hvs病毒:Java入门(2) 面向对象的程序设计

摘要

　　通过本章的学习，读者应对“面向对象”的程序设计有一个整体的认识，理解一些相关的术语，为学习Java语言编程打下基础。

(2002-08-29 14:07:43)

　　本章目标：

　　通过本章的学习，读者应对“面向对象”的程序设计有一个整体的认识，理解一些相关的术语，为学习Java语言编程打下基础。

　　2.1 什么是面向对象的程序设计

　　最早的程序设计工作，是直接使用机器码进行编程的，要利用计算机完成一件事，就得画上无数个0和1，编程不仅需要知识，还需要足够的耐心。第一代程序员们都是这样完成程序编写的，程序出错时，就不得不在众多的0与1之间寻寻觅觅，真的就象是在找虫子呀（Bug，表示错误）。这样的工作方法不仅需要花费大量的时间，还得付出不菲的金钱，不过这对于当时天价的计算机来说，是微不足道的。

　　随着计算机应用的不断增多，软件开发任务也与日俱增。这时直接使用机器码来编程已经无法应付需要。这时汇编语言诞生了，它使用一些类似MOV、ADD、SUB等助记符来代替一长串0和1。我们先使用这样的语言写出源程序，再用汇编程序将它们翻译成为机器可以运行的机器码，这样使得软件开发变得更简单一些了。

　　人类总是“发明工具”、“使用工具”、“完善工具”、“再使用”、“再完善”，循序渐进，不断地向前发展。使用汇编语言提高了软件开发的效率，但人类并未满足，又在汇编语言的基础上发展了更贴近人类语言的高级语言，如BASIC、Fortran、Cobol、C等。

　　在高级语言出现时，计算机已经逐渐普通，正在以“摩尔定律”高速发展（计算速度越来越快，价钱越来越低），计算机的价格已不再是制约计算机应用的关键因素。人类需要大量的计算机软件来提高计算机的应用水平。而在这个时代，计算机硬件已经进入了有序、产业化的发展，但计算机软件却曾一度陷入失控的状态。如何让计算机软件更加可控制，可管理成为了一个十分重要的课题。

　　小知识：

　　在这个时代曾经暴发了一场“软件危机”，许多重要的软件项目都陷入失控的状态，如何使得软件项目胜利的完成，成为整个产业最为头痛的一个问题。曾经有一本著名的书籍《神秘的人月》将这描写成为：“失控的软件项目就象陷入泥潭的骆驼，越挣扎就陷得越深”。有兴趣的读者可以阅读一些相关的书籍。

　　这一切“创就”了一门新的学科：《软件工程学》，将软件开发工作分成了“系统分析”、“设计”、“编程”、“测试”、“维护”等几个组成部分，一改以往“软件开发就是写程序”的认识。原来，软件开发工作就是充分发挥程序员的聪明才智解决问题，正如一句俗话所说的：“不管黑猫白猫，能逮着老鼠就是好猫”，在软件开发中，曾经奉行着一句矢志不渝的真理“只要能够解决问题的程序就是好程序”。这样，写出来的程序别说别人看不懂，有时连自己一段时间后都看不懂自己的程序了。试想，这样如何能够集众人力量共同完成一个软件项目呢，如何能够对一个软件项目提供有效的维护呢？

　　通过了一段时间的摸索后，就形成了一套大家都很熟悉的面向过程的“结构化”软件方法学，包括结构化设计、结构化编程等软件开发方法学。如果大家在阅读这本书之前，有一些程序设计的经验的话，对这个应该还是有一些了解的。为了能够让大家理解“结构化”编程与我们在这里要说明的“面向对象”的程序设计的区别，在此我就用“伪代码”写一段程序（在本例中，我主要是用于讲解语法，而不考虑本程序是否有现实作用）。

　　伪代码：

　　伪代码，是指不能够直接编译运行的程序代码，它是用于语法结构讲解的一个工具，它比真正的程序代码更简明，更贴近自然语言。

　　源程序：一个“结构化”程序示例:

　　铅笔数=5

　　钢笔数=6

　　圆珠笔数=4

　　其它笔数=7

……// 销售程序段铅笔数=铅笔数-1 // 卖出了1支铅笔其它笔数=其它笔数-2 // 卖出了2支其它笔// 采购程序段钢笔数=钢笔数+20 // 新进了20支钢笔圆珠笔数=圆珠笔数+10 // 新进了10支圆珠笔……

　　正如上面的程序段所示，在结构化的程序我们通常是：

　　1） 定义变量及其初始值；

　　2） 根据事件发展顺序，进行相对应的处理。

　　在上面的程序中，我们先定义了各种笔的初始总数，然后这些数量会在销售、采购时改变。这种程序的编写思路是随着事件，按照一定的过程来进行的。这种方法是一种“解题”的思维方式，把所有的需求，当作一个“应用题”一样来“解答”。

　　可以看出，从机器语言、汇编语言到高级语言，程序设计越来越贴近人类的语言，但是它们又都有一个通病，就是它们都需要程序使用机器的思路，而不是人的思路，为什么这么说呢？那么人的思路是什么呢？？

　　人类认识世界的思路总是针对一个个具体的客观事物来认识，包括它的形状、大小等属性，以及行为、功能、动作等。就象一说到猫，就马上知道它是4只脚的、“喵喵”叫的，而且猫的行为动作大家也很熟悉，比如，我们说“猫抓老鼠”，大家应该马上就会在脑海中出现一个相应的图象吧。

　　这时，人们突然发现，如果编写程序也采用这样的思维的话，那么将使得程序更加清晰，写起程序来也会变得更加简单了。软件工程学家便开始了坚持不懈的研究，终于创建了“面向对象”方法学，这一方法学的出现，使得软件工程又向前迈了一大步了。“面向对象”方法学其实包括：“面向对象的系统分析”、“面向对象的系统设计”、“面向对象的程序设计”……，而在本章中则主要探讨“面向对象的程序设计”。

　　一些提示：

　　熟悉Visaul Basic的读者，您应该记得在使用VB开发程序时，大家将一个个控件拖到界面上，然后修改它们的属性，使它们符合程序的需要，接着在这个控件的相应事件中填入代码。您想想，这不想我们儿时玩的搭积木吗，太简单了！这就是“面向对象”的程序设计给我们带来的好处呀。

　　为了让大家对“面向对象”的程序设计有一些了解，我就再使用伪代码写一段代码，仅供大家比较。

　　源程序：一个“面向对象”的程序示例

笔店{ 铅笔； 钢笔； 圆珠笔； 其它笔； 卖出（笔种类，数量） {笔种类=笔种类 - 数量； }进货（笔种类，数量）{笔种类=笔种类 + 数量；}盘点（）{打印 铅笔； // 打印出当前铅笔的库存量打印 钢笔； // 打印出当前钢笔的库存量打印 圆珠笔； // 打印出当前圆珠笔的库存量打印 其它笔； // 打印出当前其它笔的库存量 }}

　　虽然，使用面向对象的程序设计方法好象更繁琐，但其逻辑结构严谨、有序，十分益于理解，而且，这里的“笔店”还可以在其它程序中使用，将大大提高开发效率。

　　2.2 面向对象的主要术语

　　传统的“面向过程”的方法学是把世界分成两个部分，分别认知：

　　1） 数据（Data）：用于描述各种状态的数据结构；

　　2）过程（Procedures）：就是操作这些状态数据的程序，有时也称为“算法”。

　　说得形象一些，它认为数据是静态的，不会自行改变的，而需要各种各样的过程来改为数据。您还记得“数据结构”+“算法”=程序，这一个伟大的等式吗？这就是“面向过程”方法学的精髓。

　　举个例子，我们要将一块木头从目前的位置向北搬到距原地10米的地方，我们首先会定义一个表示木头的数据结构，存储位置、质量等状态信息，然后再编写一个算法操作这个表示木头的数据结构，以达到目的。

　　而“面向对象”的方法学则认为世界是由各种各样的对象（object）组成的，而每一个对象都有两个特征：状态（也称为属性）与行为（也称为方法）。

　　说得形象一些，每个组成世界的对象都是通过自己的行为来变化自身的状态，一切变化都是对象自身、或对象间的协调而产生的。

　　2.2.1 对象

　　而上面那个例子如果使用“面向对象”的角度来看，我们会创建一个木头对象，这个对象不仅包括所有的属性、状态信息，还包括对它行为的描述。

　　然后，我们让它执行一个自己的行为，使其发生相应的变化。这种方法更加符合自然世界，更加符合人类的思维习惯。

　　也就是说，对象是一种对客观事物的抽象，它由状态（属性）和行为（方法）组成。

　　下面，我们就使用一个图，来帮助大家认识对象。正如图2-1所示，我们使用一个大圆来表示一个对象，中间的一个小圆圈定义了这个对象的各种状态信息，外面则是各种各样的行为，通过执行这个对象的行为，就会改变这个对象的状态。

　　图2-1 木头对象示意图

　　2.2.2 类（Class）

　　在真实世界中，通常有许多对象具有相同的性质。如你家的猫，只是世界上所有家猫中的一只；你家的电脑，只是世界上所有电脑中的一台……。这些猫、电脑……都具有类似的功能、相似的属性，但却又不是完成一样的。

　　这在面向对象的概念里，把“猫”、“电脑”……等称为“类”，而“你家的猫”、“你家的电脑”则是这个类的一个具体的实例，一个对象。

　　也就是说，类是一个集合，一个模板，通常我们在使用面向对象的程序设计中，我们是先定一个类，然后用类去定义一个对象，这个对象就可以使用了。

　　还记得在2.1小节里，我们举的那个例子吗？我们首先定义了“笔店”这个类，它拥有4个属性：

　　1） 铅笔；

　　2） 钢笔；

　　3） 圆珠笔；

　　4） 其它笔

　　同时还定义了三个行为：

　　1）卖出：将属性的值减少，表示卖出；

　　2）进货：将属性的值增加，表示进货；

　　3）盘点：打印出属性的值；

　　接着，我们在主函数中，先定义了一个属于“笔店”的对象：“张三笔店”，然后就可以对这个对象进行操作了。

　　可以看出，类与对象的定义是一样的：状态（属性）+行为（方法）。因为类是对象的超集嘛。我们可以对类下一个定义：

　　类是由所有相似对象的状态变量（属性变量）与行为（方法）所构成的模板或原型。

　　2.2.3 封装性

　　我们知道，对于一个对象来说，要改变自身的状态就意味着发生了行为。换一句话说，只有调用属于对象自己的行为才能改变自己的状态信息。

　　在面向对象的程序设计语言中，您必须遵循这一原则，而且语言本身就提供了这样的机制，使得你不可能不遵循。这种机制称为“封装性”。

　　从软件工程学的角度来看，这种封装性有效地将对象的状态数据隐藏起来，符合信息隐蔽原则，能够有效地避免因过失而破坏了状态数据。

　　2.2.4 消息传递（Message）

　　在前面，我们说到在面向对象的世界中，一切变化都是对象自身、或对象间的协调而产生的。那么它们是如何进行协商的呢？

　　在面向对象的程序设计中，我们采用一种叫消息传递（Message Passing）的机制来实现。消息从一个对象发到另一个对象，使另一个对象完成某一个行为。

　　通常，我们把发送消息的对象称为“发送对象”（sender），而把接受消息的对象称为“接受对象”（receiver）。其工作如下图所示：

　　图2-2 消息传递机制工作示意图

　　举一个我们身边的例子，在使用Windows 98时，我们可以在不同的对象上按鼠标右键，就会出现这个对象的属性菜单。例如，在桌面上按右键，就会出现桌面的属性菜单；如果在“网络邻居”图标上按右键的话，就会出现网络属性菜单……

　　这就是通过消息传递来实现的，在Windows 98中，当我们单击鼠标右键时，“鼠标驱动程序”（一个对象）就会获取这个动作，然后向“系统”询问当前位置是什么对象，假设是“网络邻居”图标，那么它就向“网络邻居”这个图标（也是一个对象）发出一个消息，让其显示出属性菜单。

　　Windows就是一个使用面向对象设计实现的，它采用了消息驱动机制，大家一定会记得，我们从开始菜单关机时，一些本来打开的程序在关机前先关闭，这都是消息机制的作用，在关机，系统向每一个运行着的“对象”传送了一个消息，使其关闭。

　　2.2.5 继承

　　在前面我们说过，对象是由类产生的，因此我们就可以通过对类的认识而了解对象。例如，假设你不知道“的士”是什么东西，我们只要说，“的士”是一种汽车，我想你马上就会知道个大概！而如果，我再进一步说明它是小轿车的话，你就会更明白了。

　　到此，我们总结出一个道理，在现实世界中，有一些类比较大，可以分为许多小类，类是可以由其它的已知类来定义的。

　　例如，汽车中有货车、客车、轿车……：

　　1） 用于运输货物的汽车叫货车；

　　2） 用于运输旅客的汽车叫客车；

　　3） 豪华的、较低矮、较小的、有钱人（:-P）做的汽车叫轿车。

　　而汽车、货车、客车、轿车都是类！在本例中，汽车这个类是货车、客车、轿车这三个类的超类（Superclass），而货车、客车、轿车这三个类则是汽车这个类的子类（subclass）。

　　这四个类的关系，可以通过下面这个图来表示：

　　图2-3 超类与子类

　　如果定义了超类，那么子类就可以直接将超类中定义的状态、行为继承过来，不再需要另外定义了。因为这些属性子类也是具备的。

　　而子类之所以成为子类，是因为它们相对于超类而言，还有一些不同的地方，这需要增加一些属性、行为。

　　还用一些子类需要对继承过来的超类进行一些局部的修改，使其更能真实子类的特性。

　　在现实世界中，继承是可以多重的，也就是说一个子类可以同时拥有多个超类。而毕竟程序设计的世界并一定要完全一样。在这个问题上，面向对象的研究者们有分歧，有一部分人认为应该采用单一的继承，而有另一部分人则认为应该采用多重继承。后来就在不同的面向对象的程序设计语言中体现出来了：

　　1） 在C++语言中，支持多重继承；

　　2） 在Java、Smalltalk、Objective-C都不支持多重继承。

　　为什么要引入继承的概念呢？

　　1）继承机制提高了“软件可复用性”。大家应该知道，在结构化的程序设计中，我们常常将一些经常要使用的功能模块写成子程序，供程序调用，这样会大大提高开发效率。这也就是“软件复用”。

　　而通过继承，我们可以在已定义类的基础上无限地繁衍出更多的类，并且通过直接继承、新增、局部修改来重复使用超类。这样必将使软件开发的速度更快，同时可以使程序共享成为可能。

　　共享代码：

　　通过共享代码，我们就可以继承他人写的或系统提供的类，直接使用现成的程序码并可以加以改写，扩展成为我们需要的东西。例如在Java中，窗口类已由Java的开发工具提供了，因为我们要做一个窗口时就无须重写写过，只需直接使用就可以了。

　　2）继承机制的另一个好处在于它使得接口更加一致。

　　当超类衍生出许多的子类时，它的行为接口通过继承，也传给了所有的子类。这样，做消息传递时，就无需关心每个子类的接口，它们都是一致的。

　　2.2.6 小结

　　面向对象方法学博大、深奥，绝不是通过以上这些只言片语能够说得清楚的，在此只能是做一些简单的介绍，让大家对其有一个基本的了解，以便更好地学习Java语言。