Java面向对象编程

Java 的核心是面向对象编程。事实上，所有的Java 程序都是面向对象的，你别无选择。这一点与C++ 不同，因为在那里你可以选择是否面向对象编程。面向对象编程与Java 密不可分，因此，在你编写哪怕是最简单的Java 程序以前，也必须理解它的基本原则。因此，本章先从面向对象编程的概念讲起。

1 两种范型

我们知道，所有的计算机程序都由两类元素组成：代码和数据。此外，从概念上讲，程序还可以以它的代码或是数据为核心进行组织编写。也就是说，一些程序围绕“正在发生什么”编写，而另一些程序则围绕“谁将被影响”编写。这两种范型决定程序的构建方法。第一种方法被称为面向过程的模型（process-oriented model ），用它编写的程序都具有线性执行的特点。面向过程的模型可认为是代码作用于数据，像C这样的过程式语言采用这个模型是相当成功的。然而，正如在第1章提到的，当程序变得更大并且更复杂时，就会出现问题。

为了管理不断增加的复杂性，第二种方式，也就是面向对象的编程（object-oriented programming ）被构思出来了。面向对象的编程围绕它的数据（即对象）和为这个数据严格定义的接口来组织程序。面向对象的程序实际上是用数据控制对代码的访问。下面你将看到，将控制的实体变换为数据，可使程序在组织结构上从若干方面受益。

2 抽象

面向对象编程的一个实质性的要素是抽象。人们通过抽象（abstraction）处理复杂性。例如，人们不会把一辆汽车想象成由几万个互相独立的部分所组成的一套装置，而是把汽车想成一个具有自己独特行为的对象。这种抽象使人们可以很容易地将一辆汽车开到杂货店，而不会因组成汽车各部分零件过于复杂而不知所措。他们可以忽略引擎、传动及刹车系统的工作细节，将汽车作为一个整体来加以利用。

使用层级分类是管理抽象的一个有效方法。它允许你根据物理意义将复杂的系统分解为更多更易处理的小块。从外表看，汽车是一个独立的对象。一旦到了内部，你会看到汽车由若干子系统组成：驾驶系统，制动系统，音响系统，安全带，供暖，便携电话，等等。再进一步细分，这些子系统由更多的专用元件组成。例如，音响系统由一台收音机、一个CD播放器、或许还有一台磁带放音机组成。从这里得到的重要启发是，你通过层级抽象对复杂的汽车（或任何另外复杂的系统）进行管理。

复杂系统的分层抽象也能被用于计算机程序设计。传统的面向过程程序的数据经过抽象可用若干个组成对象表示，程序中的过程步骤可看成是在这些对象之间进行消息收集。这样，每一个对象都有它自己的独特行为特征。你可以把这些对象当作具体的实体，让它们对告诉它们做什么事的消息作出反应。这是面向对象编程的本质。

面向对象的概念是Java 的核心，对程序员来讲，重要的是要理解这些概念怎么转化为程序。你将会发现，在任何主要的软件工程项目中，软件都不可避免地要经历概念提出、成长、衰老这样一个生命周期，而面向对象的程序设计，可以使软件在生命周期的每一个阶段都处变不惊，有足够的应变能力。例如，一旦你定义好了对象和指向这些对象的简明的、可靠的接口，你就能很从容很自信地解除或更替旧系统的某些组成部分。

3 面向对象编程的3个原则

所有面向对象的编程语言都提供帮助你实现面向对象模型的机制，这些机制是封装，继承及多态性。现在让我们来看一下它们的概念。

封装

封装（Encapsulation ）是将代码及其处理的数据绑定在一起的一种编程机制，该机制保证了程序和数据都不受外部干扰且不被误用。理解封装性的一个方法就是把它想成一个黑匣子，它可以阻止在外部定义的代码随意访问内部代码和数据。对黑匣子内代码和数据的访问通过一个适当定义的接口严格控制。如果想与现实生活中的某个事物作对比，可考虑汽车上的自动传送。自动传送中包含了有关引擎的数百比特的信息，例如你正在以什么样的加速度前进，你行驶路面的坡度如何，以及目前的档位。作为用户，你影响这个复杂封装的方法仅有一个：移动档位传动杆。例如，你不能通过使用拐弯信号或挡风玻璃擦拭器影响传动。所以档位传动杆是把你和传动连接起来的惟一接口。此外，传动对象内的任何操作都不会影响到外部对象，例如，档位传动装置不会打开车前灯！因为自动传动被封装起来了，所以任何一家汽车制造商都可以选择一种适合自己的方式来实现它。然而，从司机的观点来看，它们的用途都是一样的。与此相同的观点能被用于编程。封装代码的好处是每个人都知道怎么访问它，但却不必考虑它的内部实现细节，也不必害怕使用不当会带来负面影响。

Java 封装的基本单元是类。尽管类将在以后章节详细介绍。现在仍有必要对它作一下简单的讨论。一个类（class）定义了将被一个对象集共享的结构和行为（数据和代码）。一个给定类的每个对象都包含这个类定义的行为和结构，好像它们是从同一个类的模子中铸造出来似的。因为这个原因，对象有时被看作是类的实例（instances of a class ）。所以，类是一种逻辑结构，而对象是真正存在的物理实体。

当创建一个类时，你要指定组成那个类的代码和数据。从总体上讲，这些元素都被称为该类的成员（members ）。具体地说，类定义的数据称为成员变量（member variables）或实例变量（instance variables ）。操作数据的代码称为成员方法（member methods ）或简称方法（methods ）。如果你对C/C++ 熟悉，可以这样理解：Java 程序员所称的方法，就是C/C++ 程序员所称的函数（function ）。在完全用Java 编写的程序中，方法定义如何使用成员变量。这意味着一个类的行为和接口是通过方法来定义的，类这些方法对它的实例数据进行操作。

既然类的目的是封装复杂性，在类的内部就应该有隐藏实现复杂性机制。类中的每个方法或变量都可以被标记为私有（private ）或公共（public ）。类的公共接口代表类的外部用户需要知道或可以知道的每件事情；私有方法和数据仅能被一个类的成员代码所访问，其他任何不是类的成员的代码都不能访问私有的方法或变量。既然类的私有成员仅能被程序中的其他部分通过该类的公共方法访问，那么你就能保证不希望发生的事情就一定不会发生。当然，公共接口应该小心仔细设计，不要过多暴露类的内部内容（见图2-1 ）。

图2-1 封装：可用来保护私有数据的公共方法

继承

继承（Inheritance ）是一个对象获得另一个对象的属性的过程。继承很重要，因为它支持了按层分类的概念。如前面提到的，大多数知识都可以按层级（即从上到下）分类管理。例如，尊贵的猎犬是狗类的一部分，狗又是哺乳动物类的一部分，哺乳动物类又是动物类的一部分。如果不使用层级的概念，我们就不得不分别定义每个动物的所有属性。使用了继承，一个对象就只需定义使它在所属类中独一无二的属性即可，因为它可以从它的父类那儿继承所有的通用属性。所以，可以这样说，正是继承机制使一个对象成为一个更具通用类的一个特定实例成为可能。下面让我们更具体地讨论这个过程。

大多数人都认为世界是由对象组成的，而对象又是按动物、哺乳动物和狗这样的层级结构相互联系的。如果你想以一个抽象的方式描述动物，那么你可以通过大小、智力及骨胳系统的类型等属性进行描述。动物也具有确定的行为，它们也需要进食、呼吸，并且睡觉。这种对属性和行为的描述就是对动物类的定义。

如果你想描述一个更具体的动物类，比如哺乳动物，它们会有更具体的属性，比如牙齿类型、乳腺类型等。我们说哺乳类动物是动物的子类（subclass ），而动物是哺乳动物的超类（superclass ）。

由于哺乳动物类是需要更加精确定义的动物，所以它可以从动物类继承（inherit ）所有的属性。一个深度继承的子类继承了类层级（class hierarchy ）中它的每个祖先的所有属性。

继承性与封装性相互作用。如果一个给定的类封装了一些属性，那么它的任何子类将具有同样的属性，而且还添加了子类自己特有的属性（见图2-2 ）。这是面向对象的程序在复杂性上呈线性而非几何性增长的一个关键概念。新的子类继承它的所有祖先的所有属性。它不与系统中其余的多数代码产生无法预料的相互作用。

多态性

多态性（Polymorphism ，来自于希腊语，表示“多种形态”）是允许一个接口被多个同类动作使用的特性，具体使用哪个动作与应用场合有关，下面我们以一个后进先出型堆栈为例进行说明。假设你有一个程序，需要3种不同类型的堆栈。一个堆栈用于整数值，一个用于浮点数值，一个用于字符。尽管堆栈中存储的数据类型不同，但实现每个栈的算法是一样的。如果用一种非面向对象的语言，你就要创建3个不同的堆栈程序，每个程序一个名字。但是，如果使用Java ，由于它具有多态性，你就可以创建一个通用的堆栈程序集，它们共享相同的名称。

多态性的概念经常被说成是“一个接口，多种方法”。这意味着可以为一组相关的动作设计一个通用的接口。多态性允许同一个接口被必于同一类的多个动作使用，这样就降低了程序的复杂性。选择应用于每一种情形的特定的动作（specific action ）（即方法）是编译器的任务，程序员无需手工进行选择。你只需记住并且使用通用接口即可。

图2-2 拉不拉多猎犬继承所有其超类的封装

再拿狗作比喻，一条狗的嗅觉是多态的。如果狗闻到猫的气味，它会在吠叫并且追着它跑。如果狗闻到食物的气味，它将分泌唾液并向盛着食物的碗跑去。两种状况下是同一种嗅觉器官在工作，差别在于闻到了什么气味，也就是有两种不同类型的数据作用于狗的鼻子！在一个Java 程序中使用方法时，也可以采用这个通用的概念。

多态性、封装性与继承性相互作用

如果用得当，在由多态性、封装性和继承性共同组成的编程环境中可以写出比面向过程模型环境更健壮、扩展性更好的程序。精心设计的类层级结构是重用你花时间和努力改进并测试过的程序的基础，封装可以使你在不破坏依赖于类公共接口的代码基础上对程序进行升级迁移，多态性则有助于你编写清楚、易懂、易读、易修改的程序。

在前面两个与现实生活有关的实例中，汽车更能全面说明面向对象设计的优点，为介绍继承而用狗作类比也很有趣。总的来说，汽车与程序很相似，所有的驾驶员依靠继承性很快便能掌握驾驶不同类型（子类）车辆的技术。不管是接送学生的校车，或是默西迪斯私家轿车，或是保时捷汽车，或是家庭汽车，司机差不多都能找到方向盘、制动闸和加速器，并知道如何操作。经过一段驾驶，大多数人甚至能知道手动档与自动档之间的差别，因为他们从根本上理解这两个档的超类——传动。

人们在汽车上看见的总是封装好的特性。刹车和踏脚板隐蔽着不可思议的复杂性，但接口却是如此简单，你的脚就可以操作它们！引擎、制动闸及轮胎的大小对于你如何定义踏脚板类的接口没有任何影响。

最后的属性，多态性，在汽车制造商基于相同的交通工具所提供的多种选择的能力上得到了充分反映。例如，刹车系统有正锁和反锁之分，方向盘有带助力或不带助力之分，引擎有4缸、6缸或8缸之分。无论设置如何，你都得脚踩刹车板来停车，转动方向盘来转向，按离合器来制动。同样的接口能被用来控制许多不同的实现过程。

正如你所看到的，通过封装、继承及多态性原理，各个独立部分组成了汽车这个对象。这在计算机程序设计中也是一样的。通过面向对象原则的使用，可以把程序的各个复杂部分组合成一个一致的、健壮的、可维护的程序整体。

正如本节开始时提到的，所有的Java 程序都是面向对象的。或者，更精确地说，每个Java 程序都具有封装性、继承性及多态性。尽管在本章将要介绍的简单示例程序及以后几章的示例程序中并未体现所有这些特性，但也有所体现。你将看到，Java 提供的许多特性是它的内置类库的一部分，这个库使封装性、继承性及多态性得到更广泛应用。