1.4 面向對象技術的相關原則

在介紹完對象和類的基本概念后，本節將介紹面向對象技術的幾個重要的相關原則。對象和類作為面向對象技術的核心，存在著很多與之相關的原則，這些原則決定了面向對象技術的本質特征，只有遵循了這些原則，才是一個符合面向對象技術的方案。

1.4.1 抽象

世界是復雜的，為了處理這種復雜性，需要將其中的內容抽象化。抽象（Abstraction）的過程就是揭示事物區別于其他事物的本質特征的過程，是一個分析和理解問題的過程，這個過程取決于使用者的目的，它應該包括使用者所感興趣的那些職責問題，而忽略掉其他不相關的部分。從對象到類的過程就是抽象的過程，即將所見到的具體實體抽象成概念，從而可以在計算機世界中進行描述和對其采取各種操作。

抽象過程并沒有唯一的答案，同一個實體在不同的業務場景中可能有不同的抽象。同樣是一批人，根據使用選課系統的目的不同，可以將其中的一部分人抽象為老師，而將另一部分人抽象為學生，這個過程與具體應用場景密切相關。這也是面向對象系統中最難應用的一個關鍵技術。

關于抽象的概念，這里可以舉一個簡單的例子。例如，針對“我想買一斤水果”這件事，根據不同人的喜好，會產生不同的實例（有人可能買了一斤香蕉，有人可能買了一斤蘋果，或買了一斤橘子，這都是滿足要求的）。在這里，“水果”就是一個抽象，通過這個抽象概念，可以代表很多種不同的情況，從而適應不同人的胃口，而實際上并不存在水果這個實體（即對象）。面向對象的系統也是這樣的，通過抽象技術，可以使軟件能夠快速適應不斷變更的需求。

1.4.2 封裝

封裝（Encapsulation）是指對象對其訪問者隱藏具體的實現，它是軟件模塊化思想的體現。

通過封裝實現信息隱藏和數據抽象。信息隱藏的出發點是對象的私有數據不能被外界存取，從而保證外界以合法的手段（對象所提供的操作）訪問。同時，將數據抽象為一組行為，而不是內部的具體數據結構，把用戶隔離在實現細節之外，從而使得軟件各個部分依賴于抽象層，各模塊獲得自由。

通過封裝還可以保證數據的一致性。使用傳統的結構化方法，是很難保證這一點的。例如，郵政地址由地址和郵政編碼兩部分組成，而這兩部分信息應該是一致的，北京市市區的郵政編碼應該為100×××，上海市市區的郵政編碼應該為200×××，如果一個北京的地址對應的郵政編碼為200001，這肯定是不正確的，會造成系統異常。因此，為避免這種情況出現，所有操作這個數據結構的程序員必須嚴格遵守一系列業務邏輯規則；否則，很容易破壞數據的一致性。而這在處理大型項目、多人協同開發項目時，是很難保證的。面向對象的封裝就能夠保證這一點，外部用戶并不直接操作這些屬性，而是通過特定的操作來完成指定的運算，外界只知道操作的接口，而不關注具體的業務邏輯規則，從根本上杜絕了數據的不一致問題（見下面的代碼）。

    class ShippingAddress{
        private long cityCode;
        private string address;
        public longModifyAddress(String address)
    }

1.4.3 分解

分解（Decomposition）是指將單個大規模復雜系統劃分為多個不同的小構件。分解后的構件通過抽象和封裝等技術形成相對獨立的單元，這些單元可以獨立地設計和開發，從而實現化繁為簡、分而治之，以應對系統的復雜性，降低軟件開發成本。

在傳統的結構化方法中，開發人員可以通過函數、模塊等進行功能分解，實現模塊化設計，可以通過耦合和內聚來判斷分解的合理性，將系統分解為多個高內聚、低耦合的模塊。而面向對象的分解則更為復雜，在基于類和對象分解的基礎上，還需要進一步考慮類之間依賴程度、復用問題和穩定性問題等，進行合理的打包和分層，從而形成更加復雜的分解結構。

抽象、封裝和分解是系統設計中3個最基本的原則，它們相輔相成。一個對象圍繞著單一的抽象概念建立了一個封裝體，而系統則可以被分解為多個對象，并對這些對象進行進一步打包，從而形成更高層的抽象概念。

1.4.4 泛化

泛化（Generalization）是類與類之間一種非常重要的關系，通過這種關系，一個類可以共享另外一個或多個類的結構和行為。為了實現泛化關系，我們引入了繼承（Inheritance）機制。一個子類（Subclass）繼承一個或多個父類（Superclass），從而實現了不同的抽象層次。這些層次之間所建立的is a或is kind of關系，即為泛化關系。通過這種關系可以很容易地復用已經存在的數據和代碼，并實現多態處理。根據父類的個數不同，存在著單一繼承和多重繼承兩種情況。

單一繼承（Single Inheritance）是指一個類繼承另外一個類，圖1-6展示了兩個單一繼承的實例，類Saving和類Account、類Checking和類Account通過單一繼承構成兩個泛化關系，表明一個存儲賬戶（Saving）是一種賬戶（Account），一個支出賬戶（Checking）也是一種賬戶；它們都包含賬戶的信息（賬號no、用戶名name、余額balance），也都可以進行取款（Withdraw）操作。

圖1-6 單一繼承

多重繼承（Multiple Inheritance）是指一個類繼承另外多個類的屬性和行為。如圖1-7所示，類Bird同時繼承類FlyingThing和類Animal，這是一個多重繼承，表明鳥（Bird）即是一種飛行物（FlyingThing），又是一種動物（Animal）。

圖1-7 多重繼承

在實際系統應用中，對多重繼承的使用一定要謹慎。因為有些編程語言（如Java）不支持多重繼承，這會造成設計方案無法被實現。此外，即使像C++這樣支持多重繼承的語言，在實際應用過程中也會存在諸如名稱沖突、二義性等問題。

泛化關系提供了有效的復用手段，那么在實際應用中，一個子類到底繼承了父類的什么元素呢？繼承后的子類又可以進行什么樣的操作呢？

可以這樣認為，一個子類會繼承父類所有的元素（可能有些元素對于子類不可見），這包括屬性、操作和關系。此外，子類還可以根據自己的需要添加額外的屬性、操作或關系，還可對父類已有的操作進行重新定義。

圖1-8展示了一種繼承層次關系，其中子類（GraduateStudent）從父類（Student）繼承，它繼承了父類全部屬性和操作，所以即使GraduateStudent中沒有定義getName（），其也會從Student中得到getName（）方法的全部實現。此外，子類也會繼承父類中的關系，因此GraduateStudent與Account也有聚合關系。

圖1-8 繼承層次關系

1.4.5 多態

多態（Polymorphism）是在同一外表（接口）下表現出多種行為的能力，它是對象技術的根本特征，是將對象技術稱為面向對象的原因所在。對象技術正是利用多態提供的動態行為特征，來封裝變化、適應變更，以達到系統的穩定目標。

圖1-9展示了一個多態的應用案例。面向對象的多態必須要有泛化關系的支持（有的文獻會把模板這種機制也稱為多態，這種參數化多態不需要泛化關系支持），如Rectangle（矩形）和Circle（圓形）均繼承自Shape（Shape以斜體字表示，表明該類是一個抽象類）。通過Shape提供的接口draw（）實現畫圖功能的多態性，即根據目標的不同畫出不同的形狀。

圖1-9 通過泛化支持多態

現在假設有一個數組sharr，其中放著一排形狀Shape，但不知道哪些是矩形，哪些是圓形。利用多態性，完全可以不關注這些細節，而直接畫出目標形狀（見下面代碼）。

    for(int i=0; i  sharr.length; ++i){
        Shape shape=(Shape)sharr[i];
        shape.draw();
    }

在遍歷整個數組的過程中，各個Shape知道應當如何在畫布上繪制自己的形狀。shape.draw（）這行代碼在Shape指向不同的對象時將表現出不同的行為，這就是所謂多態。

1.4.6 分層

通過分解和抽象可以很容易對系統進行劃分。然而即使是簡單的應用，也可能很難一次性地完成系統的分解——無法想象一次性地將系統分解為幾十個，甚至上百個類。人們往往首先將系統分解成幾個獨立的部分（如先劃分為若干層或若干模塊），然后在此基礎上對每個部分再進一步分解小的部分，這些小的部分有的還可以進一步分解，直至形成最小的獨立單元（如類或函數）。這種逐級分解的思想就是分層。

分層（Hierarchy）是指面向不同的目標建立不同的抽象級別層次，從而在不同的抽象層次對系統進行分解，進一步簡化對系統的理解。在面向對象系統中，主要有兩種層次結構：類層次結構和對象層次結構。

類層次結構是指在不同的抽象級別進行對象的抽象，高層的類抽象層次更高，其描述能力也越強，而越往下抽象層次越低，底層的類則最具體，代表具體的事物。這些類之間通過泛化關系形成一種層次結構，也稱為繼承層次結構。此外，在這種層次結構中，一般同一層次的抽象級別是一樣的。圖1-10展示了一個繼承層次結構的實例，最高層的父類（Food）抽象層次最高，代表所有類型的食物（Food）；第二層的類（Fruit、Vegetable和Meat）則相對要具體一些，代表某一類食物，如水果（Fruit）；而最低層的類抽象層次最低，為具體類，可以實例化對象，本圖中代表具體的食物類型，如蘋果（Apple）、橙子（Orange）等。前兩層的類都是抽象類，不能構造具體的對象（UML類圖中用斜體字表示）。

圖1-10 類的繼承層次結構

類的繼承層次結構是面向對象系統中最普遍的結構，通過這種層次結構，可以分門別類地描述各類事物。很多設計良好的面向對象系統都是基于這種層次結構而構造的。

對象層次結構是指對象間的組成結構，即大的對象由小的對象組成（即分解成小的對象）。這種結構是通過類之間的聚合關系來實現的，也稱為聚合層次結構。這一種整體和部分的關系是逐層分解思想的具體體現。圖1-11給出了一個對象的聚合層次結構的實例，大學（University）由學院（School）和管理部門（Administration）組成，而學院又包含多個系（Department），每個系又由班級（Class）組成；管理部門則包括多個辦公室（Office）。

圖1-11 對象的聚合層次結構

1.4.7 復用

復用（Reuse）是借助于已有軟件的各種有關知識建立新的軟件的過程，以縮減新軟件開發和維護的成本。將軟件看成是由不同功能部分的構件所組成的有機體，每個構件在設計編寫時可以被設計成完成同類工作的通用工具，如果完成各種工作的構件被建立起來以后，編寫特定軟件的工作就變成了將各種不同構件進行組合的簡單問題，從而對軟件產品的最終質量和維護工作都有本質性的改變。第1.2.2小節把“復用”視為面向對象所帶來的優勢之一，而事實上要獲得這種優勢，在設計時就需要遵循復用的原則，設計可復用的構件。

在系統開發的各個階段都可能涉及復用，如從最低層的代碼復用到設計復用、架構復用，再到需求復用，甚至于延伸到特定業務領域的復用。復用原則要求設計者不僅針對當前的業務需求開展設計，還需要考慮業務的通用性和可擴展性等問題，從而設計抽象層次高、復用粒度大的組件。本書將在第6～7章中介紹一些具體用于可復用設計的原則和模式。