如何理解程序设计中的面向过程与面向对象
摘要
程序设计语言的发展是一个不断演化的过程,其根本的推动力就是抽象机制更高的要求,以及对程序设计思想的更好的支持。具体的说,就是把机器能够理解的语言提升到也能够很好的模仿人类思考问题的形式。“面向过程”是一种以事件为中心的编程思想。就是分析出解决问题所需要的步骤,然后用函数把这些步骤一步一步实现,使用的时候一个一个依次调用就可以了。随着程序规模的不段断扩大,在60年代末期出现了软件危机,在当时的程序设计范型中都无法克服错误随着代码的扩大而级数般的扩大,以至到了无法控制的地步,这个时候就出现了一种新的思考程序设计方式和程序设计范型-----面向对象程序设计,由此也诞生了一批支持此技术的程序设计语言,比如EIFFEL,C++,JAVA,这些语言都以新的观点去看待问题,即问题就是由各种不同属性的对象以及对象之间的消息传递构成。
一、程序设计范型的演化
1过程式程序设计
原始的程序设计范型是:
确定需要哪些过程;
采用能找到的最好的算法。
这里所关注的是处理过程-----执行预期的计算所需要的算法,从程序组织的观点看,函数被用于在许多算法里建立一种次序。算法本身通过函数调用和其他语言功能写出,其典型语言是PASCAL。
2模块程序设计
设计程序的着重点已经从有关过程的设计转移到了对数据的组织,这种转移也反映了程序规模增大的情况。相关的过程与他们所操作的数据组织在一起,通称为一个模块,程序设计范型变成:
确定需要哪些模块;将程序分为一些模块,使数据隐藏于模块之中。
在这样的设计范型中,最重要的概念就是数据隐藏原理。
3基于对象程序设计
允许程序员直接定义类型,这种类型的行为方式与内部类型几乎完全一样,这样的类型常常被称为抽象数据类型,其程序设计范型是:
确定需要哪些类型;
为每个类型提供完整的一组操作。
支持这种范型的典型设计语言就是ADA。
4面向对象程序设计
在基于对象程序设计范型的基础上,加入继承和多态这两个组重要的概念就演变出了现在最流行的程序设计方法---面向对象程序设计,其范型是:
确定需要哪些类;
为每个类提供完整的一组操作;
利用继承去明确地表示共性。
支持此范型的典型语言就是EIFFEL,JAVA,C++等。
二、面向过程
“面向过程”是一种以事件为中心的编程思想。
就是分析出解决问题所需要的步骤,然后用函数把这些步骤一步一步实现,使用的时候一个一个依次调用就可以了。按这种模型编写的程序以一系列的线性步骤(代码)为特征可被理解为作用于数据的代码。如C等过程化语言。
面向过程的方式,其思维方式和方法布局注重深度,其调用链形成一棵链条很长的树(纵向联系),上级节点和下级节点互为上下文,上级节点单独抽出去无法完成任何工作,越核心的功能依赖层次越低的下层实现。联系太紧密,所以很难重用,从而导致修改时的链条也很长。
面向过程其实是最为实际的一种思考方式,就是算面向对象的方法也是含有面向过程的思想。可以说面向过程是一种基础的方法。它考虑的是实际的实现。一般的面向过程是从上往下步步求精。所以面向过程最重要的是模块化的思想方法。对比较面向对象,面向对象的方法主要是把事物给对象化,对象包括属性与行为。当程序规模不是很大时,面向过程的方法还会体现出一种优势,因为程序的流程很清楚,按着模块与函数的方法可以很好的组织。
三、面向对象。
面向对象的程序设计(Object-Oriented Programming,简记为OOP)
“面向对象”(Object Oriented,简称OO)是一种以事物为中心的编程思想。
面向对象的方式,其方法布局是尽量把调用的级次链拉平,将方法原子化,然后分离到独立的功能包:类里面.更注重广度。并强调类完成功能时越孤立越好。与其它类的关系越不紧密越好(斩断上下文),如果需要与其它类通信,也是通过相对固定的接口来联系(横向联系)。面向对象的过程也就是把方法布局拉平,并封装到平级对象中的过程。
面向对象的特点是:封装,多态,继承。其中多态有分为重载和重写。面向对象的编程思想更加接近现实的事物。
有这样几点好处:
1、是编程更加容易。因为面向对象更接近于现实,所以你可以从现实的东西出发,进行适当的抽象。
2、在软件工程上,面向对象可以使工程更加模块化,实现更低的耦合和更高的内聚。
3、在设计模式上(似乎只有面向对象才设计到设计模式),面向对象可以更好的实现开-闭原则。也使代码更易阅读。
相对而言,面向过程的程序设计是面向对象程序设计的基础。面向对象的程序里面一定会有面向过程的程序片断的!
面向对象程序设计的最基本的概念/机制是对象,对象可以被定义由属性(数据)和操作这些数据的方法(代码)组成的软件单元。数据不能被对象的使用者直接访问,只允许通过由对象提供的方法或者代码访问数据(也就是说,函数调用它的方法)。
封装对象既包含数据又包含操作或者改变该数据的方法(代码)。
对象的服务定义了其他的对象感怎样获得对其方法的访问。每一个对象都将愿意提供给所有对象的公共服务公开化。它也提供仅局限与特定对象的其他的服务(保护和私有的)。我提供服务的思想定义了面向对象范型的第二个原则---信息隐藏。
信息隐藏包含属性(数据)的对象定义什么服务(函数)可被其他对象访问,实际上,其他对象无法访问或者感知数据(属性)及其这样提供服务(方法/代码)。
对象通过使用消息机制发送遵守服务的原型的消息,能够使用另外一个对象的公共服务。消息机制就构成了面向对象范型的第三个原则--消息传递。
消息传递对象只能借助消息传递机制才能同其他对象通信,每个消息必须发送个指定的接受者,并且消息的解释以来于接受者。
在面向对象的范型中,通常在运行时才知道给定消息的特定接受者。这样,在消息和用
来完成对行为的轻骑的方法之间存在后期连接。命令式程序范型中的函数调用与代码片段存在的是早期连接。对后期连接的支持定义了面向对象范型的第四个原则---后期连接。
后期连接它能够在运行时对一个消息决定要执行的特定接受者及其相应的方法。
我们不仅将对象组织为类别,而且也将类别整理为从一般到特殊的层次结构。这将我们引入面向对象的第四个原则---泛化。
无多态的泛化可以用层次性继承结构来组织类。在该机构中,子类将从位于数结构高层的父类中继承属性,
关系和方法,抽象的父类是指仅用来产生子类的超类。这样抽象类就没有直接实例。
有多态的泛化可以使用层次继承结构组织类,子类可以继承位于树型结构的高层的父类的树型,关系和方法。然而,子类可以产生它自己的方法来代替其他任何超类的方法。
面向对象程序设计的三大原则:
1、封装
封装是一种把代码和代码所操作的数据捆绑在一起,使这两者不受外界干扰和误用的机制。封装可被理解为一种用做保护的包装器,以防止代码和数据被包装器外部所定义的其他代码任意访问。对包装器内部代码与数据的访问通过一个明确定义的接口来控制。封装代码的好处是每个人都知道怎样访问代码,进而无需考虑实现细节就能直接使用它,同时不用担心不可预料的副作用。
在JAVA中,最基本的封装单元是类,一个类定义着将由一组对象所共享的行为(数据和代码)。一个类的每个对象均包含它所定义的结构与行为,这些对象就好象是一个模子铸造出来的。所以对象也叫做类的实例。
在定义一个类时,需要指定构成该类的代码与数据.特别是,类所定义的对象叫做成员变量或实例变量。操作数据的代码叫做成员方法。方法定义怎样使用成员变量,这意味着类的行为和接口要由操作实例数据的方法来定义。
由于类的用途是封装复杂性,所以类的内部有隐藏实现复杂性的机制。所以JAVA中提供了私有和公有的访问模式,类的公有接口代表外部的用户应该知道或可以知道的每件东西。私有的方法数据只能通过该类的成员代码来访问。这就可以确保不会发生不希望的事情。
2、继承
继承是指一个对象从另一个对象中获得属性的过程。是面向对象程序设计的三大原则之二,它支持按层次分类的概念,例如,波斯猫是猫的一种,猫又是哺乳动物的一种,哺乳动物又是动物的一种。如果不使用层次的概念,每个对象需要明确定义各自的全部特征。通过层次分类方式,一个对象只需要在它的类中定义是它成为唯一的各个属性,然后从父类中继承它的通用属性。因此,正是由于继承机制,才使得一个对象可以成为一个通用类的一个特定实例。一个深度继承的子类将继承它在类层次中的每个祖先的所有属性。
继承与封装可以互相作用。如果一个给定的类封装了某些属性,它的任何子类将会含有同样得属性,另加各个子类所有得属性。这是面向对象程序在复杂性上呈线性而非几何增长的一个重要概念。新的子类继承其所有祖先的所有属性。子类和系统中的其他代码不会产生无法预料的交互作用。
3、多态
多态是指一个方法只能有一个名称,但可以有许多形态,也就是程序中可以定义多个同名的方法,用“一个接口,多个方法”来描述。可以通过方法的参数和类型引用。
4、封装,继承,多态的组合使用
在由封装,继承,多态所组成的环境中,程序员可以编写出比面向过程模型更健壮,更具扩展性的程序。经过仔细设计的类层次结构是重用代码的基础。封装能让程序员不必修改公有接口的代码即可实现程序的移植。多态能使程序员开发出简洁,易懂,易修改的代码。
四、面向过程与面向对象的对比
面向过程就是分析出解决问题所需要的步骤,然后用函数把这些步骤一步一步实现,使用的时候一个一个依次调用就可以了。
面向对象是把构成问题事务分解成各个对象,建立对象的目的不是为了完成一个步骤,而是为了描叙某个事物在整个解决问题的步骤中的行为。
我认为“面向对象”是类的层次上进行的分析和设计,而“面向过程”是在系统的流程上的分析和设计
例如五子棋,面向过程的设计思路就是首先分析问题的步骤:1、开始游戏,2、黑子先走,3、绘制画面,4、判断输赢,5、轮到白子,6、绘制画面,7、判断输赢,8、返回步骤2,9、输出最后结果。把上面每个步骤用分别的函数来实现,问题就解决了。
而面向对象的设计则是从另外的思路来解决问题。整个五子棋可以分为1、黑白双方,这两方的行为是一模一样的,2、棋盘系统,负责绘制画面,3、规则系统,负责判定诸如犯规、输赢等。第一类对象(玩家对象)负责接受用户输入,并告知第二类对象(棋盘对象)棋子布局的变化,棋盘对象接收到了棋子的i变化就要负责在屏幕上面显示出这种变化,同时利用第三类对象(规则系统)来对棋局进行判定。
可以明显地看出,面向对象是以功能来划分问题,而不是步骤。同样是绘制棋局,这样的行为在面向过程的设计中分散在了总多步骤中,很可能出现不同的绘制版本,因为通常设计人员会考虑到实际情况进行各种各样的简化。而面向对象的设计中,绘图只可能在棋盘对象中出现,从而保证了绘图的统一。
功能上的统一保证了面向对象设计的可扩展性。比如我要加入悔棋的功能,如果要改动面向过程的设计,那么从输入到判断到显示这一连串的步骤都要改动,甚至步骤之间的循序都要进行大规模调整。如果是面向对象的话,只用改动棋盘对象就行了,棋盘系统保存了黑白双方的棋谱,简单回溯就可以了,而显示和规则判断则不用顾及,同时整个对对象功能的调用顺序都没有变化,改动只是局部的。
再比如我要把这个五子棋游戏改为围棋游戏,如果你是面向过程设计,那么五子棋的规则就分布在了你的程序的每一个角落,要改动还不如重写。但是如果你当初就是面向对象的设计,那么你只用改动规则对象就可以了,五子棋和围棋的区别不就是规则吗?(当然棋盘大小好像也不一样,但是你会觉得这是一个难题吗?直接在棋盘对象中进行一番小改动就可以了。)而下棋的大致步骤从面向对象的角度来看没有任何变化。
小结
面向对象,引入了类概念,数据和过程实行了封装,数据安全性提高了,可操作性也提高了。整体上实现了模块化运行,可靠性提高了。构造大型系统时候,提高了劳动效率,但是机器运行效率却降低了c++比c的系统平均慢10%左右。不过要面向对象的结构设计好,很难。面向对象和面向过程都挺重要的,混合起来较好。纯的面向对象也不好,会把简单的事情搞得很复杂。如果纯粹以面向对象的思维的话,那么会把自己局限在一个区域里的。关键是适用场合吧,比如在要求效率的场合,尽量不要用面向对象。
参考:
《C++程序设计语言》机械出版社Stroustrup著
《C++PRIMER中文版》中国电力出版社Lippman著
《Object-Oriented Software Constructure》机械工业出版社Bertrand.Meyer著
https://www.doczj.com/doc/666694465.html,/question/22325792.html
https://www.doczj.com/doc/666694465.html,/view/560583.htm
https://www.doczj.com/doc/666694465.html,/question/22325792.html
简答题 1、传统的结构化程序设计的优点和缺点是什么? 优点: (1)这种程序设计方法力求算法描述准确。 (2)对每一子过程模块容易进行程序正确性证明。 缺点: (1)这种程序设计方法本质上是面向“过程”的,而“过程”和“操作”又是不稳定和多变的,因此不能直接反映人类求解问题的思路。 (2)程序代码可重用性差。程序中除少数标准库函数外,每设计一个程序时,程序员几乎从零做起。即使重用代码,通常也是通过拷贝或编辑重新生成一份。 (3)维护程序的一致性困难。该种方法将数据与对数据进行处理的程序代码分离。 2、什么是对象? 每个对象都具有属性(Attribute)和方法(Method)这两方面的特征。对象的属性描述了对象的状态和特征,对象的方法说明了对象的行为和功能,并且对象的属性值只应由这个对象的方法来读取和修改,两者结合在一起就构成了对象的完整描述。 3、什么是消息? 在面向对象的程序设计中,由于对象描述了客观实体,它们之间的联系通过对象间的联系来反映。当一个对象需要另外一个对象提供服务时,它向对方发出一个服务请求,而收到请求的对象会响应这个请求并完成指定的服务。这种向对象发出的服务请求就称为消息。4、什么是多态性? 所谓多态性是指当程序中的其他部分发出同样的消息时,按照接收消息对象的不同能够自动执行类中相应的方法。其好处是,用户不必知道某个对象所属的类就可以执行多态行为,从而为程序设计带来更大方便。 5、什么是面向对象的程序设计方法? 这种方法将设计目标从模拟现实世界的行为转向了模拟现实世界中存在的对象及其各自的行为。 在OOP中,将“对象”作为系统中最基本的运行实体,整个程序即由各种不同类型的对象组成,各对象既是一个独立的实体,又可通过消息相互作用,对象中的方法决定要向哪个对象发消息、发什么消息以及收到消息时如何进行处理等。 6、面向对象方法的特点是什么? (1)OOP以“对象”或“数据”为中心。由于对象自然地反映了应用领域的模块性,因此具有相对稳定性,可以被用作一个组件去构成更复杂的应用,又由于对象一般封装的是某一实际需求的各种成分,因此,某一对象的改变对整个系统几乎没有影响。 (2)引入了“类”(class)的概念。类与类以层次结构组织,属于某个类的对象除具有该类所描述的特性外,还具有层次结构中该类上层所有类描述的全部性质,OOP中称这种机制为继承。 (3)OOP方法的模块性与继承性,保证了新的应用程序设计可在原有对象的数据类型和功能的基础上通过重用、扩展和细化来进行,而不必从头做起或复制原有代码,这样,大大减少了重新编写新代码的工作量,同时降低了程序设计过程中出错的可能性,达到了事半功倍的效果。 7、面向对象的程序设计方法与结构化程序设计方法的比较 (1)传统的结构化程序设计方法以过程为中心构造应用程序,数据和处理数据的过程代码是分离的、相互独立的实体,设计出的程序可重用代码少,且当代码量增加时维护数据和代码的一致性困难。
第3章面向对象程序设计基础
第3章面向对象程序设计基础 【1】什么是Java程序使用的类?什么是类库? 答:类是将一类事物的特性描述出来,然后如果用这个类来定义对象,则该对象就拥有了这个类所描述的所有特性。 在Java系统中,系统定义好的类根据实现的功能不同,可以划分成不同的集合,每个集合称为一个包,所有包合称为类库。 【2】如何定义方法?在面向对象程序设计中方法有什么作用? 答:方法的定义由两部分组成:方法声明和方法体。 方法的声明如下: 返回值类型方法名(参数类型形式参数1,参数类型形式参数2…){ 程序代码; 返回值; } 在面向对象程序设计中,方法的作用是完成对类和对象属性操作。 【3】简述构造方法的功能和特点。下面的程序片段是某学生为student类编写的构造方法,请指出其中的错误。 void Student(int no,String name) {
studentNo=no; studentName=name; return no; } 答:构造方法的功能是:构造方法是一个特殊的方法,主要用于初始化新创建的对象; 特点:构造方法的方法名要求与类名相同,用户不能直接调用,只能通过new运算符调用,而且构造方法是不返回任何数据类型,甚至也不返回void数据类型,即不能在构造方法前加void。 错误之处:(1)构造方法Student()前不能加void,(2)不能用return语句,(3)类名Student 首字母S改成小写s. 【4】定义一个表示学生的student类,包括的域有学号、姓名、性别、年龄,包括的方法有获得学号、姓名、性别、年龄及修改年龄。编写Java程序创建student类的对象及测试其方法的功能。 class Student { String id; String name; String sex; int age; void talk(){
第1章面向对象软件开发概述 1.简述面向过程问题求解和面向对象问题求解的异同。试列举出面向对象和面向过程的编程语言各两种。 答:面向过程问题求解,以具体的解题过程为研究和实现的主体,其思维特点更接近于计算机;面向对象的问题求解,则是以“对象”为主体,“对象”是现实世界的实体或概念在计算机逻辑中的抽象表示,更接近于人的思维特点。 面向过程的编程语言:C,Pascal,Foratn。 面向对象的编程语言:C++,Java,C#。 2.简述对象、类和实体及它们之间的相互关系。尝试从日常接触到的人或物中抽象出对象的概念。 答:面向对象技术中的对象就是现实世界中某个具体的物理实体在计算机逻辑中的映射和体现。类是同种对象的集合与抽象。类是一种抽象的数据类型,它是所有具有一定共性的对象的抽象,而属于类的某一个对象则被称为是类的一个实例,是类的一次实例化的结果。如果类是抽象的概念,如“电视机”,那么对象就是某一个具体的电视机,如“我家那台电视机”。 3.对象有哪些属性?什么是状态?什么是行为?二者之间有何关系?设有对象“学生”,试为这个对象设计状态与行为。 答:对象都具有状态和行为。 对象的状态又称为对象的静态属性,主要指对象内部所包含的各种信息,也就是变量。每个对象个体都具有自己专有的内部变量,这些变量的值标明了对象所处的状态。 行为又称为对象的操作,它主要表述对象的动态属性,操作的作用是设置或改变对象的状态。 学生的状态:姓名、性别、年龄、所在学校、所在系别、通讯地址、电话号码、入学成绩等; 学生的行为:自我介绍、入学注册、选课、参加比赛等。 4.对象间有哪三种关系?对象“班级”与对象“学生”是什么关系?对象“学生”与对象“大学生”是什么关系? 答:对象间可能存在的关系有三种:包含、继承和关联。 对象“班级”与对象“学生”是包含关系。 对象“学生”与对象“大学生”是继承关系。 5.有人说“父母”和“子女”之间是继承的关系。这种说法是否正确?为什么? 答:“父母”和“子女”之间不是面向对象意义上的“继承”关系。因为这里的继承关系是“is a”的关系,“男人”与“人”之间可以说是继承关系。 6.面向对象的软件开发包括哪些过程?OOA模型包括哪三个层次?OOD模型在OOA模型的基础上引入了哪些工作? 答:面向对象的软件开发过程可以大体划分为面向对象的分析(Object Oriented analysis,OOA)、面向对象的设计(Object oriented design,OOD)、面向对象的实现(Object oriented programming,OOP)三个阶段。 面向对象的分析的主要作用是明确用户的需求,并用标准化的面向对象的模型规范地表述这一需求,最后将形成面向对象的分析模型。 面向对象的设计将在OOA模型的基础上引入界面管理、任务管理和数据管理三部分的内容。 7.面向对象的程序设计方法有哪些优点? 答:由于对象的概念能够以更接近实际问题的原貌和实质的方式来表述和处理这些问题,所以面向对象的软件开发方法比以往面向过程的方法有更好的灵活性、可重用性和可扩展性,使得上述“分析—设计—实现”的开发过程也更加高效、快捷。