第一章 面向对象程序设计

第一章 面向对象程序设计
面向对象思想是程序设计领域中的一种新思想，面向对象思想应用 于程序设计中形成面向对象程序设计方法，通过使用这种方法，使程序 设计的整个过程变得更贴近现实世界，从而更方便地进行分析、设计和 实施。本章主要介绍面向对象程序设计的思想及内涵、面向对象的基本 概念、面向对象系统的特点和面向对象的开发方法。
模块性。对象是一个功能和数据独立的单元，相互之间只能 通过对象认可的途径进行通信，相互没有预料不到的影响， 也可以较为自由地为各个不同的软件系统所用。 封装功能。为信息隐藏提供了具体的实现手段，用户不必清 楚对象的内部细节，只要了解其功能描述即可使用。 代码共享。继承提供了一种代码共享的手段，可以避免重复 的代码设计，使得面向对象的方法确实有效。 灵活性。对象的功能执行是在消息传递时确定的，支持对象 的主体特征，使得对象可以根据自身的特点进行功能实现， 提高了程序设计的灵活性。
现实对象 问题对象 计算机对象 抽象 表示
图1.1 三种对象之间的关系 一个对象之所以区别于其他对象，就是因为它与别的对象相比有不 同的状态，另外，系统的功能是通过服务和信息的传递来改变某些对象 的状态实现的。因此，对象本身应该具有一定的状态、并具有保持和记 忆这些状态的功能。 对象的状态是由其属性决定的，因此，对象的属性的选取应该遵循 的最基本的原则是：要能反映对象的基本特征，它是对象真正需要记忆 的特征或数据，这些特征或数据能反映对象的基本性质。通过这些特征 能够将该对象区别于其他对象。比如对“人”这个对象，可以选择如下一 些属性：姓名、身高、性别、体重等。 从对象属性的来源可以把属性划分为四类：
在面向对象思想产生之前，这些问题都不能完美解决。面向对象方 法吸取了程序设计语言和数据建模技术等有益成果，经过近二十年的演 变和发展，逐渐形成了自己的模型，为人们提供了更强的问题求解能 力。面向对象是软件程序设计中的一种新思想，由于这种新思想的引 入，使我们的程序设计能更贴近现实，使系统设计、分析和实施等过程 有一种统一的符号和语言，从而使系统分析人员、系统设计人员、实施 人员之间能够更顺利地沟通。另一方面，面向对象思想能够提供高效的 代码共享机制，从而使软件重用获得生机。基于上述原因，面向对象思 想已为人们所接受，并成为程序设计思想的主流。
面向对象设计方法追求的是现实问题空间与软件系统解空间的近似 和直接模拟。它希望用户用最小的力气，最大限度地利用软件系统进行 求解。
在具体学习OOP之前，请先注意一下两点： 首先，OOP是一种软件设计和实现的思想。使用面向对象的技术对 于用户看到的软件成品来说并没有增加任何东西。但是，使用面向对象 思想将使程序设计人员获得巨大的收益，尤其是在大型系统工程中。使 用OOP能更好地处理复杂的问题，用户可以利用对象的模块化来使程序 设计人员能够通过相互独立且易于维护和扩充的单元来实现所编制的程 序，从而使之易于维护和扩充。因此，OOP会使程序设计人员更接近于 所要解决的实际问题，也可以通过继承性在对象之间分享代码。 其次，尽管指出OOP的语言将使实现面向对象程序设计变得容易， 但是OOP和程序设计语言无关。 面向对象的设计方法基于信息隐藏和抽象数据类型的概念。它把系 统中的所有资源，如数据、模块以及系统都看成对象，每个对象把一个 数据类型和一组过程封装在一起，使得这组过程负责这种数据类型的处 理，并在定义对象时可以规定外界在其上运行的权限。使用这一方法， 设计人员可以依照自己的意图创建自己的对象，并将问题映射到该对象 上，这一方法直接、自然，可以使设计人员把主要精力放在系统一级 上，而对细节问题可以较少关系。可以简单地这样认为： 面向对象＝数据抽象＋信息隐藏＋继承性＋多态性 面向对象程序设计方法之所以被广泛采用，是因为它具有许多优良 的特性。
简单的说，通过使用面向对象的方法可以把一组看似相互之间毫无 联系的对象有效地集成在一起，这些对象都包含代表各自特征的数据以 及对数据的操作即对象的行为。通过面向对象方法，可以把与该对象相 关的数据和操作封装在一个相对独立的实体中，该实体有自己的功能和 特征，它也可以采用某种机制与外界交互。
面向对象技术追求的是软件系统对现实世界近似的或直接的模拟， 它尽可能实现将现实世界中的事物直接映射到软件系统的解空间。它希 望用最小的力气，最大限度地利用软件系统来解决现实世界中的问题。
面向对象系统中的对象通常与现实世界中的实体相对应，它具有如 下特性：
有一个名字作为对象在系统中的标识，不同对象有不同的名
字，对对象的引用也是通过其名字进行的。 有一组描述它的特征的状态，这些状态可以由一个或多个属 性构成，同类型的对象具有同类型的状态，它们主要是通过 这些状态的不同来区别的。 有一组操作，每个操作决定对象的一种功能或行为，它体现 了对象存在的意义，也是对象之间交互的手段。对象的操作 可以分为两类：一类是自身所承受的操作，这类操作只能供 对象内部使用；另一类是施加于其他对象的操作，通过这类 操作对象就可以与其他对象进行交互了。 在用面向对象的方法进行软件开发时，根据开发过程的不同，可将 对象分为三种不同的类型的对象：现实对象，即现实生活中存在的实 体，是我们所模拟系统的原始构成；问题对象是对象在问题中的抽象， 它是现实对象在计算机解空间中的直接映射；计算机对象是问题对象在 计算机中的表示，即问题对象的计算机实现。现实对象通过抽象变成问 题对象，最后用计算机将它们表示出来。这三种对象的关系如图1.1所 示。
1.2.2 类
类是具有共同特点的一组对象的抽象，它提起该组对象的共同属性 和操作，从抽象层次描述这组对象。类是构成某些对象系统的最基本的 单位，是面向对象系统中最基本的概念之一。
类是创建对象的模板，以操作、表示和算法的形式完整地定义了一 组对象的行为，因此，类可以被认为是一种用户定义的数据类型，它完 整地描述了规范说明和实现。类的内涵由类模板给出，而外延是该类的 有关对象。通过类可以产生同类型的其他对象，对象可以看成是类的具 体实例。类是抽象的概念，而对象是类的一个具体实例。通过类可以显 示出每个对象所具有的相同结构和行为。同一个类的对象之间有两类不 同：一是每个对象具有不同的句柄；二是任何特定时刻，每个对象可能
1.1.2 面向对象程序设计
面向对象程序设计（OOP）是通过为数据和代码建立分块内存区域 的方法来对程序进行模块化设计的一种程序设计方法，这些模块可以被 作为样板，在需要时建立其副本。
面向对象程序设计方法利用面向对象思想进行软件系统的设计和实
现。这种新的方法是在利用面向对象思想的基础上，通过增加软件的可 扩充性和可重用性，来改善并提高程序员的生产能力，并能控制软件的 复杂性和软件维护的开销。在使用面向对象程序设计方法时，软件开发 的分析和设计阶段能更加紧密地与实施阶段相联系。
1.1 面向对象程序设计概述
1.1.1 面向对象思想及内涵
从计算机诞生到现在，在程序开发和应用领域，特别是大型系统的 开发和使用，软件开发人员一直受到两大问题的困扰：一是如何克服系 统复杂性的障碍；二是如何在计算机系统中自然的表示客观世界，即对 象模型。
不仅大型系统存在复杂性的问题，对于具有很多复杂关系的小型系 统有时也存在系统复杂性问题。由系统复杂性带来的障碍主要表现在如 下三个方面：
易维护性。对象实现了抽象和封装，使其中可能出现的错误 限制在自身，不会向外传播，易于检测和修改。 增量型设计。面向对象系统可以通过继承机制不断扩充功 能，而不影响原有软件的运行。
1.1.3 面向对象程序设计语言
面向对象程序设计语言的只要优点在于它提供了一种面向对象程序 运行所需要的环境。这种环境最主要的特征就是以对象作为程序的主要 单位，它将数据及对这些数据的操作功能以及与其他对象的通信的能力 都封装在了一起。
1.2.1 对象
对象是面向对象思想的核心概念，它是构成面向对象系统的基础。 要掌握面向对象思想，首先必须能够正确地认识和理解对象的概念。
从广义上讲，对象就是人们所关心的事物，它是系统所针对的问题 域中的人、地点、事物等概念的抽象。对象存在于现实世界里，是人们 对现实世界的理解和抽象，它可能是任何类型系统的一部分。
首先，由于系统分析人员、系统设计人员和程序实施人员之间所采 用的语言符合、表述方式等的不同，使他们之间不能很好地直接沟通， 系统分析人员和程序设计人员的计划和说明不能被实施人员正确理解， 实施人员对系统分析的意见不能及时反馈到系统分析人员和程序设计人 员那里，这就为系统的顺利实施带来了很大的障碍。
其次，在程序的实施过程中，由于大型系统必须由多人合作完成， 各人或各小组完成程序中的一个或几个模块，如何划分任务、估计和分 配资源、掌握每个程序员的进度等就构成了进行大型系统设计时管理的 复杂性，另外，即使每个人或小组所设计的模块都无可挑剔，但将这些 模块整合在一起时未必不会出现问题，因此如何权衡模块内聚度和模块 间的耦合度，也是编程人员必须面对的问题之一。这一问题对多人完成 的大型程序设计来说是不可避免的，对于单人完成的小型程序设计也经 常会碰到这个问题。
第三．大型程序具有大量的系统状态，系统的运行就是各种系统状 态之间的转换，而两个系统状态之间还存在许多的中间状态。如何正确 的处理这些系统状态以及中间状态、组织高效的系统程序逻辑和验证系 统的正确性都是非常困难的。
随着计算机应用的普及，人们越来越希望能更直接、更方便地与计 算机进行交互，而不需要经过专门学习和长时间的训练后才能使用它。 最好的方法是在计算机直接移植到计算机系统中去。而如何更好地模拟现实 世界，一直是程序设计人员追求的目标，实践证明这不是一件简单的事 情。要能模拟现实世界，就要从程序的设计思想和实现机制上彻底改变 以往程序设计中的不足，使程序设计人员能够方便快捷地实现这一目 标。
面向对象技术应用于程序设计语言最早可以追溯到20世纪60年代的 Simula语言，在该语言中引入了几个面向对象程序设计中的最重要的概 念和特性，即数据抽象、类和继承机制。
目前使用的最多面向对象程序设计语言主要有Java、C++、C#等。本 教材主要通过C#来介绍面向对象程序设计的相关方法和技术。