1、第 3 章 面向对象 概念和思想第 2 章介绍了 JAVA 语言的基本部分， 本章将进入JAVA 语言的另一部分：面向对象的讲解，这部分内容，如果只单纯讲解语法的是不够的，更重要的是讲解其语义，也就是JAVA （及其他）面向对象语法后面隐藏的含义，这样才能知道为什么 JAVA 要有这些语法，应该怎样在程序中使用这些语法。学习编程只把 语法 搞得清清楚楚是不行的，重点是理解语义。这一章的内容，具有通用性，适合所有的面向对象语言，不与具体的 JAVA 语言绑定。0 引言计算机软件解决的是现实世界中的问题，但就事论事的解决问题是低效的， 一种科学方法是： 将若干具体问题归并为一类问题，用一种方法去解
2、决它。数学公式、化学分子式等都是一对类问题的解决之道，面向对象编程技术与之相似。将具体问题归并为一类问题，是一种抽象思维，简单的抽象思维并不困难， 儿童也有简单的抽象思维能力， 进入青少年时期后， 这种能力得到极大发展， 日常生活中我们每天也都要使用抽象思维。所以，理解面向对象编程的概念和思想，并不是特别困难的事情。计算机软件设计有两个重要方面：一是算法设计，用来解决微观的、有难度的问题。算法研究的主要是一些有难度的、微观的问题。二是软件体系结构设计，用来解决宏观的、有复杂度的问题。面向对象编程主要针对这些问题。面向对象（Object-Oriented,简称 OO）的思想、概念和编程方法，或许
3、是我们本科阶段，所能学到的最高级的编程技术，这种技术对算法起不到很大作用， 面向对象涉及的是比算法宏观一些的软件体系结构问题， 面向对象的优势在编写大型软件时才能体现出来， 由于本科阶段我们得几乎得不到编写大型软件的机会， 所以对面向对象很难有一个深入的认识。对面向对象的思想、概念和目的的深入认识是非常重要的。首先它对学好JAVA、.NET、C+等面向对象的编程有重要影响；其次以后的实际工作中我们面对的都是大型的、 复杂的软件系统 (而不仅仅是微观的算法) ，用面向对象的方法去设计这些系统是很合适的。本章将从分析人的自然思维习惯入手，说明面向对象编程(Object Oriented Progr
4、amming,简称 OOP)的几个核心概念：对象、类、属性、方法、封装、重载、继承、多态。OO 是符合人的思维习惯的一种编程方法 ，是高级语言出现以后，编程方法的一次飞跃。 对于面向对象的概念和思想， 可以用自然轻松的心态理解它。面向对象可以给软件开发带来以下几个好处：提高程序的复用性降低系统的复杂性以不变的对象结构应对变化的对象。这三个好处是软件工程永恒的追求，它有利于提高软件的质量，降低成本。对于软件产业有重要作用。1 面向对象是适合人的思维习惯的编程方法1.1 范式及编程语言世界上有很多的编程语言， 可以按照不同的标准对其分类， 以前在讲到 JAVA 数据类型时， 曾将编程语言按类型分为
5、强类型的和弱类型的。下面对编程语言作另一种分类：按范式分类。范式的英文单词是paradigm。 它的原意大致是范例、 示例的意思，为了帮助我们理解某些英文动词的用法，老师会给一些例句( paradigm、 example) ，在所有的计算机编程书籍中，都有大量的例程(范例)。有些计算机书籍中，将paradigm称为“范例”指一种示范性的模型或例子，它提供了一种组织信息的形式。范式的概念是1962年，美国科学史学家和科学哲学家托马斯库 恩（ Thomas S. Kuhn ）出版了著名的 The Structure of Scientific R evolutions一书提出的，其核心范式论在自然
6、科学家中引起强烈的共鸣， 并波及社会科学的广泛领域。 在计算机领域我们也常使用 范式的概念，比如著名的关系数据库的第一、二、三范式。范式 包括三个方面：（ 1）范式建立在科学理论体系内。（ 2）范式运用该理论体系的心理认知因素。（ 3） 范式指导和联系上述两者 （理论体系和心理认知） 的自然观。现有的编程语言，按照范式可分为以下四类：（1）命令的或过程式，如 C语言，Pascal语言。（2）声明的或基于逻辑的，如 Prolog语言。（ 3）函数的，如LISP 、 ML 语言。（4）面向对象的，如 Java C#, C+等相对应的就是所谓的四大 编程范式（Programming paradigm
7、）或 曰四大计算模型。其中第 2 类声明的范式（ declarative paradigm）多被用于知识表达和推理的应用中，本课不讨论它。（1）命令范式命令的语言或过程式语言 （ imperative or procedural languages）是最为传统的编程语言。 从机器语言、 汇编语言到早期的某些高级语言（如BASIC、Fortran、Cobol及C等），都属于该范式。过程式语言是命令驱动（command-driven）或者说是面向语句的（statement-oriented语言。其基本概念是 机器状态（machine state）计算机中所有内存区域的所有值的集合。 一个程序由一系
8、列的语句组成， 而每一个语句的执行导致计算机的内存的一个或多个区域的值发生变化，也就是说，机器进入了一个新的状态。过程式语言的语法（syntax） 一般有这样的形式：statement1；statement2； 内存是一些小盒子的集合，一个语句的执行（例如两个变量相加得到第 3 个变量）就是访问内存区域（两个小盒子） ，通过某种方式 合并区域的值并将结果保存到某一个区域（小盒子）中。这是编程者非常容易接受的第一印象， 这一计算模型追随的是这种事实：计算机硬件按顺序执行指令(instruction ) 。计算机就是这样运作的，我们的编程语言也应该追随， 因此， 大量的传统编程语言遵循这样计算模型
9、，广泛使用的语言，如C、Fortran、Cobol、Pascal等都支持这一计算模 型。从编程方式和思想上， 传统的命令范式把编程过程 定义为一个命令序列的开发， 这些命令操作数据而产生所期望的结果。 事实上它是以 CPU 的“取得解码执行” 循环为基础。其核心是“解决一个问题所需要的 算法 是什么？”或者说“什么是其算法，为了解决一个问题”。其代表性口号是“程序=算法+数据结构”。其基本的程序结构是：顺序、分枝、循环，这三种结构加上一些必要的数据类型和操作符，能解决任何算法问题。命令范式语言有很多是高级语言， 但这些高级语言是带有浓厚的机器思维色彩。 但无论如何命令范式是几乎所有编程语言的基
10、础， 现在面向对象范式的语言，如 JAVA 也保留了命令范式的语法。(2)函数范式函数式语言(functional or applicative languages) 是不同于过程式语言的一种计算， 它不注重于机器状态 的变化， 而是关注程序表现出来的功能。 也就是说， 为了访问变量的初始化数据并以某种方式合并它们从而得到结果，我们必须找到一些函数(function )应用在机器初始状态上。其语法一般有这样的形式：functionn( function2(functioni(data)函数式语言的典型代表是 LISP ，函数范式(functional paradigm)将编程活动视为构造“黑匣
11、子” ，黑匣子的工作方式是：参数输入代码块 结果输出。即参数被传入某个处理过程，最后返回计算结果，这就是其称为函数范式的原因，黑匣子如同数学上的函数：Y=F(x1,x2,x3),x是函数的自变量(也可叫参数)，F是函数名字， Y 是函数的运算结果。函数式语言把编程过程视为一些函数的开发，所构造的函数是预先开发的简单函数的嵌套联合体， 所有的函数作用于初始数据和中间数据直到最后一个函数能够计算出结果。 显然， 函数范式是天然的模块方式( modular approach) 。函数范式语言提供了编程模块的封装 (函数级别的 “黑匣子” ) 和复用 (函数可以重复调用) ， 这是非常重要的程序设计思
12、想 ， 因此， 命令范式和面向对象范式的语言也继承了这种思想。在 C/C+语言 里，我们有函数和类的成员函数；在JAVA、C#等纯面向对象语言里， 函数改了个称呼：叫“方法” ， JAVA 的方法不是独立的，而是类的一部分。（3）面向对象范式面向对象范式是命令的范式和函数范式的自然产物，是它们的继承与发展。 面向对象范式超越了算法的界限， 应该视为软件的整体设计思想， 这种思想不再是机器思维的模仿， 而是达到了与人的自然思维方式的基本一致。 这种思想是建立在 对象、 类、 属性、 方法、 封装、重载、继承、多态等概念之上的。计算机语言的发展趋势是 ： 越来越接近人的自然思维习惯。 面向对象编程
13、， 是在目前成熟的编程方法中， 最接近人的思维习惯的编程方法，其代表性口号是：“程序=（对象的）复用+扩展工换算成时下的政治术语，就是使软件系统“可持续性发展” 。请同学们注意： 学习编程语言，当学习到：基本数据类型 （整形、 ） 、 操作符、 三种语句 （顺序、 分支、 循环） 、 指针，这些内容属于软件微观的算法部分。函数属于软件体系结构部分的起点，而类、对象、封装、继承、多态等面向对象的特性则是软件体系结构更高的层面， 可帮助我们构 架大型软件。132 对象和类2.1 对象、属性、方法、类面向对象技术是一种将“具体问题归并为一类问题，一并解决”的编程技术，是人的抽象思维的反应。简单的抽象
14、思维并不困难，儿童也有简单的抽象思维能力，进入青少年时期后，这种能力得到极大发展，日常生活中我们每天也都要使用抽象思维。对面向对象思想做理论性的总结，分析哲学家维特根斯坦( 1889-1951 作了很多贡献。他于1922 年出版了一本著作逻辑哲学论 ，在该书中，他阐述了一种面向对象的世界观，或者说一种面向对象认识世界的观点。再早期，培根( Francis Bacon ， 1561 1626)提出了科学认识的方法-归纳法，这是科学研究的主要方法之一。还有达尔文的进化论，与面向对象的继承思想如出一辙。总之，在上世纪在六七十年代后，软件工程界受到他们的启示，使面向对象终于由一种哲学思想沉淀到软件技术
15、的层面上来， 成为软件业的宠儿，这就是面向对象( OO ， Object-Oriented )的由来。什么是对象？对象是指客观世界一切可被呈现的或被感知的事物。首先对象可以是物理实体，比如我们日常生活中常说“某某党员发展对象，恋爱对象，帮助对象，扶贫对象”都是指物理实体；其次对象还可以是任一类概念实体， 例如教师对学生成绩进行研究分析， 学生成绩是个概念实体。总之，世间万物，只要被你观察上了研究上了，皆对象。当我们用“自然的，本能的”思维方式对一个对象观察研究的时侯， 会发现对象包含两方面的特征： 一方面是事物的静态特性： 如尺寸，形状等，静态特性一般描述这个事物“是什么”，一般是名词性的，我
16、们这一类的特征叫 对象的属性(attribute) ；另一方面是事物的动态特性(行为特性)：动态特性一般描述这个事物“做什么(操作) ” ， 一般是 动词性 的， 我们这一类的特征叫 对象的方法 (method) 。比如说我们把大学生张三作为一个对象观察， 那么他的相貌、 身 高、体重、年龄等是对象张三的属性，他吃饭、睡觉、走路、学习、 写字则是对象张三的方法。下面我们对大学生张三建立一个“对象模型”，用伪代码描述： Object张三对象的名字是张三name= “张三”； age=21;school= 山大威海分校”；oooooooooo 上面是对象张三的静态描述，是张三的属性 study（
17、Java 编程”） Play（篮球”） oooooooooo 上面是对象张三的动态描述，是张三的方法 这个模型，只是对大学生张三这个具体的对象的描述，稍加观察 我们会发现，张三所具有的属性和方法在大学生里具有普遍意义，或者说，张三是大学生这一类对象的一个个体对象。将上面的“对象模 型”抽象一下，改造为具有普遍意义的“一类对象”： class大学生用class代表一类对象String name; 不指定name的具体值，而是将 name抽象为String int age;不指定age的具体值，而是将age抽象为intString school;oooooooooo 上面是大学生类别的静态描述，是
18、大学生类的属性 Study（String课程名）/不指定具体课程名，而是将课程名抽象为 String Play（String运动项目）。上面是对大学生类别的动态描述，是大学生类的方法 这个类的模型是抽象的，因此有普遍意义，对所有大学生都适合。 当我们需要“对象张三”时，只需对上述模型的属性赋值，对方法使 用不同参数即可，这个过程我们叫作类的实例化，即从大学生类里面 实例化出具体的“对象张三”。比如： Object张三name= 张三” ；age=21; school= 山大威海分校”； Study（ JAVA 编程”） Play（篮球”）我们看到，这个实例化出来的新的“对象张三”，与开始为大学
19、生张 三建立的“对象模型”是一样的。我们走过了这么一个从个别到普遍， 再从普遍到个别的过程：（1）先对个体的大学生张三建立“对象模型”；（2）将上步的对象模型抽象成“大学生类”，使其具有普遍意义；（3）从类里面实例化出来新的“对象张三”，该对象与（1）的模型 相同。第（2）步“大学生类”的抽象是非常关键的，它的真正价值不在于 为张三这个具体对象服务，而是在于，“大学生类”可以作为大学生 这一系列的个体对象的模版，通过对这个模版的属性赋不同的值、 方 法给不同的参数，可以实例化出多个不同的大学生对象，换句话说，“大学生类”是抽象的、可以重复使用（简称复用）的，而复用正是 软件工程永恒的追求之一。
20、比如：Object李四name= “李四”；age=20;school= 哈工大威海分校”；Study（ C#编程”） Play（足球”） Object王五name= “王五”； age=22;school= 山大总校”； Study（ C+编程”） Play（排球”）通过前面的讲述，我们了解了对象、属性、方法、类的概念，小 结如下：对象：客观世界的一个具体事物。类：对客观世界的具有相同特征的一类具体事物的抽象。从类中可实例化出相同特征的不同对象。类是抽象的、可以复用的软件模块。属性、方法：对象或类对事物的静态描述（名词性的）叫属性，动态 描述叫方法。我们很容易想到，如果用程序语言描述，属性可
21、 以用变量或常量代表，方法可以用函数代表。或者说，一个类 （或对象）是一些变量（或常量）和操作这些变量（或常量） 的函数的集合。对象、 属性、 方法、 类是 OO 最基本的概念。 其最基本的特征是：从个别对象的行为（包含属性和方法）抽象出一类对象的的行为，再反过来作用到个别对象。 类是抽象的、可以复用的软件模块。2.2 对于类的研究下面我们把重点转入对类的研究。通过前面对“大学生类”的建模，我们学会了一种对客观事物分类的方法， 从具体到普遍的抽象。 实际上这种抽象建模能力是人人都有的，我们在很小的时候就会把不同的人归类为大人、小孩、好人、坏人、男人、女人，把车辆归类为火车、汽车、自行车、卡车、
22、轿车。 。 。 。 。 。 ，按科学的观点， 人类研究自然主要有两种方法： 逻辑演绎和分类归纳。 我们对以数学为代表逻辑演绎方法比较熟悉， 而对分类研究则相对陌生 - 虽然我们与生俱来就有分类能力。 面向对象程序设计最重要的技巧就是分类，你面对一个大型项目首先要做的就是分类。古人很早就开始对自然界进行分类研究，比如中国的本草纲目。现代科学意义上的分类学是英国科学家培根（1561-1626）创建的。分类研究的主要特征是把若干事物按其属性和行为分门别类进行研究。比如哺乳动物类里有马，鲸鱼等等。我们认为，在自然界里，存在很多有相同属性和方法的对象，我们可以把它们抽象成一个类。 除了前面例举的大学生类
23、， 还可以找出很多例子，例如：各种品牌电视机都有“商标” ， “尺寸”属性，和“选频道（ ） ”方法。 。 。 。 。 。 ，我们把所有电视机抽象成一个类“电视机” 。因为类是对对象的抽象，所以类也有方法，属性 等概念。我们知道对象是客观世界的实体（物理实体和概念实体） ， 但类只是一个抽象概念，不是实体。 既然类不是实体，就不能直接作用到客观世界。我们必需把类从抽象概念变成实体， 才能作用到客观世界。 这个过程是：把对象先抽象成类，再把类实例化成对象。类的存在价值在于，可以以类为模版实例化出无数同类对象， 而这些对象的外观各不相同（就像前面讲过的从 “大学生类” 实例化张三、 李四、 王五对
24、象一样，他们的外观是不一样的，但都是同类对象） 。类究竟是什么？主要有两种解释：一种观点认为类是对一类对象的抽象，前面已讲过了；另一种观点认为类是一种聚合的、抽象的数据类型，再观察前面 讲过的用伪代码描述的“大学生类”：class大学生用class代表一类对象String name;int age;String school;oooooooooo 上面是大学生类别的静态描述，是大学生类的属性Study（String 课程名）Play（String运动项目）。上面是对大学生类别的动态描述，是大学生类的方法我们看出，这个类的属性集由String、int等抽象数据类型组成（注意: 编程语言的整型、浮
25、点型、字符型、布尔型等基本数据类型也是抽象 数据类型，想想为什么它是抽象的？），类的方法的参数也是抽象数 据类型，我们可以认为类也是一种抽象数据类型。在实际软件的类中，一个类是由表述一种事物的一组不可分割的 数据（属性）和围绕这些数据的操作（方法）聚合而成的。比如学生的学籍数据和对其进行的增加、删除、修改、查询操作。一个实际的面向对象软件系统，有很多个类组成，类相互间构成 各种复杂的关系。2.3 类的封装性前面学习了类、对象、属性和方法的概念,这些概念对所有面向对象编程语言都是通用的。 下面介绍另外一个通用概念： 类的封装性。面向对象有三个最主要的特性： 封装、继承和多态。 下面讨论类的封装性
26、，也就是面向对象的封装性。什么叫封装？我们在日常生活中，面对较复杂的客观事物，往往习惯于个它“打个包” ，将其“黑箱化” ，也就是说，很多事物，我们不太愿意也没有必要知道其“内在”的特性，我们只需了解其“外在”的特性就够了。比如对一台电视机，我们只需知道其外观尺寸、 遥控器的使用就可以以， 没有必要知道电视机的内部构造。对一个用户而言，电视机就是一个“黑箱” ，用户通过这个“黑箱”的外在特性与其交互。用户按下遥控器的一个按扭向“黑箱”输入些（比如切换频道） ， “黑箱”执行一些用户不必要知道的内部动作，然后“黑箱”输出些什么（比如屏幕画面转到另一个频道） 。对一个人来说， 周围的客观事物绝大多
27、数都是这样的 “黑箱”-你的电脑、你的 MP3 、你周围的同学、老师。我们所处的环境是如此的复杂多变，我们只能通过“黑箱”简化对客观事物的理解。对于软件工程师，当他们在构造一个大型系统时，也处于复杂多变的环境，他们要合作工作，要彼此交流，要复用彼此的程序， 他们不可能也没有必要对系统的每一个细节都了解， 他们必需将系统分解成一个个“黑箱” ，将系统的复杂度简化到能够理解、驾驭的水平。软件工程师将系统“黑箱化”的另一个巨大好处是，可以促进软件的复用， A 工程师将其作品封装成“黑箱” 其内在特性或许很复杂，而其外在特性则很简单，这样B 、 C、 D 。 。 。工程师就很容易重复使用 A 工程师的
28、作品，他们只需了解作品的外在特性就可以了。 JAVA API （JAVA 类库）就是由许多封装成类的 “黑箱” 组成的， 这些由一流的软件工程师开发出来的作品，被全世界数百万JAVA 程序员重复的使用。我以前说过， 复用是软件工程永恒的追求， 软件业作为一个工业产业，其发展动力主要来源两点：创新和复用，这与其它的工业产业没有区别，复用是创新的基础，创新则是复用的继承，两者结合就是可持续性发展。好的复用技术能使软件工程师更容易分享彼此的作品，面向对象就是目前最好的软件复用技术， 其出发点就是面向对象的封装。面向对象的封装技术是以往的封装技术 函数的发展。以前 讲过编 程 语言 的 函 数范 式
29、， 函 数范 式 （ functional paradigm）将编程活动视为构造“黑箱”，黑箱的工作方式是： 参数输入代码块 结果输出。即参数被传入某个处理过程，最后返回计算结果， 这就是其称为函数范式的原因， 黑匣子如同数学上的函数：Y=F（x1,x2,x3）,x是函数的自变量（也可叫参数），F是函数 名字， Y 是函数的运算结果。显然，函数范式是模块方式（modular approach） 。函数范式语言提供了编程模块的封装 （函数级别的 “黑匣子” ） 和复用（函数可以重复调用） ，这是非常重要的程序设计思想 。 面向对象范式是函数范式的发展。类的写法 （伪代码 ） ：class 类名/
30、类的属性集/类的方法集类是这样一个封装， 它封装了对象的动态特性 （类的方法集） ， 以及动态特性所共同操作的一组数据（类的属性集） 。或者说类 高度内聚了一类对象的特征。 我们注意到在面向对象范式中， 函 数只是类的一个成员，也就是说类的封装粒度要比函数大的多 ，因此类的可复用性就有可能更高。为了减少类的外在特性，使用户更容易使用类，面向对象编程语言主要提供了两种语法： 类的方法重载，以及类成员（属性和方法）私有化。方法的重载我们考虑这样一个问题：描述一个学生的学习，这是一个动 词性的对象方法，它的基本特征是学习，只是学习科目不同而已， 是用多个方法描述好呢？学语文（），学数学（），学物理（
31、），学化学（），。还是用一个方法描述好？学（语文），学（数学），学（物理），学（化学）。很显然后一种描述更合理，它可以大大简化对象的外在特性，让类的用户感觉是在使用一个方法做很多事，而实际上类的设计者用同一个方法名重写了很多个函数。我们把一个类内，多个相同行为特征的方法，用一个方法名， 不同的方法参数，表示出来，叫 方法的重载。类及其成员的访问权限（信息隐藏）。在一个类内的属性和方法，有一些仅供类的内部使用，这些属性和方法可以定义为类的私有成员（private）,不允许外部访问，这是类的封装性的一个重要特征：信息隐藏。另一部分属性和方 法允许外部对它们的访问，可以定义为类的公有成员（ public）。 对类成员进行私有化/公有化处理，从类的外部用户角度看，类 的复杂度大大减少，同时也有利于类的安全。信息隐藏也是符合 人的自然思维习惯的，人有一种本能的自我防护意识，与外界交流只有一个很小的接口，自身的大量信息都被隐藏了。课后习题本章没有课后习题
