第五章 面向对象编程（一）

第五章面向对象编程（一）

 

 

面向对象编程（Object-oriented programming）是第三种编程模式（paradigm）。有趋势表明，函数范式与面向对象范式有竞争，但是，我认为，把它们可以在一起很好地工作，能形成互补，这一章中我们会有演示。面向对象编程的核心是几个简单思想，有时也称为原则：封装（encapsulation）、多态（polymorphism）和继承（inheritance）

第一个原则，也可能是最重要的原则就是封装，其思想是这样的，实现和状态应该被封装，或隐藏在明确定义的边界之后，这样，更易于管理程序的结构。在 F# 中，隐藏的办法除了可以简单地定义成本地表达式或类构造之外，还可以使用模块和类型定义签名（signatures）（这两方面，本章后面都会讨论）。

第二个原则，多态，即，可以用多种方法实现抽象实体。我们已经碰到过大量抽象实体了，比如函数类型。函数类型之所以是抽象的，是因为我们可以用许多不同的方法实现一个有指定类型的函数，比如，函数的类型为int -> int，它可以实现为加上给定参数的函数，减少给定参数的函数，或者一个百万数列中的一项。还可以在已有的抽象组件之外构建抽象实体，比如，定义在.NET BCL 中的接口类型；还可能通过用户定义的接口类型，构建更复杂的抽象实体。接口类型的好处是可以按层次组织，也称为接口继承（interface inheritance）。比如，在 .NETBCL 中的集合类型就是分层次的，分布在System.Collections 和System.Collections.Generic 命名空间中。

在面向对象编程中，实现片段也可以分层次组织，这就称为实现继承（implementation inheritance），它在 F# 编程中往往并不重要，因为函数编程本身对定义和共享实现片段提供了更多的灵活性。然而，对于一些特定领域会很重要，比如，图形用户界面（graphical user interface，GUI）的编程。

面向对象编程的原则不仅重要，而且成为围绕系统名词的值组织代码，并针对这些值提供操作的成员、函数或方法的同义词，这通常很简单，就像把以这种风格写的函数，其中函数应用到值（如 String.Length s），重写成点符号（比如 s.Length）一样，这样的简化使代码更好理解。在这一章，我们会看到如何在 F# 中附加成员到类、类型上，只要需要，可以所有代码按面向对象风格重新组织。

F# 提供了丰富的面向对象编程模型，用来创建类、接口和对象，与通过 C# 和 VB.NET 创建的行为非常相似。可能更为重要的是，在 F# 中创建的类，与使用其他语言创建的类，当在一个库函数中，从这个库的使用者来看，是难以区分的。当然，面向对象编程不仅仅是定义对象那么简单，我们将会看到，如何以面向对象风格使用 F# 本地类型编程。

 

 

记录作对象（Records AsObjects）

 

在第三章中，我们看到用记录类型模拟类似对象的行为是可能的，这是因为记录能够有这样的字段，是函数，可以模拟对象的方法。与 F# 的类相比，这项技术既有限制，也有优势。

在记录定义中，只要给出函数的类型（或者叫签名（signature）可能更好），因此，可以很容易交换实现，而不必像在其他面向对象编程中那样定义派生类。在本章后面的“对象表达式”和“继承”中会有更多的讨论。

我们看一个简单的例子，演示如何使用记录作对象。它定义了一个类型 Shape，有两个成员：第一个是 reposition，函数类型，移动图形；第二个 draw，绘制图形。使用函数 makeShap 新建 Sharp 类型的实例；makeShape 函数实现重新定位功能，参数 initPos 保存在可变的引用（ref）单元中，调用函数 reposition 进行更新。这就是说，图形的位置被封装，只能通过成员 reposition 访问，以这种方法隐藏值在 F# 编程中很常用。

 

open System.Drawing

// aShape record that will act as our object

type Shape =

  { Reposition: Point -> unit;

    Draw: unit -> unit }

 

//create a new instance of Shape

let makeShape initPosdraw =

  // currPos is the internal state of the object

  let currPos = ref initPos

  { Reposition =

      // the Reposition member updates the internal state

      (fun newPos -> currPos := newPos);

    Draw =

      // draw the shape passing the current position

      // to given draw function

      (fun () -> draw !currPos); }

 

//"draws" a shape, prints out the shapes name and position

let draw shape (pos:Point) =

  printfn "%s, with x = %iand y = %i"

    shape pos.X pos.Y

 

//creates a new circle shape

let circle initPos =

  makeShape initPos (draw "Circle")

 

//creates a new square shape

let square initPos =

  makeShape initPos (draw "Square")

 

//list of shapes in their inital positions

let shapes =

  [ circle (new Point (10,10));

    square (new Point (30,30)) ]

 

//draw all the shapes

let drawShapes() =

  shapes |> List.iter (fun s -> s.Draw())

 

let main() =

  drawShapes() // draw the shapes

  // move all the shapes

  shapes |> List.iter (fun s -> s.Reposition (new Point (40,40)))

  drawShapes() // draw the shapes

 

//start the program

do main()

 

运行结果如下：

 

Circle, with x = 10 and y = 10

Square, with x = 30 and y = 30

Circle, with x = 40 and y = 40

Square, with x = 40 and y = 40

 

这个例子似乎没有意义，但是，有了这项技术就能做得更多。很自然，下面的例子将在窗体上画出真正的图形。

 

open System

open System.Drawing

openSystem.Windows.Forms

 

// aShape record that will act as our object

type Shape =

  { Reposition: Point -> unit;

    Draw : Graphics -> unit }

 

//create a new instance of Shape

let movingShape initPosdraw =

  // currPos is the internal state of the object

  let currPos = ref initPos in

  { Reposition =

      // the Reposition member updates the internal state

      (fun newPos -> currPos := newPos);

    Draw =

      // draw the shape passing the current position

      // and graphics object to given draw function

      (fun g -> draw !currPos g); }

 

//create a new circle Shape

let movingCircleinitPos diam =

  movingShape initPos (fun pos g ->

  g.DrawEllipse(Pens.Blue,pos.X,pos.Y,diam,diam))

 

//create a new square Shape

let movingSquareinitPos size =

  movingShape initPos (fun pos g ->

 g.DrawRectangle(Pens.Blue,pos.X,pos.Y,size,size) )

 

//list of shapes in their inital positions

let shapes =

  [ movingCircle (new Point (10,10)) 20;

    movingSquare (new Point (30,30)) 20;

    movingCircle (new Point (20,20)) 20;

    movingCircle (new Point (40,40)) 20;]

 

//create the form to show the items

let mainForm =

  let form = new Form()

  let rand = new Random()

  // add an event handler to draw the shapes

  form.Paint.Add(fun e ->

    shapes |> List.iter (fun s ->

      s.Draw e.Graphics))

  // add an event handler to move the shapes

  // when the user clicks the form

  form.Click.Add(fun e ->

    shapes |> List.iter (fun s ->

    s.Reposition(newPoint(rand.Next(form.Width),

                          rand.Next(form.Height)))

    form.Invalidate()))

  form

 

//Show the form and start the event loop

[<STAThread>]

doApplication.Run(mainForm)

 

程序产生一个图形界面，如图 5-1 所示。

图 5-1 用记录模拟对象绘制图形

 

再次，定义记录类型 Shape，它有两个成员 Reposition 和 Rraw；然后，定义函数 makeCircle 和 makeSquare 绘制不同的图形，并用它定义一个 Shape [ 类型 ]的记录列表；最后，定义窗体处理这些记录。这里，必须多做一些事情，因为没有使用继承，BCL的 System.Winows.Forms.Form 根本不知道有关 Sharp 对象，因此，必须对这个列表进行迭代，显式绘制每一个图形。实际上，也相当简单，只要三行代码，添加一个事件处理程序到mainForm 的 Paint 事件中。

 

temp.Paint.Add(

  fune ->

   List.iter (fun s -> s.draw e.Graphics) shapes);

 

这个例子演示了如何可以快速创建多功能记录，而不用担心由于继承带来的不必要的功能。

在下一节还将看到，以更加自然地方法表现操作：为 F# 类型添加成员。

 

 

有成员的F# 类型

 

可以为F# 的记录和联合类型添加函数。调用添加到记录或联合类型的函数可以用点符号，就像是调用非 F# 写的库函数中的类成员一样；同时，对于向其他.NET 语言提供用F# 定义的类型也是很有用的。（这些会在第十三章有更详细地讨论。）许多程序员可能更喜欢看到在实例值上做函数调用，这为对所有的F# 类型也这样做提供了一种更好的方法。

定义有成员的F# 记录或联合类型的语法与第三章中学过的语法相同，只是这里要包含成员定义，总是放在最后，在关键字with 的后面。成员本身的定义，用关键字member，加标识符，表示成员附属于该类型的参数，加点，加函数名，加函数需要的其他参数；之后是等号，加函数定义，可以是任意F# 表达式。

下面的例子定义一个记录类型Point，有两个字段 Left 和 Top，一个成员函数 Swap。函数Swap 很简单，用交换 Left 和 Top 之后的值产生一个新的点。注意如何使用参数x，放在函数名 Swap 之前，在函数定义的内部，用于访问记录的其他成员。

 

// A point type

type Point =

  {Top: int;

  Left: int }

 with

   // the swap member creates a new point

   // with the left/top coords reveresed

   member x.Swap() =

     { Top = x.Left;

      Left = x.Top }

 

// create a new point

let myPoint =

  {Top = 3;

  Left = 7 }

 

let main() =

  //print the inital point

 printfn "%A" myPoint

  //create a new point with the coords swapped

  letnextPoint = myPoint.Swap()

  //print the new point

 printfn "%A" nextPoint

 

// start the app

do main()

 

示例运行结果如下：

 

{top = 3;

left = 7;}

{top = 7;

left = 3;}

 

你可能已经注意到，在函数 Swap 定义中的参数x：

 

member x.Swap() =

  {Top = x.Left;

  Left = x.Top }

 

这个参数表示一个对象，函数将对这个对象调用。现在，看一下在值上调用函数：

 

let nextPoint = myPoint.Swap()

 

函数调用的值作为参数传递给这个函数。可以这样认为，其逻辑是，函数需要针对调用它的值，能够访问这个值的字段和方法。有些面向对象语言使用专门的关键字，比如this 或Me，但F# 可以让你选择参数名，在关键字member 后面，给它指定一个名字，比如这里的x。

联合类型也可以有成员函数，定义的方法同记录类型。下面的例子定义了一个联合类型DrinkAmount，有一个为它添加的函数：

 

// a type representing the amount of aspecific drink

type DrinkAmount =

  |Coffee of int

  |Tea of int

  |Water of int

 with

   // get a string representation of the value

   override x.ToString() =

     match x with

     | Coffee x -> Printf.sprintf "Coffee: %i" x

     | Tea x -> Printf.sprintf "Tea: %i" x

     | Water x -> Printf.sprintf "Water: %i" x

 

// create a new instance of DrinkAmount

let t = Tea 2

 

// print out the string

printfn "%s" (t.ToString())

 

示例运行结果如下：

 

Tea: 2

 

注意如何使用关键字override 代替了member，它有替换、覆盖基类已有函数的效果。但并不是与F# 类型有关的函数成员的通常做法，因为，只有四种方法（ToString、Equals、GetHashCode、Finalize）可以覆盖。每一个.NET 类型都从System.Object 继承，由于这些方法与CLR 的交互问题，只建议覆盖ToString。只有四种方法可用于覆盖，是因为记录和联合类型并不承担基类或派生类的作用，因此，不能继承要覆盖的方法（System.Object 除外）。

 

 

对象表达式（Object Expressions）

 

对象表达式是用F# 简化面向对象编程的核心，它提供了简明的语法，继承已有类型，创建对象，可用于这样几个方面：以简洁的方式实现抽象类、接口，或调整已有的类定义。对象表达式能够在创建对象实例的同时，实现类或接口。

对象表达式的定义用大括号括起来，类或接口的名字，必须加括号，在括号中放需要传递给构造函数的任意值；接口名的后面什么也不要，尽管类名与接口名两者都可以跟类型参数，类型参数要用尖括号（<>）括起来。接下来，加关键字with，实现类、接口的方法定义，声明这些方法就如同在记录或联合类型上声明方法一样（参见前面一节）。声明每一个新方法，使用关键字 member 或 override，加实例参数，加点，加方法名，方法名必须与类或接口定义中的虚拟或抽象方法名相同，参数要用括号括起来，并用逗号分隔，就像.NET 的方法一样（除非方法只有一个参数，可以不用括号）。通常不需要类型注释，但如果基类包含一个方法的几个重载，就可能要加类型注释。在方法名的参数之后，加等号，加方法体的实现，是 F# 表达式，必须匹配方法的返回值。

 

open System

open System.Collections.Generic

 

// a comparer that will compare string inthere reversed order

let comparer =

  {new IComparer<string>

   with

     member x.Compare(s1, s2) =

       // function to reverse a string

       let rev (s: String) =

         new String(Array.rev (s.ToCharArray()))

       // reverse 1st string

       let reversed = rev s1

       // compare reversed string to 2nd strings reversed

       reversed.CompareTo(rev s2) }

 

// Eurovision winners in a random order

let winners =

  [|"Sandie Shaw"; "Bucks Fizz"; "Dana International";

   "Abba"; "Lordi" |]

 

// print the winners

printfn "%A" winners

// sort the winners

Array.Sort(winners, comparer)

// print the winners again

printfn "%A" winners

 

运行结果如下：

 

[|"Sandie Shaw"; "BucksFizz"; "Dana International"; "Abba";"Lordi"|]

[|"Abba"; "Lordi";"Dana International"; "Sandie Shaw"; "BucksFizz"|]

 

前面的例子实现了一个接口IComparer，它是只有一个方法Comparer 的标识符，有两个参数，返回表示参数比较结果的整数。它接收一个类型参数，这里是一个字符串，可以看到，在标识符comparer 定义的第二行；之后，是方法体的定义，这里，是用反转以后的字符串进行比较；最后，定义一个数组来使用comparer，然后，[ 用comparer ]进行排序，输出前后的结果到控制台。

在一个对象表达式中，实现多个接口，或者一个类与几个接口，是可能的；也可以为一个已有的类附加一个接口，而不改变任何类方法；然而，在一个对象表达式中，实现多个类，则不行，其根本原因是，不论是 F# 还是通用语言运行时，都不允许类有多个继承。不论哪种情况，在第一个接口、类后面的任何其它接口的实现，必须放在第一个接口、类的所有方法定义之后。接口名的前面是关键字 interface，后面是关键字 with。方法的定义与第一个接口、类相同。如果不改变类中的任何方法，就不需要用关键字 with。

 

open System

open System.Drawing

open System.Windows.Forms

 

// create a new instance of a numbercontrol

let makeNumberControl (n: int) =

  {new TextBox(Tag = n, Width = 32, Height = 16, Text = n.ToString())

    //implement the IComparable interface so the controls

    //can be compared

    interfaceIComparable with

     member x.CompareTo(other) =

       let otherControl = other :?> Control in

       let n1 = otherControl.Tag :?> int in

       n.CompareTo(n1) }

 

// a sorted array of the numbered controls

let numbers =

  //initalize the collection

  lettemp = new ResizeArray<Control>()

  //initalize the random number generator

  letrand = new Random()

  //add the controls collection

  forindex = 1 to 10 do

    temp.Add(makeNumberControl(rand.Next(100)))

  //sort the collection

  temp.Sort()

  //layout the controls correctly

  letheight = ref 0

  temp|> Seq.iter

    (func ->

       c.Top <- !height

       height := c.Height + !height)

  //return collection as an array

  temp.ToArray()

 

// create a form to show the numbercontrols

let numbersForm =

  lettemp = new Form() in

  temp.Controls.AddRange(numbers);

  temp

 

// show the form

[<STAThread>]

do Application.Run(numbersForm)

 

前面的例子演示了如何定义对象表达式，为文本框类实现接口IComparable。IComparable 使实现这个接口的对象能够进行比较，更好地用来排序。这里，IComparable 的CompareTo 方法实现了根据文本框中文本显示的数字排序控件；实现makeNumberControl 函数之后，创建一个控制数组 numbers。数组 numbers 定义有些复杂，首先初始化，以随机顺序充填全部控件，然后，对数组进行排序，最后，确保每个控件在适当的高度上显示。运行结果如图 5-2 所示。

图 5-2 排序文本框控件

 

对象表达式中对象的方法也是可以覆盖的，是这样实现的，使用相同的语法，但是对象名后面的关键字用 with。假设我们不用文本框显示数字，而准备自定义绘制，通过覆盖对象的 OnPaint 方法：

 

open System

open System.Drawing

open System.Windows.Forms

 

// create a new instance of a numbercontrol

let makeNumberControl (n: int) =

  {new Control(Tag = n, Width = 32, Height = 16) with

    //override the controls paint method to draw the number

    overridex.OnPaint(e) =

     let font = new Font(FontFamily.Families.[2], 12.0F)

     e.Graphics.DrawString(n.ToString(),

                         font,

                         Brushes.Black,

                         new PointF(0.0F,0.0F))

    //implement the IComparable interface so the controls

    //can be compared

    interfaceIComparable with

     member x.CompareTo(other) =

       let otherControl = other :?> Control in

       let n1 = otherControl.Tag :?> int in

       n.CompareTo(n1) }

 

运行结果如图 5-3 所示：

图 5-3 排序，自定义绘制控件

 

对象表达式的机制非常有效，能够快速、简洁地把非F# 库函数中的面向对象功能导入到F# 代码中，缺点是能为这些对象添加额外的属性或方法。例如，在前面的例子中，注意，必须把和控件相关的数字放在控件的tag属性，这会比正常地解决方案有更多地工作。然而，在不需要为类型添加额外的属性或方法时，该语法就非常有用。