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面向对象

在目前的软件开发领域有两种主流的开发方法：结构化开发方法和面向对象开发方法。早期的编程 语言如C、Basic、Pascal等都是结构化编程语言；随着软件开发技术的逐渐发展，人们发现面向对象可 以提供更好的可重用性、可扩展性和可维护性，于是催生了大量的面向对象的编程语言，如Java、 C#和 Ruby 等。

结构化开发方法概述

结构化程序设计方法主张按功能来分析系统需求，其主要原则可概括为自顶向下、逐步求精、模块化等。结构化程序设计首先采用结构化分析（Structured Analysis, SA）方法对系统进行需求分析，然后使用结构化设计（Structured Design, SD）方法对系统进行概要设计、详细设计，最后釆用结构化编 程（Structured Program, SP）方法来实现系统。使用这种SA、SD和SP的方式可以较好地保证软件系 统的开发进度和质量。

因为结构化程序设计方法主张按功能把软件系统逐步细分，因此这种方法也被称为面向功能的程序设计方法；结构化程序设计的每个功能都负责对数据进行一次处理，每个功能都接受一些数据，处理完后输出一些数据，这种处理方式也被称为面向数据流的处理方式。

结构化程序设计里最小的程序单元是函数，每个函数都负责完成一个功能，用以接收一些输入数据， 函数对这些输入数据进行处理，处理结束后输出一些数据。整个软件系统由一个个函数组成，其中作为 程序入口的函数被称为主函数，主函数依次调用其他普通函数，普通函数之间依次调用，从而完成整个软件系统的功能。

结构化软件的逻辑结构示意图

从图中可以看出，结构化设计需要采用自顶向下的设计方式，在设计阶段就需要考虑每个模块应该 分解成哪些子模块，每个子模块又分解成哪些更小的模块……依此类推，直至将模块细化成一个个函数。

每个函数都是具有输入、输出的子系统，函数的输入数据包括函数形参、全局变量和常量等，函数的输出数据包括函数返回值以及传出参数等。结构化程序设计方式有如下两个局限性。

• 设计不够直观，与人类习惯思维不一致。釆用结构化程序分析、设计时，开发者需要将客观世 界模型分解成一个个功能，每个功能用以完成一定的数据处理。
• 适应性差，可扩展性不强。由于结构化设计采用自顶向下的设计方式，所以当用户的需求发生 改变，或需要修改现有的实现方式时，都需要自顶向下地修改模块结构，这种方式的维护成本 相当高。

采用结构化方式设计的软件系统，整个软件系统就由一个个函数组成，这个软件的运行入口往往由一个“主函数”代表，而主函数负责把系统中的所有函数“串起来”。

面向对象程序设计简介

面向对象是一种更优秀的程序设计方法，它的基本思想是使用类、对象、继承、封装、消息等基本概念进行程序设计。它从现实世界中客观存在的事物（即对象）出发来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直接以现实世界中的事物（即对象）为中心来思考，认识问题， 并根据这些事物的本质特点，把它们抽象地表示为系统中的类，作为系统的基本构成单元（而不是用一 些与现实世界中的事物相关比较远，并且没有对应关系的过程来构造系统），这使得软件系统的组件可 以直接映像到客观世界，并保持客观世界中事物及其相互关系的本来面貌。

面向对象方式开发的软件的逻辑结构示意图

从图中看出，面向对象的软件系统由多个类组成，类代表了客观世界中具有某种特征的一类事物，比如汽车，汽车内部存在一些状态数据（Field），比如颜色、款式。

面向对象的语言不仅使用类来封装一类事物的内部状态数据，这种状态数据就对应于图中的Field(成员变量)，而且类会提供操作这些状态数据的方法，还会为这类事物的行为特征提供相应的实现，这种实现也是方法。因此可以得到如下基本等式：

成员变量（状态数据）+方法（行为）=类定义
从这个等式来看，面向对象比面向过程的编程粒度要大：面向对象的程序单位是类；而面向过程的程序单位是函数（相当于方法），因此面向对象比面向过程更简单、易用。

>面向过程与面向对象对比

假设需要组装一台电脑，如果拿到手的是主板、CPU、内存条、硬盘等这种大粒度的组件，可以很轻松地组装成一台电脑；但如果拿到手的是一些二极管、三极管、 集成电路等小粒度的组件，要想把它们组装成电脑，就不简单了。如果把数据以及操j 作数据的方法都封装成对象，这就相当于提供了大粒度的组件，因此编程更容易。

从面向对象的眼光，开发者希望从自然的认识、使用角度来定义和使用类。也就是说，开发者希望直接对客观世界进行模拟：

• 定义一个类，对应客观世界的某种事物
• 业务需要关心这个事物的哪些状态, 程序就为这些状态定义成员变量
• 业务需要关心这个事物的哪些行为，程序就为这些行为定义方法

不仅如此，面向对象程序设计与人类习惯的思维方法有较好的一致性，比如希望完成“猪八戒吃西瓜”：

在面向过程的程序世界里，一切以函数为中心，函数最大，因此这件事情会用如下语句来表达：

吃（猪八戒，西瓜）；

在面向对象的程序世界里，一切以对象为中心，对象最大，因此这件事情会用如下语句来表达：

猪八戒.吃（西瓜）；

对比两条语句不难发现，面向对象的语句更接近自然语言的语法：主语、谓语、宾语一目了然，十 分直观，因此程序员更易理解。

面向对象基本特征

面向对象方法具有三个基本特征： 封装 (Encapsulation)、继承（Inheritance）和多态(Polymorphism)。

封装指的是将对象的实现细节隐藏起来，然后通过一些公用方法来暴露该对象的功能;
继承是面向向对象实现软件复用的重要手段，当子类继承父类后，子类作为一种特殊的父类，将直接获得父类的属性和方法；
多态指的是子类对象可以直接赋给父类变量，但运行时依然表现岀子类的行为特征，这意味着 同一个类型的对象在执行同一个方法时，可能表现出多种行为特征。

除此之外，抽象也是面向对象的重要部分，抽象就是忽略一个主题中与当前目标无关的那些方面， 以便更充分地注意与当前目标有关的方面。抽象并不打算了解全部问题，而只是考虑部分问题。例如， 需要考察Person对象时，不可能在程序中把Person的所有细节都定义出来，通常只能定义Person的部 分数据、部分行为特征——而这些数据、行为特征是软件系统所关心的部分。
虽然抽象是面向对象的重要部分，但它不是面向对象的特征之一，因为所有的编程语都需要抽象.当开发者进行抽象时应该考虑哪些特征是软件系统所需要的，那么这些特征就应该使用程序记录并表现出来。因此，需要抽象哪些特征没有必然的规定，而是取决于软件系统的功能需求。

类

类（ class) 是对某种事物的抽象，是构造对象的模板或蓝图。我们可以将类想象成月饼模具，将对象想象为月饼。由类构造（construct) 对象的过程称为创建类的实例 （instance )。

定义类

语法：

［修饰符］class类名{
    零个到多个构造器定义..
    零个到多个成员变量 
    零个到多个方法...
}

说明：

• 修饰符可以是public, final、abstract,或者完全省略这三个修饰符
• 类名理论上只要是一个合法的标识符即可，但从程序的可读性方面来看，Java 类名必须是由一个或多个有意义的单词连缀而成的，每个单词首字母大写，其他字母全部小写，单词与 单词之间不要使用任何分隔符
• 三种最常见的成员：构造器、成员变量和方法，三种成员都可以定义零个或多个，如果三种成员都只定义零个，就是定义了一个空类，这没有太大的实际意义。

一个类实例

public class Dog{
 //成员变量
  String breed;
  private  int age;
  String color;
  //方法
  void barking(){
  }
  
 public  void hungry(){
  }
 
 private void sleeping(){
  }
}

类型变量

一个类可以包含以下类型变量：

• 局部变量：在方法、构造方法或者语句块中定义的变量被称为局部变量。变量声明和初始化都是在方法中，方法结束后，变量就会自动销毁。
• 成员变量：成员变量是定义在类中，方法体之外的变量。这种变量在创建对象的时候实例化。成员变量可以被类中方法、构造方法和特定类的语句块访问。
• 类变量：类变量也声明在类中，方法体之外，但必须声明为static类型。

static是一个特殊的关键字，它可用于修饰方法、成员变量等成员。static修饰的成员表明它属于这个类本身，而不属于该类的单个实例，因为通常把static修饰的成员变量和方法也称为类变量、类方法。 不使用static修饰的普通方法、成员变量则属于该类的单个实例，而不属于该类。因为通常把不使用static 修饰的成员变量和方法也称为实例变量、实例方法。

由于static的英文直译就是静态的意思，因此有时也把static修饰的成员变量和方法称为静态变量和静态方法，把不使用static修饰的成员变量和方法称为非静态变量和非静态方法。静态成员不能直接访问非静态成员。

提示:虽然绝大部分资料都喜欢把static称为静态，但实际上这种说法很模糊，完全无法说明static的真正作用。static的真正作用就是用于区分成员变量、方法、内部类、初始化块

构造方法

每个类都有构造方法。如果没有显式地为类定义构造方法，Java编译器将会为该类提供一个默认构造方法。

在创建一个对象的时候，至少要调用一个构造方法。构造方法的名称必须与类同名，一个类可以有多个构造方法。

构造方法实例

public class Puppy{
   
   //无参构造方法
    public Puppy(){
    }
 
   //有参构造方法
    public Puppy(String name){
        // 这个构造器有一个参数：name
    }
}

对象

对象是类的一个实例。
对象的三个主要特性：

• 对象的行为（behavior)—可以对对象施加哪些操作，或可以对对象施加哪些方法
• 对象的状态（state )—当施加那些方法时，对象如何响应
• 对象标识（identity )—如何辨别具有相同行为与状态的不同对象

创建对象

对象是根据类创建的。在Java中，使用关键字new来创建一个新的对象。创建对象需要以下三步：

• 声明：声明一个对象，包括对象名称和对象类型。
• 实例化：使用关键字new来创建一个对象。
• 初始化：使用new创建对象时，会调用构造方法初始化对象

创建对象实例

public class Puppy{
   public Puppy(String name){
      //这个构造器仅有一个参数：name
      System.out.println("小狗的名字是 : " + name ); 
   }
   public static void main(String[] args){
      // 下面的语句将创建一个Puppy对象
      Puppy myPuppy = new Puppy( "tommy" );
   }
}

访问实例变量和方法

实例

public class Puppy{
   int age;
   String name;
   public Puppy(String name){
      // 这个构造器有一个参数：name
      this.name=name;
      System.out.println("小狗的名字是 : " + name ); 
   }
 //无参构造方法
    public Puppy(){
    }
 
   public void setAge( int age ){
       this.age = age;
   }
 
   public int getAge( ){
       System.out.println("小狗的年龄为 : " + puppyAge ); 
       return puppyAge;
   }
 
   public static void main(String[] args){
      /* 创建对象 */
      Puppy myPuppy = new Puppy( "tommy" );
      /* 通过方法来设定age */
      myPuppy.setAge( 2 );
      /* 调用另一个方法获取age */
      myPuppy.getAge( );
      /*可以像下面这样访问成员变量 */
      System.out.println("变量值 : " + myPuppy.puppyAge ); 
   }
}

对象、引用和指针

创建对象语句：

Puppy p = new Puppy( "tommy" );

在这行代码中实际产生了两个东西：一个是p变量， 一个是Puppy对象。

从Puppy类定义来看，Puppy对象应包含1个实例变量，而变量是需要内存来存储的。因此，当创建Puppy对象时，必然需要有对应的内存来存储Puppy对象的实例变量。

Puppy对象内存存储示意图

从图中可以看出，Puppy对象由多块内存组成，不同内存块分别存储了 Puppy对象的不同成员变量。当把这个Puppy对象赋值给一个引用变量时，系统如何处理呢？难道系统会把这个Puppy对象 在内存里重新复制一份吗？显然不会，Java没有这么笨，Java让引用变量指向这个对象即可。也就是说，引用变量里存放的仅仅是一个引用，它指向实际的对象。
与前面介绍的数组类型类似，类也是一种引用数据类型，因此程序中定义的Puppy类型的变量实 际上是一个引用，它被存放在栈（stack）内存里，指向实际的Puppy对象;而真正的Puppy对象则存放在堆（heap） 内存中。图5.2显示了将Person对象赋给一个引用变量的示意图。

引用变量指向实际变量示意图示意图

栈内存里的引用变量并未真正存储对象的成员变量，对象的成员变量数据实际存放在堆内存里；而引用变量只是指向该堆内存里的对象。从这个角度来看，引用变量与C语言里的指针很像，它们都是存储一个地址值，通过这个地址来引用到实际对象。实际上，Java里的引用就是C里的指针，只是Java 语言把这个指针封装起来，避免开发者进行烦琐的指针操作。

当一个对象被创建成功以后，这个对象将保存在堆内存中，Java程序不允许直接访问堆内存中的对象，只能通过该对象的引用操作该对象。也就是说，不管是数组还是对象，都只能通过引用来访问它们。

在示例中，p引用变量本身只存储了一个地址值，并未包含任何实际数据，但它指向实际的Person 对象，当访问p引用变量的成员变量和方法时，实际上是访问p所引用对象的成员变量和方法。

不管是数组还是对象，当程序访问引用变量的成员变量或方法时，实际上是访问该引 变量所引用的数组、对象的成员变量或方法。

堆内存里的对象可以有多个引用，即多个引用变量指向同一个对象，如：

//将p变量的值赋值给p2变量
Puppy p2 = p;

上面代码把p变量的值赋值给p2变量，也就是将p变量保存的地址值赋给p2变量，这样p2变量和 p变量将指向堆内存里的同一个Puppy对象。不管访问p2变量的成员变量和方法，还是访问p变量的成员变量和方法，它们实际上是访问同一个Puppy对象的成员变量和方法，将会返回相同的访问结果。

如果堆内存里的对象没有任何变量指向该对象，那么程序将无法再访问该对象，这个对象也就变成 了垃圾，Java的垃圾回收机制将回收该对象，释放该对象所占的内存区。
因此，如果希望通知垃圾回收机制回收某个对象，只需切断该对象的所有引用变量和它之间的关系 即可，也就是把这些引用变量赋值为null。

this关键字

Java提供了一个this关键字，this关键字总是指向调用该方法的对象。根据this出现位置的不同, this作为对象的默认引用有两种情形。

• 构造器中引用该构造器正在初始化的对象。
• 在方法中引用调用该方法的对象。

this关键字最大的作用就是让类中一个方法，访问该类里的另一个方法或实例变量。

public class DogTest{

  //定义一个jump()方法
  public void jump(){
    System.out.println("正在执jump方法”);
  } 
  
  //定义一个run()方法，run()方法需要借助jump()方法
  public void run()(
    //使用this引用调用run()方法的对象
    this.jump();
    System.out.println("正在执行 run 方法”);
  }
}

大部分时候，普通方法访问其他方法、成员变量时无须使用this前缀，但如果方法里有个局部变量 和成员变量同名，但程序又需要在该方法里访问这个被覆盖的成员变量，则必须使用this前缀。

包

Java 允许使用包（ package ） 将类组织起来。借助于包可以方便地组织自己的代码，并将自己的代码与别人提供的代码库分开管理。

标准的 Java 类库分布在多个包中，包括 java.lang、java.util 和java.net 等。标准的 Java包具有一个层次结构。如同硬盘的目录嵌套一样，也可以使用嵌套层次组织包。所有标准的

Java 包都处于java 和 javax 包层次中。

使用包的主要原因是确保类名的唯一性。假如两个程序员不约而同地建立了 Employee类。只要将这些类放置在不同的包中， 就不会产生冲突。事实上，为了保证包名的绝对唯一性， Sun 公司建议将公司的因特网域名（这显然是独一无二的） 以逆序的形式作为包名，并且对于不同的项目使用不同的子包.

从编译器的角度来看， 嵌套的包之间没有任何关系。例如，java.util 包与java.util.jar 包毫无关系。每一个都拥有独立的类集合。

类的导入

一个类可以使用所属包中的所有类， 以及其他包中的公有类（ public class。) 我们可以采用两种方式访问另一个包中的公有类。
第一种方式：在每个类名之前添加完整的包名。
例如：

java.tiie.LocalDate today = java.tine.Local Date.now();

第二种方式：
可以使用 import 语句导人一个特定的类或者整个包。import 语句应该位于源文件的顶部
(但位于 package 语句的后面)。
例如， 可以使用下面这条语句导人 java.util 包中所有的类。

import java.util .*;

然后， 就可以使用

LocalDate today = Local Date.now()；

import java.time.LocalDate;

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参考

【1】：《Java疯狂讲义》
【2】：《Java核心技术 卷一》
【3】：https://www.runoob.com/java/java-object-classes.html