從零開始學習Java編程--理解面向對象編程

Java語言是純粹的面向對象的程序設計語言,這主要表現爲Java完全支持面向對象的三種基本特徵:繼承、封裝和多態。Java語言完全以對象爲中心,Java程序的最小程序單位是類,整個Java程序由一個一個的類組成。

Java完全支持使用對象、類、繼承、封裝、消息等基本概念來進行程序設計,允許從現實世界中客觀存在的事物(即對象)出發來構造軟件系統,在系統構造中儘可能運用人類的自然思維方式。實際上,這些優勢是所有面向對象編程語言的共同特徵。而面向對象的方式實際上由OOA(面向對象分析)、OOD(面向對象設計)和OOP(面向對象編程)三個部分有機組成,其中,OOA和OOD的結構需要使用一種方式來描述並記錄,目前業界統一採用UML(統一建模語言)來描述並記錄OOA和OOD的結果。目前UML的最新版是2.0它一共包括13種類型的圖形,使用這13種圖形中的某些就可以很好地描述並記錄軟件分析、設計的結果。

1、面向對象程序設計簡介

    面向對象的基本思想是使用類、對象、繼承、封裝、消息等基本概念來進行程序設計。

    採用面向對象方式開發的軟件系統,其最小的程序單元是類,這些類可以生成系統中的多個對象,而這些對象則直接映像成客觀世界的各種事物。採用面向對象方式開發的軟件系統邏輯上的組成結構。如圖所示:

                                                 400

從圖上可以看出,面向對象的軟件系統由多個類組成,類代表了客觀世界上具有某種特徵的一類事物往往有一些內部的狀態數據,比如人有身高、體重、年齡、愛好等各種狀態數據--當然程序沒有必要記錄該事物所有的狀態數據,程序只要記錄業務關心的狀態數據即可。

面向對象的語言不僅使用類來封裝一類事物的內部狀態數據,這種狀態數據就對應於圖中的Field;而且類會提供操作這些狀態數據的方法,還會爲這類事物的行爲特徵提供相應的實現,這種實現也是方法。因此:可以得到如下基本等式:

                                                                        Field(狀態數據)+方法(行爲)=類定義

  從這個等式來看,面向對象比面向過程的編程粒度要大;面向對象的程序單位是類;而面向過程的程序單位是函數(相當於方法)因此面向對象比面向過程更簡單、易用。我們舉個例子來說,希望完成“豬八戒吃西瓜”這樣一件事情。

                         面向過程的思維:吃(豬八戒,西瓜);     面向對象的思維:豬八戒.吃(西瓜);

2、UML(統一建模語言)介紹

   面向對象軟件開發需要經過OOA(面向對象分析)、OOD(面向對象設計)和OOP(面向對象編程)三個階段,OOA對目標系統進行分析,建立分析模型,並將之文檔化;OOD用面向對象的思想對OOA的結果進行細化,得出設計模型。OOA和OOD的分析、設計結果需要統一的符號來描述、交流並記錄,UML就是這種用於描述、記錄OOA和OOD結果的符號表示法。UML2.0分爲靜態圖和動態圖兩種。如下圖所示:

                                     UML2.0

   平時最常用的UML圖包括用例圖、類圖、組件圖、部署圖、順序圖、活動圖和狀態機圖等。

   以下圖示轉載於IBM網站:http://www.ibm.com/developerworks/cn/rational/r-uml/

    (1)用例圖

          用例圖描述了系統提供的一個功能單元。用例圖的主要目的是幫助開發團隊以一種可視化的方式理解系統的功能需求,包括基於基本流程的"角色"(actors,也就是與系統交互的其他實體)關係,以及系統內用例之間的關係。用例圖一般表示出用例的組織關係--要麼是整個系統的全部用例,要麼是完成具有功能(例如,所有安全管理相關的用例)的一組用例。要在用例圖上顯示某個用例,可繪製一個橢圓,然後將用例的名稱放在橢圓的中心或橢圓下面的中間位置。要在用例圖上繪製一個角色(表示一個系統用戶),可繪製一個人形符號。角色和用例之間的關係使用簡單的線段來描述,如圖所示

                                                           image001

圖字(從上到下):CD銷售系統;查看樂隊CD的銷售統計;樂隊經理;查看Billboard 200排行榜報告;唱片經理;查看特定CD的銷售統計;檢索最新的Billboard 200排行榜報告;排行榜報告服務

用例圖通常用於表達系統或者系統範疇的高級功能。如圖所示,可以很容易看出該系統所提供的功能。這個系統允許樂隊經理查看樂隊CD的銷售統計報告以及Billboard 200排行榜報告。它也允許唱片經理查看特定CD的銷售統計報告和這些CD在Billboard 200排行榜的報告。這個圖還告訴我們,系統將通過一個名爲"排行榜報告服務"的外部系統提供Billboard排行榜報告。

此外,在用例圖中,沒有列出的用例表明了該系統不能完成的功能。例如,它不能提供給樂隊經理收聽Billboard 200上不同專輯中的歌曲的途徑 -- 也就是說,系統沒有引用一個叫做"收聽Billboard 200上的歌曲"的用例。這種缺少不是一件小事。在用例圖中提供清楚的、簡要的用例描述,項目贊助商就很容易看出系統是否提供了必須的功能。

    (2)類圖

類圖表示不同的實體(人、事物和數據)如何彼此相關;換句話說,它顯示了系統的靜態結構。類圖可用於表示邏輯類,邏輯類通常就是業務人員所談及的事物種類--搖滾樂隊、CD、廣播劇;或者貸款、住房抵押、汽車信貸以及利率。類圖還可用於表示實現類,實現類就是程序員處理的實體。實現類圖或許會與邏輯類圖顯示一些相同的類。然而,實現類圖不會使用相同的屬性來描述,因爲它很可能具有對諸如Vector和HashMap這種事物的引用。

類在類圖上使用包含三個部分的矩形來描述,如圖所示。最上面的部分顯示類的名稱,中間部分包含類的屬性,最下面的部分包含類的操作(或者說"方法")。

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幾乎每個開發人員都知道這個類圖是什麼,但是我發現大多數程序員都不能正確地描述類的關係。對於像下圖這樣的類圖,您應該使用帶有頂點指向父類的箭頭的線段來繪製繼承關係1,並且箭頭應該是一個完全的三角形。如果兩個類都彼此知道對方,則應該使用實線來表示關聯關係;如果只有其中一個類知道該關聯關係,則使用開箭頭表示。

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   在圖中,我們同時看到了繼承關係和兩個關聯關係。CDSalesReport類繼承自Report類。一個CDSalesReport類與一個CD類關聯,但是CD類並不知道關於CDSalesReport類的任何信息。CD類和Band類都彼此知道對方,兩個類彼此都可以與一個或者多個對方類相關聯。

    (3)組件圖

組件圖提供系統的物理視圖。它的用途是顯示系統中的軟件對其他軟件組件(例如,庫函數)的依賴關係。組件圖可以在一個非常高的層次上顯示,從而僅顯示粗粒度的組件,也可以在組件包層次2上顯示。

組件圖的建模最適合通過例子來描述。圖顯示了4個組件:Reporting Tool、Billboard Service、Servlet 2.2 API和JDBC API。從Reporting Tool組件指向Billboard Service、Servlet 2.2 API和JDBC API組件的帶箭頭的線段,表示Reporting Tool依賴於那三個組件。

  image007

    (4)部署圖

部署圖表示該軟件系統如何部署到硬件環境中。它的用途是顯示該系統不同的組件將在何處物理地運行,以及它們將如何彼此通信。因爲部署圖是對物理運行情況進行建模,系統的生產人員就可以很好地利用這種圖。

部署圖中的符號包括組件圖中所使用的符號元素,另外還增加了幾個符號,包括節點的概念。一個節點可以代表一臺物理機器,或代表一個虛擬機器節點(例如,一個大型機節點)。要對節點進行建模,只需繪製一個三維立方體,節點的名稱位於立方體的頂部。所使用的命名約定與序列圖中相同:[實例名稱] : [實例類型](例如,"w3reporting.myco.com : Application Server")。

 image007 (1)

部署圖。由於Reporting Tool組件繪製在IBM WebSphere內部,後者又繪製在節點w3.reporting.myco.com內部,因而我們知道,用戶將通過運行在本地機器上的瀏覽器來訪問Reporting Tool,瀏覽器通過公司intranet上的HTTP協議與Reporting Tool建立連接。

圖中的部署圖表明,用戶使用運行在本地機器上的瀏覽器訪問Reporting Tool,並通過公司intranet上的HTTP協議連接到Reporting Tool組件。這個工具實際運行在名爲w3reporting.myco.com的Application Server上。這個圖還表明Reporting Tool組件繪製在IBM WebSphere內部,後者又繪製在w3.reporting.myco.com節點內部。Reporting Tool使用Java語言通過IBM DB2數據庫的JDBC接口連接到它的報告數據庫上,然後該接口又使用本地DB2通信方式,與運行在名爲db1.myco.com的服務器上實際的DB2數據庫通信。除了與報告數據庫通信外,Report Tool組件還通過HTTPS上的SOAP與Billboard Service進行通信。

    (5)順序圖

序列圖顯示具體用例(或者是用例的一部分)的詳細流程。它幾乎是自描述的,並且顯示了流程中中不同對象之間的調用關係,同時還可以很詳細地顯示對不同對象的不同調用。

序列圖有兩個維度:垂直維度以發生的時間順序顯示消息/調用的序列;水平維度顯示消息被髮送到的對象實例。

序列圖的繪製非常簡單。橫跨圖的頂部,每個框(參見圖4)表示每個類的實例(對象)。在框中,類實例名稱和類名稱之間用空格/冒號/空格來分隔,例如,myReportGenerator : ReportGenerator。如果某個類實例向另一個類實例發送一條消息,則繪製一條具有指向接收類實例的開箭頭的連線,並把消息/方法的名稱放在連線上面。對於某些特別重要的消息,您可以繪製一條具有指向發起類實例的開箭頭的虛線,將返回值標註在虛線上。就我而言,我總喜歡繪製出包括返回值的虛線,這些額外的信息可以使得序列圖更易於閱讀。

閱讀序列圖也非常簡單。從左上角啓動序列的"驅動"類實例開始,然後順着每條消息往下閱讀。記住:雖然圖4所示的例子序列圖顯示了每條被髮送消息的返回消息,但這只是可選的。

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圖4:一個示例序列圖

通過閱讀圖4中的示例序列圖,您可以明白如何創建一個CD銷售報告(CD Sales Report)。其中的aServlet對象表示驅動類實例。aServlet向名爲gen的ReportGenerator類實例發送一條消息。該消息被標爲generateCDSalesReport,表示ReportGenerator對象實現了這個消息處理程序。進一步理解可發現,generateCDSalesReport消息標籤在括號中包括了一個cdId,表明aServlet隨該消息傳遞一個名爲cdId的參數。當gen實例接收到一條generateCDSalesReport消息時,它會接着調用CDSalesReport類,並返回一個aCDReport的實例。然後gen實例對返回的aCDReport實例進行調用,在每次消息調用時向它傳遞參數。在該序列的結尾,gen實例向它的調用者aServlet返回一個aCDReport。

請注意:圖4中的序列圖相對於典型的序列圖來說太詳細了。然而,我認爲它纔是足夠易於理解的,並且它顯示瞭如何表示嵌套的調用。對於初級開發人員來說,有時把一個序列分解到這種詳細程度是很有必要的,這有助於他們理解相關的內容。

    (6)活動圖

活動圖表示在處理某個活動時,兩個或者更多類對象之間的過程控制流。活動圖可用於在業務單元的級別上對更高級別的業務過程進行建模,或者對低級別的內部類操作進行建模。根據我的經驗,活動圖最適合用於對較高級別的過程建模,比如公司當前在如何運作業務,或者業務如何運作等。這是因爲與序列圖相比,活動圖在表示上"不夠技術性的",但有業務頭腦的人們往往能夠更快速地理解它們。

活動圖的符號集與狀態圖中使用的符號集類似。像狀態圖一樣,活動圖也從一個連接到初始活動的實心圓開始。活動是通過一個圓角矩形(活動的名稱包含在其內)來表示的。活動可以通過轉換線段連接到其他活動,或者連接到判斷點,這些判斷點連接到由判斷點的條件所保護的不同活動。結束過程的活動連接到一個終止點(就像在狀態圖中一樣)。作爲一種選擇,活動可以分組爲泳道(swimlane),泳道用於表示實際執行活動的對象,如圖6所示。

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圖6:活動圖,具有兩個泳道,表示兩個對象的活動控制:樂隊經理,以及報告工具

圖字(沿箭頭方向):樂隊經理;報告工具;選擇"查看樂隊的銷售報告";檢索該樂隊經理所管理的樂隊;顯示報告條件選擇屏幕;選擇要查看其銷售報告的樂隊;從銷售數據庫檢索銷售數據;顯示銷售報告。

該活動圖中有兩個泳道,因爲有兩個對象控制着各自的活動:樂隊經理和報告工具。整個過程首先從樂隊經理選擇查看他的樂隊銷售報告開始。然後報告工具檢索並顯示他管理的所有樂隊,並要求他從中選擇一個樂隊。在樂隊經理選擇一個樂隊之後,報告工具就檢索銷售信息並顯示銷售報告。該活動圖表明,顯示報告是整個過程中的最後一步。

 

以上圖轉載於IBM公司網站:http://www.ibm.com/developerworks/cn/rational/r-uml/

    

3、Java的面向對象特徵

    面向對象方法具有三個基本特徵:封裝(Encapsulation)、繼承(Inheritance)和多態(Polymorphism),其中封裝指的是將對象的實現細節隱藏起來,然後通過一些公用方法來暴露該對象的功能;繼承是面向對象實現軟件複用的重要手段,當子類繼承父類後,子類作爲一種特殊的父類,將直接獲得父類的屬性和方法;多態指是的子類對象可以直接賦給父類變量,但運行時依然表現出子類的行爲特徵,

    面向對象還支持如下幾個功能:

     1)對象是面向對象方法中最基本的概念,它的基本特點是:標識唯一性、分類性、多態性、封裝性、模塊獨立性好。

     2)類是具有共同屬性、共同方法的一類事物。類是對象的抽象;對象則是類的實例。而類是整個軟件系統最小的程序單元,類的封裝性將各種信息細節隱藏起來,並通過公用方法來暴露該類對所提供的功能,從而提高了類的內聚性,降低了對象之間的耦合性。

     3)對象間的這種相互合作需要一個機制協助進行,這樣的機制稱爲“消息”。消息是一個實例與另一個實例之間相互通信的機制。

     4)在面向對象方法中,類之間共享屬性和操作的機制稱爲繼承。繼承具有傳遞性。繼承可分爲單繼承(一個繼承只允許有一個直接父類,即類等級爲樹形結構)與多繼承(一個類允許有多個直接父類),但Java不支持多繼承。

在Java語言中除了8個基本數據類型值之外,一切都是對象,而對象就是面向對象程序設計的中心。對象具有狀態,一個對象用數據值來描述它的狀態。Java通過對對象定義Field(以前常被稱爲屬性,現在也稱字段)來描述對象的狀態;對象還有操作,這些操作可以改變對象的狀態,對象的操作也被稱爲對象的行爲,Java通過爲對象定義方法來描述對象的行爲。

       對象是Java程序的核心,所以在Java裏的對象具有唯一性,每個對象都有一個標識來引用它,如果某個對象失去了標識,這個對象將變成垃圾,只能等着系統垃圾回收機制來回收它。Java語言不允許直接訪問對象,而是通過對對象的引用來操作對象。

在Java語言使用class關鍵字定義類,定義類時可使用Field來描述該類對象的數據,可使用方法來描述該類對象的行爲特徵。Java語言使用extends關鍵字來表示繼承關係。

Java使用new關鍵字來創建指定類的對象,每個類可以創建任意多個對象,多個對象的Field值可以不同。

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