲了能夠實現面向對象設計的一個最核心的原則OCP(Open-Closed Principle),抽象類是其中的關鍵所在。

3.2從語法定義層面看abstract class和interface

在語法層面,Java語言對於abstract class和interface給出了不同的定義方式,下面以定義一個名爲Demo的抽象類爲例來說明這種不同。

使用abstract class的方式定義Demo抽象類的方式如下:

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

使用interface的方式定義Demo抽象類的方式如下:

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

在abstract class方式中,Demo可以有自己的數據成員,也可以有非abstarct的成員方法,而在interface方式的實現中,Demo只能夠有靜態的不能被修改的數據成員(也就是必須是static final的,不過在interface中一般不定義數據成員),所有的成員方法都是abstract的。從某種意義上說,interface是一種特殊形式的abstract class。

從編程的角度來看,abstract class和interface都可以用來實現"design by contract"的思想。但是在具體的使用上面還是有一些區別的。

首先,abstract class在Java語言中表示的是一種繼承關係,一個類只能使用一次繼承關係。但是,一個類卻可以實現多個interface。也許,這是Java語言的設計者在考慮Java對於多重繼承的支持方面的一種折中考慮吧。

其次,在abstract class的定義中,我們可以賦予方法的默認行爲。但是在interface的定義中,方法卻不能擁有默認行爲,爲了繞過這個限制,必須使用委託,但是這會 增加一些複雜性,有時會造成很大的麻煩。

在抽象類中不能定義默認行爲還存在另一個比較嚴重的問題,那就是可能會造成維護上的麻煩。因爲如果後來想修改類的界面(一般通過abstract class或者interface來表示)以適應新的情況(比如,添加新的方法或者給已用的方法中添加新的參數)時,就會非常的麻煩,可能要花費很多的時間(對於派生類很多的情況,尤爲如此)。但是如果界面是通過abstract class來實現的,那麼可能就只需要修改定義在abstract class中的默認行爲就可以了。

同樣,如果不能在抽象類中定義默認行爲,就會導致同樣的方法實現出現在該抽象類的每一個派生類中,違反了"one rule,one place"原則,造成代碼重複,同樣不利於以後的維護。因此,在abstract class和interface間進行選擇時要非常的小心。

3.3從設計理念層面看abstract class和interface

上面主要從語法定義和編程的角度論述了abstract class和interface的區別,這些層面的區別是比較低層次的、非本質的。本小節將從另一個層面:abstract class和interface所反映出的設計理念,來分析一下二者的區別。作者認爲,從這個層面進行分析才能理解二者概念的本質所在。

前面已經提到過,abstarct class在Java語言中體現了一種繼承關係,要想使得繼承關係合理,父類和派生類之間必須存在"is a"關係,即父類和派生類在概念本質上應該是相同的(參考文獻〔3〕中有關於"is a"關係的大篇幅深入的論述,有興趣的讀者可以參考)。對於interface 來說則不然,並不要求interface的實現者和interface定義在概念本質上是一致的,僅僅是實現了interface定義的契約而已。爲了使論述便於理解,下面將通過一個簡單的實例進行說明。

考慮這樣一個例子,假設在我們的問題領域中有一個關於Door的抽象概念,該Door具有執行兩個動作open和close,此時我們可以通過abstract class或者interface來定義一個表示該抽象概念的類型,定義方式分別如下所示:

使用abstract class方式定義Door:

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

使用interface方式定義Door:

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

其他具體的Door類型可以extends使用abstract class方式定義的Door或者implements使用interface方式定義的Door。看起來好像使用abstract class和interface沒有大的區別。

如果現在要求Door還要具有報警的功能。我們該如何設計針對該例子的類結構呢(在本例中,主要是爲了展示abstract class和interface反映在設計理念上的區別,其他方面無關的問題都做了簡化或者忽略)?下面將羅列出可能的解決方案,並從設計理念層面對這些不同的方案進行分析。

解決方案一:

簡單的在Door的定義中增加一個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(); 
}

那麼具有報警功能的AlarmDoor的定義方式如下:

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

或者

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

這種方法違反了面向對象設計中的一個核心原則ISP(Interface Segregation Priciple),在Door的定義中把Door概念本身固有的行爲方法和另外一個概念"報警器"的行爲方法混在了一起。這樣引起的一個問題是那些僅僅依賴於Door這個概念的模塊會因爲"報警器"這個概念的改變(比如:修改alarm方法的參數)而改變,反之依然。

解決方案二:

既然open、close和alarm屬於兩個不同的概念,根據ISP原則應該把它們分別定義在代表這兩個概念的抽象類中。定義方式有:這兩個概念都使用abstract class方式定義;兩個概念都使用interface方式定義;一個概念使用abstract class方式定義,另一個概念使用interface方式定義。

顯然,由於Java語言不支持多重繼承,所以兩個概念都使用abstract class方式定義是不可行的。後面兩種方式都是可行的,但是對於它們的選擇卻反映出對於問題領域中的概念本質的理解、對於設計意圖的反映是否正確、合理。我們一一來分析、說明。

如果兩個概念都使用interface方式來定義,那麼就反映出兩個問題:1、我們可能沒有理解清楚問題領域,AlarmDoor在概念本質上到底是Door還是報警器?2、如果我們對於問題領域的理解沒有問題,比如:我們通過對於問題領域的分析發現AlarmDoor在概念本質上和Door是一致的,那麼我們在實現時就沒有能夠正確的揭示我們的設計意圖,因爲在這兩個概念的定義上(均使用interface方式定義)反映不出上述含義。

如果我們對於問題領域的理解是:AlarmDoor在概念本質上是Door,同時它有具有報警的功能。我們該如何來設計、實現來明確的反映出我們的意思呢?前面已經說過,abstract class在Java語言中表示一種繼承關係,而繼承關係在本質上是"is a"關係。所以對於Door這個概念,我們應該使用abstarct class方式來定義。另外,AlarmDoor又具有報警功能,說明它又能夠完成報警概念中定義的行爲,所以報警概念可以通過interface方式定義。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() { … } 
}

這種實現方式基本上能夠明確的反映出我們對於問題領域的理解,正確的揭示我們的設計意圖。其實abstract class表示的是"is a"關係,interface表示的是"like a"關係,大家在選擇時可以作爲一個依據,當然這是建立在對問題領域的理解上的,比如:如果我們認爲AlarmDoor在概念本質上是報警器,同時又具有Door的功能,那麼上述的定義方式就要反過來了。

小結

  1. abstract class 在 Java 語言中表示的是一種繼承關係,一個類只能使用一次繼承關係。但是,一個類卻可以實現多個interface。
  2. 在abstract class 中可以有自己的數據成員,也可以有非abstarct的成員方法,而在interface中,只能夠有靜態的不能被修改的數據成員(也就是必須是static final的,不過在 interface中一般不定義數據成員),所有的成員方法都是abstract的。
  3. abstract class和interface所反映出的設計理念不同。其實abstract class表示的是"is-a"關係,interface表示的是"like-a"關係。 
  4. 實現抽象類和接口的類必須實現其中的所有方法。抽象類中可以有非抽象方法。接口中則不能有實現方法。
  5. 接口中定義的變量默認是public static final 型,且必須給其初值,所以實現類中不能重新定義,也不能改變其值。
  6. 抽象類中的變量默認是 friendly 型,其值可以在子類中重新定義,也可以重新賦值。 
  7. 接口中的方法默認都是 public,abstract 類型的。

結論

  abstract class 和 interface 是 Java語言中的兩種定義抽象類的方式,它們之間有很大的相似性。但是對於它們的選擇卻又往往反映出對於問題領域中的概 念本質的理解、對於設計意圖的反映是否正確、合理,因爲它們表現了概念間的不同的關係(雖然都能夠實現需求的功能)。這其實也是語言的一種的慣用法,希望讀者朋友能夠細細體會。



原文出處:http://www.cnblogs.com/xwdreamer/archive/2011/10/24/2296951.html

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