Cplusplus面向对象基础

"C plus plus" 即"C++"。C++，这个词在中国大陆的程序员圈子中通常被读做"C加加"，而西方的程序员通常读做"C plus plus"，它是一种使用非常广泛的计算机编程语言。

C++面向对象基础(上)

• 对象与类
  • 对象
    • 属性
      • 数据
        • 闹钟（时间）
    • 行为
      • 函数
        • 闹钟（修改时间或预定时间）
    • 程序中的对象是一个整体，其属性和行为不可分离。要访问对象的属性（数据）和行为（函数）只能通过对象进行。例如要查看闹钟的“当前时间”或“预定时间”，只能通过闹钟这个对象进行，指示时间和响铃也只能通过闹钟进行。
    • 好处是可以对相关的数据和函数按照需要分类管理，从而提高程序代码的可读性，以及软件的可维护性。
    • 示例
      • 闹钟对象
        • • 先定义一个表示时间的结构体Time
            • int h
            • int m
            • int s
          • Time 的两个变量
            • 当前时间
            • 预定时间
            • 属性
          • 定义两个函数
            • 指示时间函数
            • 到时响铃函数
            • 行为
  • 类
    • 对象是一个完整的个体
      • 这些个体可以按照某种规则进行分类
        • 分类的规则是对象的属性相同（数量相同，类型也相同），行为也相同。
    • 闹钟类
      • 属性相同
        • 形状
        • 当前时间
        • 预定时间
        • 属性个数相同，相同的属性的类型也相同
      • 行为相同
        • 当前时间
        • 到时响铃
    • 闹钟类与闹钟对象
      • • 同一类的不同对象是靠属性值区别的
        • 同一类的两个对象的属性值完全相同，则两个对象就是相同的
  • 对象的表示
    • class
      • 用了特殊的数据结构类（class）来集成数据和函数
        • 在 C 语言中结构体虽然可以用来集成数据，但不能用来集成函数。
      • 而类的变量就是对象。同结构体一样，类也是可以自定义的，即开发者可以设置类中包含的数据以及函数。
        • 类与对象的关系就是类型与变量的关系。
          • 在程序中要使用一个对象，就用这个类声明一个变量，这个变量就是所需的对象。
    • 闹钟示例
      • • 声明并使用一个闹钟对象
• 对象的特征
  • 封装性
    • 但是对于对象的使用者而言，并不能访问这个集合中的所有部分。使用者只能访问对象暴露出来的、可以被外部使用的部分，这些部分也可以看做对象的接口。而其他未暴露出来的部分则是对象的私有属性或者私有函数。私有属性和私有函数是为了实现对象的接口而存在的。
      • • 闹钟的私有属性和私有函数
        • 程序中的对象具有封装性，这一点同现实中的对象是一致的。人们在使用闹钟时，根本不需要知道其内部是怎么实现的，而设计闹钟的人也无意向用户暴露其中的细节。
  • 继承性
    • 继承是一种逻辑上的层次关系。在人类的思维中，有这样一种层次性的分类方法，即将一些事物按照一般到特殊的关系
      • 先分成大类，再分成小类，各个小类也可以继续细分。
      • 大类与小类就构成了一种逻辑上的层次关系。大类（高层的类）称做基类（或者父类），小类（低层的类）称做派生类（或者子类）。
    • 示例
      • • 学校类具有所有学校的共同属性，如校名、校址等，以及共同的行为，如招生、考试、教育等
        • 但这些并不符合所有学校的情况，比如在招生的范围、教育的方式、考试的内容等方面都不相同。
    • 继承还有另外一层重要的含义，即派生类中具有基类的所有组成部分。因为从基类到派生类是从一般到特殊，“特殊”只是比“一般”多了一些属性和行为，而不会缺少。
      • 从这个意义上讲，派生类“是”一个基类，例如大学是学校，中学是学校，小学也是学校。
    • 优点
      • 派生类可以使用基类的方法和属性
      • 对基类的操作也可以施加到派生类上
  • 多态性
    • 多态性指的是同一行为在基类和派生类间，以及各个派生类间的表现并不相同。
      • 这里所说的同一行为，指的是在基类里定义并由各个派生类继承的函数。
    • 由于基类在定义这个函数时考虑的是一般的情况，并没有针对各种特殊情形，所以派生类往往需要重新定义这个函数。
      • 当系统运行时，虽然使用的是同一个函数名，但具体调用的函数却是被派生类重新定义的版本。由于不同的派生类有不同的定义，从而一个行为就会表现出不同的形式，也就是多态。
    • 示例
      • 例如对于各种学校类，作为学校的基本功能，定义基类“学校类”时就应当定义招生、教育、考试等各种行为。但对于各种具体的学校类，如小学、中学、大学等，这些行为又是有差别的，必须根据各自的具体情况进行重新定义。当说一个学校招生时，不同的学校有不同的招生对象、方法等，所以招生这个行为就在不同种类的学校间表现出了多态性。
• 面向过程与面向对象
  • 面向过程
    • 在面向过程的开发中，开发者关注的是解决问题过程中每一个步骤的实现以及步骤的次序。只有实现好每个步骤，并且按照正确的次序进行调用，问题才会得到解决。这就是所谓的过程。
    • • 在C和C++语言中，一个步骤就是一个函数或者一个语句块（复合语句）。
    • 缺点
      • 采用面向过程方法开发的程序，难以控制其维护成本。
      • 缺少封装性
        • 无法封装数据
        • 无法封装函数
        • 当一组数据需要几个函数联合起来进行处理的时候，要么采用全局变量，要么将数据作为参数。全局变量的缺点是显而易见的，即无法控制访问数据的行为，任何函数都有可能修改全局变量，甚至不相关的函数。如果将数据当做函数参数，则会导致函数的参数列表过于复杂，同时也会因参数传递导致效率方面的损失。
      • 在面向过程的语言中，函数的使用是没有限制的。而在实际开发中，一个函数的目标数据是固定的。如果不限制函数的作用范围，函数与数据之间就不会有清晰的逻辑关系，从而导致程序的可读性降低。
  • 面向对象
    • 开发的核心
      • 如何实现对象
        • 首先要确定程序中需要哪些对象以及这些对象的属性和行为。
        • 确定后，开发者就要在程序中实现这个对象，即定义对象所属的类。
        • 完成类的定义之后，就可以在程序中用类创建对象，并通过对象间的协作来解决问题了。
      • 如何使用对象
    • 三角形对象求面积的接口方法很简单，是一个没有任何参数的函数。使用者并不能从该接口获知任何实现的细节。这些细节都封装在对象的内部，外界无法得知。所以，这是一个与实现无关的接口。在程序开发以及以后的维护中，只要这个接口不变，无论其内部实现如何改变，都不会影响使用者的调用，在很大程度上降低了软件的维护成本。
• 面向对象的分析（OOA）
  • 在开始系统设计之前，软件开发应当经历系统分析阶段。其目的是在需求分析的基础上，描述系统的整体功能，并建立问题领域的模型。
    • 在面向对象的软件开发中，系统分析的方法是面向对象的分析方法，简称OOA（Object Oriented Analysis）。
  • 在传统的面向过程的软件开发中，系统分析的方法是结构化的分析方法。其特征是对系统的功能进行模块化、层次化的划分，并用数据在一系列模块间的流动表示系统行为。
  • 在OOA过程中，对问题领域进行建模就是从对系统的分析中识别出所需的对象，并用对象和对象之间的关系来描述整个软件系统。
    • 例如在一个窗口中绘制复杂图形，而图形可能是由多个基本图形（三角形、矩形、圆形等）构成的，在这样的系统中需要画布类、图形容器类、图形基类、各个图形类等，
  • OOA基本原则
    • 抽象——抽取数据和过程特征部分。
    • 封装——将数据和处理函数组织在一起。
    • 分类——描述对象的类型。
    • 继承——描述对象的概念层次结构。
      • is-a
    • 聚合——用组装的方法建立对象。
      • 聚合原则用在描述对象的组成上。一个复杂的对象往往是多种简单对象的复合体。因此，在程序中应当将简单对象作为复杂对象的数据成员（属性），从而以自然的方式描述一个复杂事物。
      • has-a
    • 关联——建立对象间的联系。
      • 关联表示的是对象之间的联系。与继承、聚合不同，关联关系比较松散，一个对象存在与否并不影响另外一个对象。
    • 消息通信——对象间协作的方法。
      • 消息通信原则指的是对象之间只能通过消息进行通信，而不允许直接存取对象的属性。消息通信原则是由封装引起的。封装的对象只能通过公开的接口与外界通信，而这个接口，即接口的调用行为就是所谓的消息。
    • 粒度控制——简化信息。
      • 粒度控制指的是在OOA中，应当将分析的主题限制在适当的范围内，不要过度深入细节。OOA的目标是要得到一个系统整体性的描述，如果过度深入细节，会使分析陷入复杂化，反而达不到预期的效果。例如，一个对象在OOA中只要给出该对象的对外接口即可，至于内部怎么实现则不考虑。
    • 行为分析——分析对象的行为。
      • 行为分析原则是OOA的指导性原则，其含义是要求开发者从分析问题领域中各种事物的行为入手。事物的行为是其内部属性的反映，也直接代表其对外接口。
      • 对事物行为的分析可以得出一个对象的定义。另外，事物之间的行为存在依赖和顺序关系，而这些关系也反映了对象之间的关系。因此，经过行为分析就可以从静态和动态两个方面对系统进行建模。
  • OOA的基本步骤
    • 确定系统功能。在分析开始前，首先要确定软件系统要解决哪些问题，系统要提供什么功能。
    • 找出对象并分类。通过对系统中各种事物的抽象，得出所需要的对象，并对这些对象进行分类，建立“类”类型。
    • 确定类之间的关系。这些关系包括继承关系、聚合关系、关联关系等。
    • 确定对象的属性。这些属性是对象的标识性、关键性的属性，并可以被外界访问。
    • 确定对象的函数。这些函数表示的是对象的行为。
    • • 通常会采用统一建模语言作为描述工具。统一建模语言简称UML，是一种通用的、图形化的建模方法。可以用来描述系统的静态和动态模型，包括类图、对象图、时序图、协作图、用例图等。有关UML语言的详细说明请参看相关书籍，本书中也大量应用了UML语言来对软件系统进行分析和设计。
• 面向对象的设计（OOD）
  • 设计的目的是对分析的结果进一步规范和整理，以便进行后面的代码设计。在面向对象的开发中，设计的方法是面向对象的设计（Object Oriented Design），简称OOD。在OOD过程中同样也采取了很多面向对象的思想。
    • OOA过程的结果是一个概念性的结果，并不能直接用于OOP，即面向对象的编程。
  • 在开始编写代码之前，需要对OOA所抽象出来的对象、类以及其他相关文档进行整理和求精，使之更符合OOP的需要。这个过程就是所谓的OOD。
    • OOD 的目标是将对象的属性和方法进一步精化，改正错误的内容、删去不必要和重复的内容等。有时根据需要，还应当添加一些辅助的属性和方法，这些方法仅用于辅助对象接口的实现，原则上应当不对外公开，而是作为对象的私有成员。
  • OOD基本原则
    • 单一职责原则
      • 单一职责指的是一个类应当只负责一方面的功能。单一职责的目标是简化类的定义，提高程序的可维护性。如果一个类牵涉多方面的功能，则导致修改类的原因就会很多。而一旦类被修改，其他依赖于该类的代码就需要修改，从而带来很多潜在的问题；即便不需要修改，其他依赖该类的源文件也要重新编译，影响开发效率。
    • 开放封闭原则
      • 开放封闭原则指的是软件系统应当对扩展开放，对修改封闭。该原则主要应用在系统需要增加功能的情况下。增加功能最好的方法就是增加新的类，而不是去修改已有的代码。后者往往会对已有的系统造成较大的冲击，从而降低软件的可维护性。
    • 替换原则
      • 替换原则指的是在程序中所有用到基类对象的地方，都可以用派生类对象代替。从逻辑上来讲，派生类对象和基类的关系是 is-a 的关系，即派生类对象也是一个基类的对象。既然如此，派生类的对象当然可以替代基类的对象。
    • 依赖倒置原则
      • 依赖倒置原则指的是程序应当依赖于高层的抽象，而不是底层的实现细节。在面向对象的开发中，类（对象）以及类（对象）间的协作关系是对现实的抽象，而基类更是对派生类的抽象。抽象的东西一般很少发生改变，因此依赖于抽象的程序其维护的成本就比较低。
    • 接口隔离原则
      • 接口隔离原则指的是在设计类时使用多个专门的接口，而不是一个大而全的接口。这里的接口指的是一个特殊的基类，其中仅有成员函数。应用接口分离原则，一个接口发生了改变，不至于影响到其他接口，这样依赖于其他接口的程序也不用改变，从而提高了程序的可维护性。
  • OOD的基本步骤
    • 细化类。从实现的角度出发，按照功能细化类，并增加必要的辅助类。
    • 明确类之间的关系。用继承、聚合、关联来描述类之间的关系。
    • 定义属性。确定属性的类型，并在必要时增加或删减属性。
      • 类图UML
    • 描述对象之间的协作关系。描述系统动态运行的情况。
      • 时序图UML
    • 利用设计模式优化设计。
      • 在面向对象的设计过程中，有一些模式可以遵循。《设计模式：可复用面向对象软件的基础》