面向对象编程：概念、实践与C++案例分析

### 面向对象编程：概念、实践与 C++ 案例分析 #### 1. 面向对象编程的关键概念 面向对象编程（Object-oriented programming）是一种重要的编程范式，它基于几个核心概念构建。 - **对象（Objects）**：对象包含一个或多个可变组件，并配备了对这些组件进行操作的方法。对象的可变组件通常是私有的，只能通过对象的方法进行访问。对象为我们提供了一种自然的方式来建模现实世界和虚拟世界的实体。例如，飞机的飞行控制程序可以用对象来建模飞机的状态，包括位置、高度、速度、有效载荷和燃油量等。通过对象的方法，可以确保飞机状态的改变符合物理规律，比使用普通变量更可靠。同样，文件、数据库、网页和用户界面组件等虚拟世界的实体也可以用对象来建模。 - **类和子类（Classes and Subclasses）**：类是具有相似可变组件和方法的对象家族。子类通过添加额外的组件和/或额外（或覆盖）的方法来扩展类。每个子类可以有自己的子类，从而构建类的层次结构。 - **继承（Inheritance）**：子类继承（共享）其超类的所有方法，除非子类明确覆盖其中的某些方法。整个类的层次结构可以从祖先类继承方法，这对程序员的生产力有重大影响。 - **包含多态（Inclusion Polymorphism）**：这一概念允许子类的对象被视为其超类的对象。例如，我们可以构建一个不同类对象的异构集合，前提是该集合是根据某个共同的祖先类定义的。 面向对象编程在 20 世纪 90 年代成为主导的编程范式，其成功的原因在于对象能够自然地建模现实世界和虚拟世界的实体，类和类层次结构为构建大型程序提供了高度合适且可重用的单元，并且与面向对象的分析和设计相契合，支持大型软件系统的无缝开发。 #### 2. 面向对象编程的实践 面向对象程序的基本单元是类。类之间可能存在以下关系： - **依赖关系（Dependency）**：一个类的操作调用另一个类的操作。 - **包含或扩展关系（Inclusion or Extension）**：一个类是另一个类的子类。 - **包含关系（Containment）**：一个类的对象包含另一个类的对象。 类类似于类型，其表示由类的可变组件决定。如果可变组件是公共的，其他类可以直接访问它们，从而导致紧密耦合；如果可变组件是私有的，类类似于抽象类型，确保松散耦合，对类表示的更改对其他类的影响很小或没有影响。然而，包含关系是面向对象程序中潜在的紧密耦合源。如果子类可以直接访问其超类的可变组件，两个类将紧密耦合，因为超类可变组件的任何更改都将迫使子类的实现进行更改。在大型类层次结构中，紧密耦合问题尤为显著。 下面是一个简单的面向对象程序架构示例： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(Word - Set):::process -->|contains| B(Word):::process C(SpellChecker):::process -->|calls| A C -->|calls| D(Dictionary):::process D -->|contains| B E(main):::process -->|calls| C F(process - document):::process -->|calls| C G(consult - user):::process -->|calls| C H(save):::process -->|calls| C D -->|load| I(load):::process A -->|add| J(add):::process B -->|get - word| K(get - word):::process B -->|put - word| L(put - word):::process ``` #### 3. C++ 案例分析 C++ 由 Bjarne Stroustrup 设计，他在 1979 年开始通过向 C 语言添加类来扩展它。此后，C++ 通过添加子类、可覆盖（“虚拟”）函数、重载和许多其他特性逐渐发展。1998 年，C++ 达成了国际认可的标准版本，并且其标准化与 C 语言的标准化相协调，确保 C 仍然是 C++ 的一个子集（除了一些小的方面）。 ##### 3.1 值和类型 - **基本类型**：C++ 大部分基本类型来自 C 语言。C++ 有布尔类型 `bool`，但它被归类为整数类型（值为 0 和 1），在实践中似乎使用较少。 - **复合类型**：C++ 的复合类型也大部分来自 C 语言。此外，C++ 支持对象，但实际上它对结构体和对象的区分不大。结构体和对象都可以配备方法，但只有对象支持封装。 - **表达式**：C++ 的表达式库与 C 语言类似，也是一种面向表达式的语言。 - **类型系统**：C++ 的类型系统更为复杂，支持包含多态和重载。而且，C++ 比 C 语言有更强的类型检查。然而，指针算术仍然存在，这会破坏类型检查。例如，如果 `p` 是 `char*` 类型，合法表达式 `p + 7` 也是 `char*` 类型，但结果可能是指向任何类型变量的指针。 ##### 3.2 变量、存储和控制 - **变量**：与 C 语言一样，C++ 支持全局和局部变量。不同的是，C++ 还明确支持堆变量，通过 `new` 分配器创建，通过 `delete` 释放器销毁。 - **异常**：C++ 包含 C 语言的所有命令和顺序器，并且支持异常，异常是普通对象。通常，异常对象在抛出之前被构造，当异常被捕获时，处理程序可以检查它以确定它携带的值。C++ 函数可以指定它可能抛出的异常类别，但不能指定函数永远不会抛出异常。 ##### 3.3 绑定和作用域 C++ 程序由全局类型、全局变量、函数、类和泛型单元（“模板”）的声明组成。主程序是一个名为 `main` 的函数。在 C++ 类声明中，我们声明类的组件：变量、构造函数和方法。在 C++ 函数、构造函数或方法中，我们可以声明形式参数、局部变量和局部类型。C++ 参数或变量可以用 `const` 声明，在这种情况下，它只能被检查而不能被更新。 ##### 3.4 过程抽象 - **函数类型**：C++ 支持函数过程、构造函数和方法。方法与普通函数的区别仅在于它们与对象相关联。函数或方法的结果类型可以是 `void` 或任何其他类型。 - **参数传递**：C++ 支持按值传递和引用传递参数。与 C 语言不同，C++ 不需要我们传递显式指针来实现引用参数的效果。 以下是一个 C++ 函数使用引用参数的示例： ```cp ```