5-Java 面向对象基础1

5.1 面向过程和面向对象

面向过程(Procedure Oriented)和面向对象(Object Oriented)都是对软件分析、设计和开发的思想,它指导着人们以不同的方式去分析、设计和开发软件。早期先有面向过程思想,随着软件规模的扩大,问题复杂性的提高,面向过程的弊端越来越明显的显示出来,出现了面向对象思想并成为目前主流的方式。两者都贯穿于软件分析、设计和开发各个阶段,对应面向对象就分别称为面向对象分析(OOA)、面向对象设计(OOD)和面向对象编程(OOP)。C语言是一种典型的面向过程语言,Java是一种典型的面向对象语言。

面向过程思想思考问题时,我们首先思考“怎么按步骤实现?”并将步骤对应成方法,一步一步,最终完成。 这个适合简单任务,不需要过多协作的情况下。比如,如何开车?我们很容易就列出实现步骤:

1. 发动车
2. 挂挡
3. 踩油门
4. 走你

面向过程适合简单、不需要协作的事务。 但是当我们思考比较复杂的问题,比如“如何造车?”,就会发现列出 1234 这样的步骤,是不可能的。那是因为,造车太复杂,需要很多协作才能完成。此时面向对象思想就应运而生了。

面向对象(Object)思想更契合人的思维模式。我们首先思考的是——怎么设计这个事物?比如思考造车,我们就会先思考“车怎么设计?”,而不是“怎么按步骤造车的问题”。这就是思维方式的转变。面向对象思想思考造车,发现车由如下对象组成:

1. 轮胎
2. 发动机
3. 车壳
4. 座椅
5. 挡风玻璃

为了便于协作,我们找轮胎厂完成制造轮胎的步骤,发动机厂完成制造发动机的步骤;这样,发现大家可以同时进行车的制造,最终进行组装,大大提高了效率。但是,具体到轮胎厂的一个流水线操作,仍然是有步骤的,还是离不开面向过程思想!

因此,面向对象可以帮助我们从宏观上把握、从整体上分析整个系统。 但是,具体到实现部分的微观操作(就是一个个方法),仍然需要面向过程的思路去处理。

面向对象和面向过程的总结:

  1. 都是解决问题的思维方式,都是代码组织的方式。
  2. 解决简单问题可以使用面向过程
  3. 解决复杂问题:宏观上使用面向对象把握,微观处理上仍然是面向过程。

面向对象思考方式:

遇到复杂问题,先从问题中找名词,然后确立这些名词哪些可以作为类,再根据问题需求确定的类的属性和方法,确定类之间的关系。

  1. 面向对象具有三大特征:封装性、继承性和多态性,而面向过程没有继承性和多态性,并且面向过程的封装只是封装功能,而面向对象可以封装数据和功能。所以面向对象优势更明显。
  2. 一个经典的比喻:面向对象是盖浇饭,面向过程是蛋炒饭。盖浇饭的好处就是“菜”“饭”分离,从而提高了制作盖浇饭的灵活性。饭不满意就换饭,菜不满意换菜。用软件工程的专业术语就是“可维护性”比较好,“饭” 和“菜”的耦合度比较低。

5.2 类和对象的理解

对象的进化史(数据管理和企业管理共通之处):

事物的发展总是遵循“量变引起质变”的哲学原则;企业管理和数据管理、甚至社会管理也有很多共通的地方。

  • 数据无管理时代

    最初的计算机语言只有基本变量(类似我们学习的基本数据类型),用来保存数据。那时候面对的数据非常简单,只需要几个变量即可搞定;这个时候不涉及“数据管理”的问题。同理,就像在企业最初发展阶段只有几个人,不涉及管理问题,大家闷头做事就行了。

    最简单的例子,我们要求两个整数的和,只需要定义两个变量就够了,而这也完全满足于当时计算机刚被发明出来的时候的用途。

  • 数组管理和企业部门制

    企业发展中,员工多了怎么办?我们很自然的想法就是归类,将类型一致的人放到一起。企业中,会将都做销售工作的放到销售部管理,会将研发软件的放到开发部管理。同理在编程中,变量多了,我们很容易的想法就是“将同类型数据放到一起”, 于是就形成了“数组”的概念。 这种“归类”的思想,便于管理数据、管理人。

  • 对象和企业项目制

    企业继续发展,面对的场景更加复杂。一个项目可能需要经常协同多个部门才能完成工作;一个项目从谈判接触可能需要销售部介入;谈判完成后,需求调研开始,研发部和销售部一起介入;开发阶段需要开发部和测试部互相配合敏捷开发,同时整个过程财务部也需要跟进。在企业中,为了便于协作和管理,很自然就兴起了“项目制”,以项目组的形式组织,一个项目组可能包含各种类型的人员。 一个完整的项目组,麻雀虽小五脏俱全,就是个创业公司甚至小型公司的编制,包含行政后勤人员、财务核算人员、开发人员、售前人员、售后人员、测试人员、设计人员等等。事实上,华为、腾讯、阿里巴巴等大型公司内部都是采用这种“项目制”的方式进行管理。

    同理,计算机编程继续发展,各种类型的变量更加多了,而且对数据的操作(指的就是方法,方法可以看做是对数据操作的管理)也复杂了,怎么办?为了便于协作和管理,我们将相关数据和相关方法封装到一个独立的实体,于是“对象”产生了。 比如,我们的一个学生对象:

    有属性(静态特征):年龄、姓名、学号、性别等;也可以有方法(动态行为):学习,吃饭,考试。

量变引起质变,不同的数量级必然采用不同的管理模式。人们越来越依赖计算机处理复杂问题,这是面向对象出现的必然性。

  • 类(class)的理解
    • 类是对现实生活中一类具有共同属性和行为的事物的抽象
    • 类是对象的数据类型,类是具有相同属性和行为的一组对象的集合
    • 简单理解:类就是对现实事物的一种描述
  • 类的组成
    • 属性:指事物的特征,例如:手机事物(品牌,价格,尺寸)
    • 行为:指事物能执行的操作,例如:手机事物(打电话,发短信)
  • 对象(object,instance):客观存在的事物皆为对象 ,所以我们也常常说万物皆对象

类和对象的关系

  • 类:类是对现实生活中一类具有共同属性和行为的事物的抽象。例如,学生是一类人,因此可以抽象出学生类,他们有一些共同的特征以及共同的行为。
  • 对象:是能够看得到摸的着的真实存在的实体。例如,我是学生类的一个具体存在,我的学号是 xxx,我就是一个具体的对象。
  • 简单理解:类是对事物的一种描述,对象则为具体存在的事物

5.3 类的定义

类的组成是由属性和行为两部分组成

  • 属性:在类中通过成员变量来体现(类中方法外的变量)
  • 行为:在类中通过成员方法来体现(和前面的方法相比去掉 static 关键字即可)
public class 类名 {
    // 成员变量
    变量1的数据类型 变量1;
    变量2的数据类型 变量2;
    
    // 成员方法
    方法1;
    方法2;  
}

对于一个类来说,一般有三种常见的成员:属性 field、方法 method、构造器 constructor。这三种成员都可以定义零个或多个。

public class Student {
    int id;
    String name;
    int age;

    Computer computer;

    void study() {
        System.out.println("Studying..." + computer.brand);
    }

    void play() {
        System.out.println("Playing...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student stu = new Student();
        stu.id = 1001;
        stu.name = "IZJ";
        stu.age = 21;
        Computer c1 = new Computer();
        c1.brand = "ASUS";
        stu.computer = c1;
        stu.study();
    }
}

// 一个 java 文件能有多个 class,但只能有一个 public class
class Computer {
    String brand;
}

属性

属性用于定义该类或该类对象包含的数据或者说静态特征。属性作用范围是整个类体。

在定义成员变量时可以对其初始化,如果不对其初始化,Java 使用默认的值对其初始化。

数据类型默认值
整型0
浮点型0.0
字符型'\u0000'
布尔型false
所有引用类型null
[修饰符]  属性类型  属性名 = [默认值] ;
public int id = 1024;

方法

方法用于定义该类或该类实例的行为特征和功能实现。方法是类和对象行为特征的抽象。方法很类似于面向过程中的函数。面向过程中,函数是最基本单位,整个程序由一个个函数调用组成。面向对象中,整个程序的基本单位是类,方法是从属于类和对象的。

[修饰符]  方法返回值类型  方法名(形参列表) {
  // n 条语句
}

public void study() {
    doStudy...
}

5.4 面向对象的内存分析

Java虚拟机的内存可以分为三个区域:栈stack、堆heap、方法区method area。(其实方法区也在这堆中,只是比较特殊,才单独拿出来说)

  1. 栈描述的是方法执行的内存模型。每个方法被调用都会创建一个栈帧(存储局部变量、操作数、方法出口等)
  2. JVM为每个线程创建一个栈,用于存放该线程执行方法的信息(实际参数、局部变量等)
  3. 栈属于线程私有,不能实现线程间的共享!
  4. 栈的存储特性是“先进后出,后进先出”
  5. 栈是由系统自动分配,速度快!栈是一个连续的内存空间!

  1. 堆用于存储创建好的对象和数组(数组也是对象)
  2. JVM只有一个堆,被所有线程共享
  3. 堆是一个不连续的内存空间,分配灵活,速度慢!

方法区(又叫静态区

  1. JVM只有一个方法区,被所有线程共享!
  2. 方法区实际也是堆,只是用于存储类、常量相关的信息!
  3. 用来存放程序中永远是不变或唯一的内容。(类信息【Class对象】、静态变量、字符串常量等)

JVM图示

以上一篇的类为例

public class Student {
    int id;
    String name;
    int age;

    Computer computer;

    void study() {
        System.out.println("Study with " + computer.brand);
    }

    void play() {
        System.out.println("Playing with " + computer.brand);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        System.out.println(student); // 打印 student 对象的内存地址
        student.id = 1001;
        student.name = "IZJ";
        student.age = 21;

        Computer asus = new Computer();
        System.out.println(asus); // 打印 asus 对象的内存地址
        asus.brand = "ASUS";
        student.computer = asus;
        student.study();
        student.play();
    }
}

class Computer {
    String brand;
}

5.5 构造方法

构造器也叫构造方法(constructor),用于对象的初始化。构造器是一个创建对象时被自动调用的特殊方法,目的是对象的初始化。构造器的名称应与类的名称一致。Java 通过 new 关键字来调用构造器,从而返回该类的实例,是一种特殊的方法

格式:

public class 类名{
    // 构造器
    修饰符 类名( 参数 ) {
        ...
    }
}

要点:

  1. 通过 new 关键字调用。
  2. 构造器虽然有返回值,但是不能定义返回值类型(返回值的类型肯定是本类),不能在构造器里使用 return 返回某个值;但是你可以直接写一个return; 但是这是无意义的代码,所以通常不这么做。
  3. 如果我们没有定义构造器,则编译器会自动定义一个无参的构造函数。如果已定义则编译器不会自动添加。
  4. 构造器的方法名必须和类名一致。

练习:

定义一个 Point 类用来表示二维空间中的点(有两个坐标)。要求如下:

  1. 可以生成具有特定坐标的点对象。
  2. 提供可以设置坐标的方法。
  3. 提供可以计算该 point 与另一个 point 之间的距离的方法。
public class Point {
    double x;
    double y;

    public Point(double x, double y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public double getDistance(Point point) {
        return Math.sqrt(Math.pow(this.x - point.x, 2) + Math.pow(this.y - point.y, 2));
    }

    public static void main(String[] args) {
        Point p1 = new Point(3, 4);
        Point p2 = new Point(0, 0);
        double distance = p1.getDistance(p2);
        System.out.println(distance);
    }
}

构造方法的重载

构造方法也是方法,只不过有特殊的作用而已。与普通方法一样,构造方法也可以重载。

public class User {
    int id;
    String name;
    String pwd;

    public User() {
    }

    public User(int id, String name) {
        super(); // 构造方法的第一句总是 super(); 即便这里不写,编译器也会加。
        this.id = id; // this 表示创建好的对象
        this.name = name;
    }

    public User(int id, String name, String pwd) {
        this.id = id;
        this.name = name;
        this.pwd = pwd;
    }

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User();
        User user2 = new User(1, "IZJ");
        User user3 = new User(2, "ZJax", "123456");
    }
}

如果方法构造中形参名与属性名相同时,需要使用 this 关键字区分属性与形参。例如上面代码中this.id = id;在这句代码中 this.id 表示这个类的属性 id;id 表示形参 id。