第4章类与对象
4.1 类与对象的概念
4.2 封装机制
4.3 数据成员
4.4 成员方法
4.1 类与对象的概念
程序设计所面对的问题域——客观世界,是由许多事物构成的,这些事物既可以是有形的(比如一辆汽车),也可以是无形的(比如一次会议)。把客观世界中的事物映射到面向对象的程序设计中就是对象。对象是面向对象程序设计中用来描述客观事物的程序单位。客观世界中的许多对象,无论其属性还是其行为常常有许多共同性,抽象出这些对象的共同性便可以构成类。所以,类是对象的抽象和归纳,对象是类的实例。
4.1.1 抽象原则
所谓抽象(abstraction),就是从被研究对象中舍弃个别的、非本质的、或与研究主旨无关的次要特征,而抽取与研究工作有关的实质性内容加以考察,形成对所研究问题正确的、简明扼要的认识。例如,“马”就是一个抽象的概念,实际上没有任何两匹马是完全相同的,但是我们舍弃了每匹马个体之间的差异,抽取其共同的、本质性的特征,就形成了“马”这个概念。
抽象是科学研究中经常使用的一种方法,是形成概念的必要手段。在计算机软件开发领域,抽象原则的运用非常广泛,概括起来,可分为过程抽象和数据抽象两类。
1. 过程抽象
过程抽象是指:软件开发者可以把任何一个完成确定功能的操作序列都看作是一个单一的实体,尽管它实际上可能是由一系列更低级的操作完成的。运用过程抽象,软件开发者可以把一个复杂的功能分解为一些子功能(模块),如果子功能仍比较复杂,则可以进一步分解。这使得开发者可以在不同的抽象层次上考虑问题,在较高层次上思考时可以不关心较低层次的实现细节。面向过程的程序设计采用的是过程抽象方法。
使用过程抽象有利于控制、降低整个程序的复杂度,但是,这种方法允许在全系统的范围内进行功能的描述,本身自由度大,难于规范化和标准化,不易保证软件的质量,而且操作起来也有一定难度。
2. 数据抽象
数据抽象把系统中需要处理的数据和施加于这些数据之上的操作结合在一起,根据功能、性质、作用等因素抽象成不同的抽象数据类型。每个抽象数据类型既包含了数据,也包含了针对这些数据的授权操作,并限定数据的值只能由这些操作来观察和修改。因此,数据抽象是相对于过程抽象更为严格、更为合理的抽象方法。
面向对象的程序设计就是采用数据抽象这一方法来构建程序中的类和对象的。它强调把数据和操作结合为一个不可分的系统单位——对象,对象的外部只需要知道这个对象能做什么,而不必知道它是如何做的。
4.1.2 对象
只要仔细研究程序设计所面对的问题域——客观世界,我们就可以看到:客观世界是由一些具体的事物构成的,每个事物都具有自己的一组静态特征(属性)和一组动态特征(行为)。例如,一辆汽车有颜色、型号、马力、生产厂家等静态特征,又具有行驶、转弯、停车等动态特征。把客观世界的这一事实映射到面向对象的程序设计中,则把问题域中的事物抽象成了对象(Object),事物的静态特征(属性)用一组数据来描述,事物的动态特征(行为)则用一组方法来刻画。因此,对象具有下述特征:
(1) 对象标识:即对象的名字,是用户和系统识别它的唯一标志。例如,汽车的牌照可作为每一辆汽车对象的标识。对象标识有“外部标识”和“内部标识”之分。外部标识供对象的定义者或使用者用,内部标识供系统内部唯一地识别每一个对象。在计算机世界中,我们可以把对象看成计算机存储器中一块可标识的区域,它能保存固定或可变数目的数据(或数据的集合)。
(2) 属性:即一组数据,用来描述对象的静态特征。例如,
汽车的颜色、型号、马力、生产厂家等。在Java程序中,把这
一组数据称为数据成员。
(3) 方法:也称为服务或操作,它是对象动态特征(行为)的描述。每一个方法确定对象的一种行为或功能。例如,汽车的行驶、转弯、停车等动作可分别用move( )、rotate( )、stop( )等方法来描述。为避免混淆,本书中把方法称为成员方法。
在Java程序中,类是创建对象的模板,对象是类的实例,任何一个对象都是隶属于某个类的。Java程序设计是从类的设计开始的,所以,在进一步讲述对象的知识之前,必须先掌握类的概念。
4.1.3 类
对象是对事物的抽象,而类是对对象的抽象和归纳。人类在认识客观世界时经常采用的思维方法就是把众多的事物归纳成一些类。分类所依据的原则是抽象,即抽象出与当前目标有关的本质特征,而忽略那些与当前目标无关的非本质特征,从而找出事物的共性,把具有共同性质的事物归结为一类,得出一个抽象的概念——类。
在面向对象的编程语言中,类是一个独立的程序单位,是具有相同属性和方法的一组对象的集合。类的概念使我们能对属于该类的全部对象进行统一的描述。例如,“树具有树根、树干、树枝和树叶,它能进行光合作用”。这个描述适合于所有的树,从而不必对每棵具体的树都进行一次这样的描述。因此,在定义对象之前应先定义类。描述一个类需要指明下述三个方面内容:
(1) 类标识:类的一个有别于其他类的名字。这是必不可少的。
(2) 属性说明:用来描述相同对象的静态特征。
(3) 方法说明:用来描述相同对象的动态特征。
例如,下面是对dog类进行的描述:
class dog // class指出这是一个类,dog是类标识
{
String name;
int AverageWeight; 类的属性(静态特征)
int AverageHeight;
dog类public void move( )
{ ……} 类的方法(动态特征)
public void ShowDog( )
{ ……}
}
4.1.4 类与对象的关系
类给出了属于该类的全部对象的抽象定义,而对象则是符合这种定义的一个实体。类与对象之间的关系就如同一个模具与用这个模具铸造出来的铸件之间的关系一样。也就是说,我们可以把类与对象之间的关系看成是抽象与具体的关系。在面向对象的程序设计中,对象被称作类的一个实例(instance),而类是对象的模板(temp1ate)。类是多个实例的综合抽象,而实例又是类的个体实物。如图4.1所示为类与对象的关系。
图4.1 类与对象的关系
抽象
实例化对象:刘丽静态特征:刘丽女讲师890.00动态特征:授课评职称调工资数据值执行的
操作
方法
名数
据
结
构类:教师
属性:姓名性别职称
工资
服务:授课
评职称
调工资
4.1.5 定义类的一般格式
(1) 系统定义的类,即Java类库,它是系统定义好的类。类库是Java语言的重要组成部分。Java语言由语法规则和类库两部分组成,语法规则确定Java程序的书写规范;类库则提供了Java 程序与运行它的系统软件(Java虚拟机)之间的接口。Java类库是一组由它的发明者SUN公司以及其他软件开发商编写好的Java程序模块,每个模块通常对应一种特定的基本功能和任务,且这些模块都是经过严格测试的,因而也总是正确有效的。当自己编写的Java程序需要完成其中某一功能的时候,就可以直接利用这些现成的类库,而不需要一切从头编写,这样不仅可以提高编程效率,也可以保证软件的质量。
4.1.6节及以后的章节中讲述。
(2) 用户自己定义的类。系统定义的类虽然实现了许多常见的功能,但是用户程序仍然需要针对特定问题的特定逻辑来定义自己的类。用户按照Java的语法规则,把所研究的问题描述成Java程序中的类,以解决特定问题。进行Java程序设计,首先应学会怎样定义类。
在Java程序中,用户自己定义类的一般格式如下:
class 类名
{
数据成员
成员方法
}
类名
数据成员
成员方法
图4.2 类的图形表示
可以看出,类的结构是由类说明和类体两部分组成的。类的说明部分由关键字class与类名组成,类名的命名遵循Java标识符的定义规则;类体是类声明中花括号所包括的全部内容,它又由数据成员(属性)和成员方法(方法)两部分组成。数据成员描述对象的属性;成员方法刻画对象的行为或动作,每一个成员方法确定一个功能或操作。图4.2为类的图形表示。
【示例程序c4_1.java】
import java.awt.*; //引用系统类库中的awt包
import java.applet.*; //引用系统类库中的applet包
public class c4_1 extends Applet // 由applet类派生的c4_1类{ int a=5; //数据成员a
double b=23.4; //数据成员b
public void paint(Graphics g) //成员方法paint
{ //以下使用g对象的drawString方法
g.drawString("a="+a,25,25);
g.drawString("b="+b,25,35);
}
}
图4.3 程序c4_1的运行结果
4.1.6 Java类库
要想掌握好Java的面向对象编程技术,编写出高质量的程序,必须对Java的类库有足够的了解。Java的类库是系统提供的已实现的标准类的集合,是Java编程的API(Application Program Interface),它可以帮助开发者方便、快捷地开发Java程序。Java 类库的主要部分是由它的发明者SUN公司提供的,这些类库称为基础类库(JFC),也有少量则是由其他软件开发商以商品形式提供的。有了类库中的系统类,编写Java程序时就不必一切从头做起,避免了代码的重复和可能的错误,也提高了编程的效率。一个用户程序中系统标准类使用得越多、越全面、越准确,这个程序的质量就越高;相反,离开了系统标准类和类库,Java程序几乎寸步难行。
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。
《面向对象程序设计》 大作业 题目学生成绩管理系统 学院 专业 班级 姓名 指导教师 2015 年11 月11 日
目录 一大作业的目的 (1) 二大作业的内容............................ . .. (2) 三大作业的要求与数据............... ...... . (3) 四大作业应完成的工作.................. . (4) 五总体设计(包含几大功能模块)........... . (5) 六详细设计(各功能模块的具体实现算法——流程图) (6) 七调试分析(包含各模块的测试用例,及测试结果) (7) 八总结 (8) 十参考资料 (9)
一大作业的目的 《面向对象程序设计》是一门实践性很强的课程,通过大作业不仅可以全方位检验学生知识掌握程度和综合能力,而且还可以进一步加深、巩固所学课程的基本理论知识,理论联系实际,进一步培养自己综合分析问题和解决问题的能力。更好地掌握运用C++语言独立地编写、调试应用程序和进行其它相关设计的技能。 二大作业的内容 对学生信息(包括学号、语文、数学、英语、平均分)进行管理,包括学生成绩的信息输入、输出、查询、删除、排序、统计、退出.将学生的成绩信息进行记录,信息内容包含:(1)学生的学号(2)学生的姓名(3)学生的成绩。假设,现收集到了一个班学生的所有成绩信息,要求用C语言编写一个简单的成绩管理系统,可进行录入、查询、修改和浏览等功能。学习相关开发工具和应用软件,熟悉系统建设过程。 三大作业的要求与数据 1、用C++语言实现系统; 2、对学生信息(包括学号、姓名、语文、数学、英语、平均分)进行管理,包括学生成绩的信息输入、输出、查询、删除、排序、统计、退出. 3、学生信息包括:其内容较多,为了简化讨论,要求设计的管理系统能够完成以下功能: (1) 每一条记录包括一个学生的学号、姓名、3门课成绩 (2)、成绩信息录入功能:(成绩信息用文件保存,可以一次完成若干条记录 的输入。) (3)、成绩信息显示浏览功能:完成全部学生记录的显示。 (4)、查询功能:完成按姓名查找学生记录,并显示。 (5)成绩信息的删除:按学号进行删除某学生的成绩. (6)、排序功能:按学生平均成绩进行排序。 (7)、应提供一个界面来调用各个功能,调用界面和各个功能的操作界面应尽可能清晰美观!
1.对象 (1)从概念层面讲,对象是某种拥有责任的抽象。 (2)从规格层面讲,对象是一系列可以被其他对象使用的公共接口。 (3)从语言实现层面讲,对象封装了代码和数据。 2.软件开发中的经典阶段:需求、分析、设计、规范、实现、测试、部署、维护。 3.设计7原则:开闭原则、里氏代换原则、依赖倒转原则、合成/聚合复用原则、 迪M特原则、接口隔离原则、单一职责原则。 4.面向对象的方法学:UML(统一建模语言)、RUP(统一软件开发过程)、XP(极限 编程)。 开发方法:Booch、Coad、OMT、UML、OOSE、Wirfs—Brock 5.OOA——运用面向对象方法进行需求分析。 OOD——运用面向对象方法进行系统设计。 OOP——运用面向对象方法进行程序设计。 6.OOA的基本任务:是运用面向对象的方法,对问题域和系统责任进行分析和理解,对其中的事物和它们之间的关系产生正确的认识,找出描述问题域及系统责任所需的类及对象,定义这些类和对象的属性和操作,以及它们之间所形成的结构、静态联系和动态联系。最终目的:是产生一个符合用户需求,并能够直接反映问题域和系统责任的OOA模型及其详细说明。 优点:(1)加强了对问题域和系统责任的理解。(2)改进与分析有关的各类人员之间的交流。(3)对需求的变化具有较强的适应性。(4)支持软件复用。 OOA的三大策略是:属性策略、方法策略、对象策略。 7.(1)封装:是指对象在其操作中隐藏属性。它是一种信息隐蔽技术,用户只能看见对象封装界面上的信息,对象的内部实现对用户是隐蔽的。封装的目的是使对象的使用者和生产者分开,使对象的定义和实现分开。 例如:要从同事那里借钱,在商店购买食物,就不会抢夺同事的钱包,大翻一通,看看里 面是否有足够的钱。而应该询问他们是否可以借你一些钱,他们就会自己翻钱包。 以表示圆的一个对象作为封装的例子。圆的操作应能计算出半径、直径、周长和面积。假定选择存储直径,要访问直径的程序员都会选择存储直径属性,而不是通过“获取直径”的操作来访问。如果在软件的后续版本中要存储的是半径,就必须找出系统中直接访问直径的所有代码,并更正它们,有了封装,就不会有问题。 (2)继承:可以指定类从父类中获取一些特性,再添加它自己的独特特性。继承是类间的 基本关系,它是基于层次关系的不同类共享数据和操作的一种机制。父类中定义了其所有子类的公共属性和操作,在子类中除了定义自己特有的属性和操作外,可以继承父类的属性和操作,也可以对父类中的操作重新定义其实现方法。 例如:在面向对象中,我们可以把洗衣机、电冰箱、微波炉、收音机看成是家用电气类的 子类,也可以说家用电器类是这些类的超类。家用电器类具有的属性OnOffSwitch和electricWire,具有turnOn()和turnOff()操作。因此,如果你知道某物是家用电器,那么就会立即知道它 具有家用电器类的属性和操作,这种关系就是继承。每个家用电器类的子类都继承了家用电器类的特征。同时,每个子类都增加了自己的属性和操作。 (3)多态:是指同一操作作用于不同的对象上可以有不同的解释,并产生不同的执行结果。例如:“画”操作,作用在“矩形”对象上,则在屏幕上画一个矩形;作用在“圆”对象上, 则在屏幕上画一个圆。也就是说,相同操作的消息发送给不同对象时,每个对象将根据自1 / 9