《OnJava》-- 对象的概念

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抽象

我们可理解“纯粹”的面向对象程序设计方法是什么样的:

  1. 万物皆对象。你可以将对象想象成一种特殊的变量。它存储数据,但可以在你对其“发出请求”时执行本身的操作。
  2. 程序是一组对象,通过消息传递来告知彼此该做什么。要请求调用一个对象的方法,你需要向该对象发送消息。
  3. 每个对象都有自己的存储空间,可容纳其他对象。或者说,通过封装现有对象,可制作出新型对象。所以,尽管对象的概念非常简单,但在程序中却可达到任意高的复杂程度。
  4. 每个对象都有一种类型。根据语法,每个对象都是某个“类”的一个“实例”。
  5. 同一类所有对象都能接收相同的消息。这实际是别有含义的一种说法,大家不久便能理解。由于类型为“圆”(Circle)的一个对象也属于类型为“形状”(Shape)的一个对象,所以一个圆完全能接收发送给"形状”的消息。这意味着可让程序代码统一指挥“形状”,令其自动控制所有符合“形状”描述的对象,其中自然包括“圆”。这一特性称为对象的“可替换性”,是OOP最重要的概念之一。

Grady Booch对对象更简洁的描述:一个对象具有自己的状态,行为和标识。这意味着对象有自己的内部数据(提供状态)、方法 (产生行为),并彼此区分(每个对象在内存中都有唯一的地址)。

接口

我们通过向对象发出请求,令其解决一些实际的问题。我们向对象发出的请求是通过它的“接口”(Interface)定义的,对象的“类型”或“类”则规定了它的接口形式。“类型”与“接口”的对应关系是面向对象程序设计的基础。

服务提供

在开发或理解程序设计时,我们可以将对象看成是“服务提供者”。你的程序本身将为用户提供服务,并且它能通过调用其他对象提供的服务来实现这一点。我们的最终目标是开发或调用工具库中已有的一些对象,提供理想的服务来解决问题。

我们可以将这些问题一一分解,抽象成一组服务。软件设计的基本原则是高内聚:每个组件的内部作用明确,功能紧密相关。然而经常有人将太多功能塞进一个对象中。例如:在支票打印模块中,你需要设计一个可以同时读取文本格式又能正确识别不同打印机型号的对象。正确的做法是提供三个或更多对象:一个对象检查所有排版布局的目录;一个或一组可以识别不同打印机型号的对象展示通用的打印界面;第三个对象组合上述两个服务来完成任务。这样,每个对象都提供了一组紧密的服务。在良好的面向对象设计中,每个对象功能单一且高效。这样的程序设计可以提高我们代码的复用性,同时也方便别人阅读和理解我们的代码。

封装

Java 有三个显式关键字来设置类中的访问权限:public(公开),private(私有)和protected(受保护)。这些访问修饰符决定了谁能使用它们修饰的方法、变量或类。

  1. public(公开)表示任何人都可以访问和使用该元素;

  2. private(私有)除了类本身和类内部的方法,外界无法直接访问该元素。private 是类和调用者之间的屏障。任何试图访问私有成员的行为都会报编译时错误;

  3. protected(受保护)类似于 private,区别是子类(下一节就会引入继承的概念)可以访问 protected 的成员,但不能访问 private 成员;

  4. default(默认)如果你不使用前面的三者,默认就是 default 访问权限。default 被称为包访问,因为该权限下的资源可以被同一包(库组件)中其他类的成员访问。

复用

代码和设计方案的复用性是面向对象程序设计的优点之一。我们可以通过重复使用某个类的对象来达到这种复用性。同时,我们也可以将一个类的对象作为另一个类的成员变量使用。新的类可以是由任意数量和任意类型的其他对象构成。

继承

对于继承可能会引发争论:继承应该只覆盖基类的方法(不应该添加基类中没有的方法)吗?如果这样的话,基类和派生类就是相同的类型了,因为它们具有相同的接口。这会造成,你可以用一个派生类对象完全替代基类对象,这叫作"纯粹替代",也经常被称作"替代原则"。在某种意义上,这是一种处理继承的理想方式。我们经常把这种基类和派生类的关系称为是一个(is-a)关系,因为可以说"圆是一个形状"。判断是否继承,就看在你的类之间有无这种 is-a 关系。

有时你在派生类添加了新的接口元素,从而扩展接口。虽然新类型仍然可以替代基类,但是这种替代不完美,原因在于基类无法访问新添加的方法。这种关系称为像是一个(is-like-a)关系。新类型不但拥有旧类型的接口,而且包含其他方法,所以不能说新旧类型完全相同。

当你看到替代原则时,很容易会认为纯粹替代是唯一可行的方式,并且使用纯粹替代的设计是很好的。但有些时候,你会发现必须得在派生(扩展)类中添加新方法(提供新的接口)。只要仔细审视,你可以很明显地区分两种设计方式的使用场合。

多态

我们在处理类的层次结构时,通常把一个对象看成是它所属的基类,而不是把它当成具体类。通过这种方式,我们可以编写出不局限于特定类型的代码(通用代码)。在“形状”的例子中,“方法”(method)操纵的是通用“形状”,而不关心它们是“圆”、“正方形”、“三角形”还是某种尚未定义的形状。所有的形状都可以被绘制、擦除和移动,因此“方法”向其中的任何代表“形状”的对象发送消息都不必担心对象如何处理信息。

在传统意义上,编译器不能进行函数调用。由非 OOP 编译器产生的函数调用会引起所谓的早期绑定,这个术语你可能从未听说过,不会想过其他的函数调用方式。这意味着编译器生成对特定函数名的调用,该调用会被解析为将执行的代码的绝对地址。

通过继承,程序直到运行时才能确定代码的地址,因此发送消息给对象时,还需要其他一些方案。为了解决这个问题,面向对象语言使用后期绑定的概念。当向对象发送信息时,被调用的代码直到运行时才确定。

单继承结构

自从 C++ 引入以来,一个 OOP 问题变得尤为突出:是否所有的类都应该默认从一个基类继承呢?这个答案在 Java 中是肯定的(实际上,除 C++ 以外的几乎所有OOP语言中也是这样)。在 Java 中,这个最终基类的名字就是 Object

Java 的单继承结构有很多好处。由于所有对象都具有一个公共接口,因此它们最终都属于同一个基类。相反的,对于 C++ 所使用的多继承的方案则是不保证所有的对象都属于同一个基类。从向后兼容的角度看,多继承的方案更符合 C 的模型,而且受限较少。

对于完全面向对象编程,我们必须要构建自己的层次结构,以提供与其他 OOP 语言同样的便利。我们经常会使用到新的类库和不兼容的接口。为了整合它们而花费大气力(有可能还要用上多继承)以获得 C++ 样的“灵活性”值得吗?如果从零开始,Java 这样的替代方案会是更好的选择。

另外,单继承的结构使得垃圾收集器的实现更为容易。这也是 Java 在 C++ 基础上的根本改进之一。

由于运行期的类型信息会存在于所有对象中,所以我们永远不会遇到判断不了对象类型的情况。这对于系统级操作尤其重要,例如异常处理。同时,这也让我们的编程具有更大的灵活性。