8.1 面向對象編程的含義

面向對象編程解決了傳統編程技巧的許多問題。前面介紹的編程方法稱為函數（或過程）化編程，常會導致所謂的單一應用程序，即所有功能都包含在幾個代碼模塊（常常是一個代碼模塊）中。而使用OOP技術，常常要使用許多代碼模塊，每個模塊都提供特定功能。而且，每個模塊都是孤立的，甚至與其他模塊完全獨立。這種模塊化編程方法提供了非常大的多樣性，大大增加了重用代碼的機會。

為進一步說明這個問題，把計算機上的一個高性能應用程序想象成一輛一流賽車。如果使用傳統的編程技巧，這輛賽車就是一個單元。如果要改進這輛車，就必須替換整車，把它送回廠商那里，讓汽車專家升級它，或者購買一輛新車。如果使用OOP技術，就只需要從廠商處購買新的引擎，自己按照其說明替換它，而不必用鋼鋸切割車體。

在傳統應用程序中，執行流常是簡單的、線性的。把應用程序加載到內存中，從A點開始執行，在B點結束，然后從內存中卸載，在這個過程中可能用到其他各種實體，例如存儲介質上的文件或顯卡的功能，但處理的主體總是位于一個地方。用到的代碼一般與使用各種數學和邏輯方式處理數據相關。處理方法通常比較簡單，使用基本的數據類型（例如整型和布爾值）建立比較復雜的數據表達方式。

而使用OOP，事情就不是這么直接了。盡管可以獲得相同的效果，但其實現方式是完全不同的。OOP技術以結構、數據的含義以及數據和數據之間的交互操作為基礎。這通常意味著要把更多精力放在項目的設計階段，其好處是項目的可擴展性比較高。一旦對某種類型的數據的表達方式達成一致，這種表達方式就會應用到應用程序以后的版本中，甚至是全新應用程序中。這種一致的表達方式可以極大地縮短開發時間。這就是上述賽車示例的工作原理。這里的一致是指“引擎”的代碼是結構化的，這樣就可以很容易地替換成新代碼（即新引擎），而不需要找廠商幫忙。這也表示，引擎創建出來后可用于其他目的，可以把它安裝到另一輛車上，或者用它驅動潛艇。

除了數據表達方式的一致性外，OOP編程還常可以簡化任務，因為較抽象實體的結構和用法也是一致的。例如，不僅把輸出結果發送給設備（如打印機）所使用的數據格式是一致的，而且與該設備交換數據的方法也是一致的，這包括它理解的指令等。回到賽車示例上，要達成的一致做法包括引擎如何連接到油箱，如何把驅動力傳送給車輪等。

顧名思義，OOP技術要使用對象。

8.1.1 對象的含義

對象就是OOP應用程序的一個組成部件。這個組成部件封裝了部分應用程序，這部分程序可以是一個過程、一些數據或一些更抽象的實體。

簡單地說，對象非常類似于本書前面討論的結構類型，包含變量成員和函數類型。它所包含的變量組成了存儲在對象中的數據，其中包含的函數可以訪問對象的功能。略為復雜的對象可能不包含任何數據，而只包含函數，表示一個過程。例如，可以使用表示打印機的對象，其中的函數可以控制打印機（允許打印文檔、測試頁等）。

C#中的對象是從類型中創建的，就像前面的變量一樣。對象的類型在OOP中有一個特殊名稱：類。可以使用類的定義實例化對象，這表示創建該類的一個命名實例。“類的實例”和對象的含義相同，但“類”和“對象”是完全不同的概念。

本章將使用統一建模語言（Unified Modeling Language, UML）語法研究類和對象。UML是為應用程序建模而設計的，從組成應用程序的對象，到它們執行的操作，到我們希望有的用例，應有盡有。這里只使用這門語言的基本部分，在使用它們的過程中進行解釋，但不考慮比較復雜的部分，因為UML是一個很專業的主題，有很多圖書專門介紹它。

圖8-1是打印機類Printer的UML表示方法。類名顯示在這個框的頂部（后面將論述下面兩個區域）。

圖8-2是這個Printer類的一個實例myPrinter的UML表示方法。

在頂部，首先顯示實例名，其后是類名。這兩個名稱用一個冒號分隔。

1．屬性和字段

可以通過屬性和字段訪問對象中包含的數據。這個對象數據可以用于區分不同的對象，因為同一個類的不同對象在屬性和字段中存儲了不同的值。

包含在對象中的不同數據構成了對象的狀態。假定一個對象類表示一杯咖啡，稱為CupOfCoffee。在實例化這個類（即創建這個類的對象）時，必須提供對類有意義的狀態。此時可以使用屬性和字段，讓代碼能通過該對象設置要使用的咖啡品牌，咖啡中是否加牛奶或方糖，咖啡是否即溶等。于是，給定的這杯咖啡對象就有了指定的狀態，例如，加牛奶和兩塊方糖的哥倫比亞過濾咖啡。

字段和屬性都可以鍵入，所以可以把信息存儲在字段和屬性中，作為string值、int值等。但屬性與字段是不同的，因為屬性不提供對數據的直接訪問。對象能讓用戶不考慮數據的細節，不需要在屬性中用一對一的方式表示。如果在CupOfCoffee實例中使用一個字段表示方糖的數量，用戶就可以在該字段中放置自己喜歡的值，其取值范圍僅由存儲該信息的類型來限制。例如，如果使用int來存儲這個數據，用戶就可以使用-2147483648至2147483647之間的任意值，如第3章所述。顯然，并不是所有的值都有意義，尤其是負值，一些較大的正值將需要非常大的咖啡杯。但如果使用一個屬性來表示，就可以限制這個值，例如介于0和2之間的一個數字。

一般情況下，在訪問狀態時最好提供屬性而不是字段，因為這樣可以更好地控制各種行為，這個選擇不會影響使用對象實例的代碼，因為使用屬性和字段的語法是相同的。

對屬性的讀寫訪問也可以由對象來明確定義。某些屬性是只讀的，只能查看它們的值，而不能改變它們（至少不能直接改變）。這常常是同時讀取幾個狀態的一個有效技巧。CupOfCoffee類有一個只讀屬性Description，在請求它時，就返回一個字符串，表示該類的一個實例的狀態（例如前面給出的字符串）。也可以通過查看幾個屬性，把相同的數據組合起來，但這樣的屬性可以節省時間和精力。還可以有只寫的屬性，其操作方式是類似的。

除了對屬性的讀/寫訪問外，還可以為字段和屬性指定另一種訪問權限，稱為可訪問性。可訪問性確定了什么代碼可以訪問這些成員，它們可用于所有代碼（公共）還是只能用于類中的代碼（私有），或者使用更復雜的模式（詳見本章后面的內容）。常見的情況是把字段設置為私有，通過公共屬性訪問它們。這樣，類中的代碼就可以直接訪問存儲在字段中的數據，而公共屬性禁止外部用戶訪問這些數據，以防他們在其中放置無效的內容。公共成員是類公開的成員。

要更清晰地闡明這個問題，可以把可訪問性與變量的作用域等同起來。例如，私有字段和屬性可以看成擁有它們的對象的局部成員，而公共字段和屬性的作用域也包括對象以外的代碼。

在類的UML表示方法中，用第二部分顯示屬性和字段，如圖8-3所示。

這是CupOfCoffee類的表示方式，前面為它定義了5個成員（屬性或字段，在UML中，它們沒有區別）。每個成員都包含下述信息：

● 可訪問性：+號表示公共成員，-號表示私有成員。但一般情況下，本章的圖中不顯示私有成員，因為這些信息是類內部的信息。至于讀/寫訪問，則不提供任何信息。

● 成員名。

● 成員的類型。

冒號用于分隔成員名和類型。

2．方法

“方法”這個術語用于表示對象中的函數。這些函數調用的方式與其他函數相同，使用返回值和參數的方式也相同（詳見第6章）。

方法用于訪問對象的功能。與字段和屬性一樣，方法也可以是公共的或私有的，按照需要限制外部代碼的訪問。它們通常使用對象的狀態來影響它們的操作，在需要時訪問私有成員，如私有字段。例如，CupOfCoffee類定義了一個方法AddSugar（），該方法對遞增方糖數提供了比設置相應的Sugar屬性更易讀的語法。

在UML的類框中，方法顯示在第三部分，如圖8-4所示。

其語法類似于字段和屬性，但最后顯示的類型是返回類型，在這一部分，還顯示了方法的參數。在UML中，每個參數都帶有下述標識符之一：return、in、out或inout。它們用于表示數據流的方向，其中out和inout大致對應于第6章討論的C#關鍵字out和ref。in大致對應于C#中不使用這兩個關鍵字的情形（默認情形）。return表示傳回調用方法的值。

8.1.2 一切皆對象

本書一直在使用對象、屬性和方法。實際上，C#和.NET Framework中的所有東西都是對象。控制臺應用程序中的Main（）函數就是類的一個方法。前面介紹的每個變量類型都是一個類。前面使用的每個命令都是屬性或方法，例如<String>.Length和<String>.ToUpper（）等。句點字符把對象實例名與屬性或方法名分隔開來，方法名后面的（）把方法與屬性區分開來。

對象無處不在，使用它們的語法通常比較簡單，至少到現在為止都足夠簡單，使我們可以集中精力討論C#中一些比較基礎的方面。從現在開始詳細介紹對象。這里討論的概念都具有深遠影響，它們甚至適用于簡單的int變量。

8.1.3 對象的生命周期

每個對象都有一個明確定義的生命周期，除了“正在使用”的正常狀態之外，還有兩個重要的階段：

● 構造階段：第一次實例化一個對象時，需要初始化該對象。這個初始化過程稱為構造階段，由構造函數完成。

● 析構階段：在刪除一個對象時，常常需要執行一些清理工作，例如釋放內存，這由析構函數完成。

1．構造函數

對象的初始化過程是自動完成的。我們不需要自己尋找適于存儲新對象的內存空間。但是，在初始化對象的過程中，有時需要執行一些額外工作。例如，需要初始化對象存儲的數據。構造函數就是用于初始化數據的函數。

所有的類定義都至少包含一個構造函數。在這些構造函數中，可能有一個默認構造函數，該函數沒有參數，與類同名。類定義還可能包含幾個帶有參數的構造函數，稱為非默認的構造函數。代碼可以使用它們以許多方式實例化對象，例如給存儲在對象中的數據提供初始值。

在C#中，用new關鍵字來調用構造函數。例如，可用下面的方式通過其默認的構造函數實例化一個CupOfCoffee對象：

        CupOfCoffee myCup = new CupOfCoffee();

還可以用非默認的構造函數來實例化對象。例如，CupOfCoffee類有一個非默認的構造函數，它使用一個參數在初始化時設置咖啡豆的品牌：

        CupOfCoffee myCup = new CupOfCoffee("Blue Mountain");

構造函數與字段、屬性和方法一樣，可以是公共或私有的。在類外部的代碼不能使用私有構造函數實例化對象，而必須使用公共構造函數。這樣，通過把默認構造函數設置為私有的，就可以強制類的用戶使用非默認的構造函數。

一些類沒有公共的構造函數，外部的代碼就不可能實例化它們，這些類稱為不可創建的類，但如稍后所述，這些類并不是完全沒有用的。

2．析構函數

.NET Framework使用析構函數來清理對象。一般情況下，不需要提供析構函數的代碼，而由默認的析構函數自動執行操作。但是，如果在刪除對象實例前需要完成一些重要操作，就應提供具體的析構函數。

例如，如果變量超出了范圍，代碼就不能訪問它，但該變量仍存在于計算機內存的某個地方。只有在．NET運行程序執行其垃圾回收，進行清理時，該實例才被徹底刪除。

8.1.4 靜態成員和實例類成員

屬性、方法和字段等成員是對象實例所特有的，此外，還有靜態成員（也稱為共享成員，尤其是Visual Basic用戶常使用這個術語），例如靜態方法、靜態屬性或靜態字段。靜態成員可以在類的實例之間共享，所以可以將它們看成類的全局對象。靜態屬性和靜態字段可以訪問獨立于任何對象實例的數據，靜態方法可以執行與對象類型相關但與對象實例無關的命令。在使用靜態成員時，甚至不需要實例化對象。

例如，前面使用的Console.WriteLine（）和Convert.ToString（）方法就是靜態的，根本不需要實例化Console或Convert類（如果試著進行這樣的實例化，操作會失敗，因為這些類的構造函數不是可公共訪問的，如前所述）。

許多情況下，靜態屬性和靜態方法有很好的效果。例如，可以使用靜態屬性跟蹤給類創建了多少個實例。在UML語法中，類的靜態成員帶有下劃線，如圖8-5所示。

1．靜態構造函數

使用類中的靜態成員時，需要預先初始化這些成員。在聲明時，可以給靜態成員提供一個初始值，但有時需要執行更復雜的初始化操作，或者在賦值、執行靜態方法之前執行某些操作。

使用靜態構造函數可以執行此類初始化任務。一個類只能有一個靜態構造函數，該構造函數不能有訪問修飾符，也不能帶任何參數。靜態構造函數不能直接調用，只能在下述情況下執行：

● 創建包含靜態構造函數的類實例時

● 訪問包含靜態構造函數的類的靜態成員時

在這兩種情況下，會首先調用靜態構造函數，之后實例化類或訪問靜態成員。無論創建了多少個類實例，其靜態構造函數都只調用一次。為了區分靜態構造函數和本章前面介紹的構造函數，也將所有非靜態構造函數稱為實例構造函數。

2．靜態類

我們常常希望類只包含靜態成員，且不能用于實例化對象（如Console）。為此，一種簡單的方法是使用靜態類，而不是把類的構造函數設置為私有。靜態類只能包含靜態成員，不能包含實例構造函數，因為按照定義，它根本不能實例化。但靜態類可以有一個靜態構造函數，如上一節所述。