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。

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 ）

图表 1 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）

图表 2 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 ）

图表 3 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 ）

图表 4 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)

图表 5 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

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