深入理解面向对象编程及自定义类创建

# 深入理解面向对象编程及自定义类创建 ## 1. 面向对象编程基础概念 ### 1.1 对象的特性 #### 1.1.1 对象具有状态 对象的状态由其所有属性的值组合而成。例如，以鱼为例，鱼对象有“数量（Number）”和“颜色（Color）”两个属性。不同的鱼对象在这些属性上可能有不同的值，如下表所示： | 属性 | 对象 1 | 对象 2 | | ---- | ---- | ---- | | 数量 | One | Two | | 颜色 | Red | Blue | 对象的状态通常会随着其生命周期而改变。比如，有些鱼会变色，客户的总销售额会随着购买行为而变化，学生的平均绩点会随着新成绩的记录而改变，员工的地址和电话号码会因搬家而变化。 此外，对象的属性有些是公开的，有些则是私有的。私有属性对对象的内部操作至关重要，但外部对象并不知晓它们的存在，就像个人的私密想法一样。在 Java 中，对象的状态由类变量（即字段）表示，使用 `public` 关键字声明的字段是公开字段，能被外部访问。 #### 1.1.2 对象具有行为 对象的行为意味着它们能够执行操作。对象的具体行为取决于其类型，但同一类型的不同实例的行为通常是相同的。例如，教室里所有相同类型的计算器，在进行加法运算时，虽然显示的结果不同（即状态不同），但加法的操作方式是一样的（即行为相同）。 对象具有行为也可以理解为它们为其他对象提供服务。例如，`NumberFormat` 类创建的对象可以提供格式化服务，将数值转换为格式良好的字符串，如 $32.95。在 Java 中，对象的行为由其方法提供，`NumberFormat` 类的 `format` 方法就为 `NumberFormat` 对象提供了格式化行为。 关于对象行为还有两个要点： - 类的接口是类公开的一组方法和字段，供其他对象访问。 - 对象具体如何执行操作应该被隐藏在对象内部，使用对象的人只需知道对象能做什么，而无需了解其实现方式。如果后续找到更好的实现方式，可以替换而不影响其他对象。 ### 1.2 对象的生命周期 在 Java 中，理解对象的生命周期（即对象的诞生、生存和消亡过程）非常重要，其生命周期如下： 1. **类加载**：在从类创建对象之前，需要先加载类。Java 运行时会在磁盘上定位类文件（`.class` 文件）并将其读入内存，然后查找静态初始化器来初始化静态字段（静态字段不属于类的任何特定实例，而是属于类本身，由该类创建的所有对象共享）。类在首次创建对象或首次访问其静态字段或方法时被加载，例如运行类的 `main` 方法时，类会被初始化，因为 `main` 方法是静态的。 2. **对象创建**：使用 `new` 关键字从类创建对象。Java 会为对象分配内存，并设置对该对象的引用，以便 Java 运行时跟踪它。然后调用类的构造函数，构造函数类似于方法，但仅在对象创建时调用一次，负责执行初始化对象所需的处理，如初始化变量、打开文件或数据库等。 3. **对象生存**：对象在其生命周期内，向需要访问其公共方法和字段的对象提供服务。 4. **对象消亡**：当对象不再使用时，Java 的垃圾回收器会将其从内存中移除，并丢弃内部引用，无需手动销毁对象。 ### 1.3 相关类的处理 在实际的面向对象编程中，创建描述紧密相关对象的类是其强大之处。以棒球和垒球为例，它们都是球的特定类型，都有直径和重量，都可以被投掷、接住或击打，但它们在这些操作上的表现有所不同。 如果要创建一个模拟棒球和垒球工作方式的程序，可以有两种选择： - 创建单独的类来表示每种类型的球，由于这些类相似，可以将大部分代码从一个类复制到另一个类。 - 使用一个类来表示两种类型的球，通过向构造函数传递参数来指示该类的实例表现为棒球还是垒球。 Java 提供了两种专门处理此类相关类的面向对象编程特性：继承和接口。 #### 1.3.1 继承 继承是一种让一个类基于另一个类创建的技术。现有类称为基类、超类或父类，从其派生的新类称为派生类、子类或子类。创建子类时，子类会自动获得其父类定义的所有方法和字段，可以直接使用这些方法和字段，也可以重写它们以改变其行为，还可以添加特定于子类的数据和行为的方法和字段。 可以使用继承来解决棒球/垒球问题，创建一个名为 `Ball` 的类，提供所有类型球的基本特征，然后将其作为 `BaseBall` 和 `SoftBall` 类的基类，这些子类可以重写需要不同行为的方法。继承可以看作是实现“是一种”关系的方式，因为垒球和棒球都是球的一种，所以继承是实现这些相关类的合适方法。 #### 1.3.2 接口 接口是一组类为实现该接口必须提供的方法和字段。接口本身只是一组公共方法和字段的声明，不提供实现这些方法的代码，只是提供声明。实现接口的类需要为接口定义的每个方法提供代码。 也可以使用接口来解决棒球/垒球问题，创建一个名为 `Ball` 的接口，指定球应该具备的所有方法和字段，然后创建 `SoftBall` 和 `BaseBall` 类，使它们都实现 `Ball` 接口。 接口与继承密切相关，但有两个关键区别： - 接口本身不提供实现其任何方法的代码，只是一组方法和字段签名；而基类可以为其部分或全部方法提供实现。 - 一个类只能有一个基类，但可以实现任意数量的接口。 ### 1.4 面向对象程序设计 面向对象程序通常是一组协同工作以完成任务的对象。开发面向对象程序最重要的部分是设计用于创建程序对象的类，基本思路是将一个大问题分解为一组大小和复杂度可管理的类，然后编写实现这些类的 Java 代码。 设计面向对象应用程序的任务归结为确定应用程序需要哪些类以及每个类的公共接口应该是什么。如果类设计得好，实现应用程序就会很容易；反之，则会面临困难。 一种常见的设计面向对象应用程序的方法是将应用程序划分为几个不同的层，提供不同类型的功能。最常见的是三层架构，如下图所示： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Presentation):::process --> B(Logic):::process B --> C(Database):::process ``` - **表示层（Presentation）**：该层的对象处理与用户的所有直接交互，如 Web 应用程序中的 HTML 页面，以及基于 GUI 应用程序中的 Swing 页面和框架类。 - **逻辑层（Logic）**：该层的对象代表应用程序的核心对象，对于典型的业务类型