从零开始学习Java编程－－理解面向对象编程

Java语言是纯粹的面向对象的程序设计语言，这主要表现为Java完全支持面向对象的三种基本特征：继承、封装和多态。Java语言完全以对象为中心，Java程序的最小程序单位是类，整个Java程序由一个一个的类组成。

Java完全支持使用对象、类、继承、封装、消息等基本概念来进行程序设计，允许从现实世界中客观存在的事物（即对象）出发来构造软件系统，在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式。实际上，这些优势是所有面向对象编程语言的共同特征。而面向对象的方式实际上由OOA（面向对象分析）、OOD（面向对象设计）和OOP（面向对象编程）三个部分有机组成，其中，OOA和OOD的结构需要使用一种方式来描述并记录，目前业界统一采用UML（统一建模语言）来描述并记录OOA和OOD的结果。目前UML的最新版是2.0它一共包括13种类型的图形，使用这13种图形中的某些就可以很好地描述并记录软件分析、设计的结果。

1、面向对象程序设计简介

    面向对象的基本思想是使用类、对象、继承、封装、消息等基本概念来进行程序设计。

    采用面向对象方式开发的软件系统，其最小的程序单元是类，这些类可以生成系统中的多个对象，而这些对象则直接映像成客观世界的各种事物。采用面向对象方式开发的软件系统逻辑上的组成结构。如图所示:

                                                 

从图上可以看出，面向对象的软件系统由多个类组成，类代表了客观世界上具有某种特征的一类事物往往有一些内部的状态数据，比如人有身高、体重、年龄、爱好等各种状态数据－－当然程序没有必要记录该事物所有的状态数据，程序只要记录业务关心的状态数据即可。

面向对象的语言不仅使用类来封装一类事物的内部状态数据，这种状态数据就对应于图中的Field；而且类会提供操作这些状态数据的方法，还会为这类事物的行为特征提供相应的实现，这种实现也是方法。因此：可以得到如下基本等式：

                                                                        Field（状态数据）+方法（行为）＝类定义

  从这个等式来看，面向对象比面向过程的编程粒度要大；面向对象的程序单位是类；而面向过程的程序单位是函数（相当于方法）因此面向对象比面向过程更简单、易用。我们举个例子来说，希望完成“猪八戒吃西瓜”这样一件事情。

                         面向过程的思维：吃（猪八戒,西瓜）;     面向对象的思维：猪八戒.吃（西瓜）；

2、UML（统一建模语言）介绍

   面向对象软件开发需要经过OOA（面向对象分析）、OOD（面向对象设计）和OOP（面向对象编程）三个阶段，OOA对目标系统进行分析，建立分析模型，并将之文档化；OOD用面向对象的思想对OOA的结果进行细化，得出设计模型。OOA和OOD的分析、设计结果需要统一的符号来描述、交流并记录，UML就是这种用于描述、记录OOA和OOD结果的符号表示法。UML2.0分为静态图和动态图两种。如下图所示：

                                     

   平时最常用的UML图包括用例图、类图、组件图、部署图、顺序图、活动图和状态机图等。

   以下图示转载于IBM网站：http://www.ibm.com/developerworks/cn/rational/r-uml/

    （1）用例图

          用例图描述了系统提供的一个功能单元。用例图的主要目的是帮助开发团队以一种可视化的方式理解系统的功能需求，包括基于基本流程的"角色"（actors，也就是与系统交互的其他实体）关系，以及系统内用例之间的关系。用例图一般表示出用例的组织关系--要么是整个系统的全部用例，要么是完成具有功能（例如，所有安全管理相关的用例）的一组用例。要在用例图上显示某个用例，可绘制一个椭圆，然后将用例的名称放在椭圆的中心或椭圆下面的中间位置。要在用例图上绘制一个角色（表示一个系统用户），可绘制一个人形符号。角色和用例之间的关系使用简单的线段来描述，如图所示

                                                           

图字（从上到下）：CD销售系统；查看乐队CD的销售统计；乐队经理；查看Billboard 200排行榜报告；唱片经理；查看特定CD的销售统计；检索最新的Billboard 200排行榜报告；排行榜报告服务

用例图通常用于表达系统或者系统范畴的高级功能。如图所示，可以很容易看出该系统所提供的功能。这个系统允许乐队经理查看乐队CD的销售统计报告以及Billboard 200排行榜报告。它也允许唱片经理查看特定CD的销售统计报告和这些CD在Billboard 200排行榜的报告。这个图还告诉我们，系统将通过一个名为"排行榜报告服务"的外部系统提供Billboard排行榜报告。

此外，在用例图中，没有列出的用例表明了该系统不能完成的功能。例如，它不能提供给乐队经理收听Billboard 200上不同专辑中的歌曲的途径 -- 也就是说，系统没有引用一个叫做"收听Billboard 200上的歌曲"的用例。这种缺少不是一件小事。在用例图中提供清楚的、简要的用例描述，项目赞助商就很容易看出系统是否提供了必须的功能。

    （2）类图

类图表示不同的实体（人、事物和数据）如何彼此相关；换句话说，它显示了系统的静态结构。类图可用于表示逻辑类，逻辑类通常就是业务人员所谈及的事物种类--摇滚乐队、CD、广播剧；或者贷款、住房抵押、汽车信贷以及利率。类图还可用于表示实现类，实现类就是程序员处理的实体。实现类图或许会与逻辑类图显示一些相同的类。然而，实现类图不会使用相同的属性来描述，因为它很可能具有对诸如Vector和HashMap这种事物的引用。

类在类图上使用包含三个部分的矩形来描述，如图所示。最上面的部分显示类的名称，中间部分包含类的属性，最下面的部分包含类的操作（或者说"方法"）。

几乎每个开发人员都知道这个类图是什么，但是我发现大多数程序员都不能正确地描述类的关系。对于像下图这样的类图，您应该使用带有顶点指向父类的箭头的线段来绘制继承关系1，并且箭头应该是一个完全的三角形。如果两个类都彼此知道对方，则应该使用实线来表示关联关系；如果只有其中一个类知道该关联关系，则使用开箭头表示。

   在图中，我们同时看到了继承关系和两个关联关系。CDSalesReport类继承自Report类。一个CDSalesReport类与一个CD类关联，但是CD类并不知道关于CDSalesReport类的任何信息。CD类和Band类都彼此知道对方，两个类彼此都可以与一个或者多个对方类相关联。

    （3）组件图

组件图提供系统的物理视图。它的用途是显示系统中的软件对其他软件组件（例如，库函数）的依赖关系。组件图可以在一个非常高的层次上显示，从而仅显示粗粒度的组件，也可以在组件包层次2上显示。

组件图的建模最适合通过例子来描述。图显示了4个组件：Reporting Tool、Billboard Service、Servlet 2.2 API和JDBC API。从Reporting Tool组件指向Billboard Service、Servlet 2.2 API和JDBC API组件的带箭头的线段，表示Reporting Tool依赖于那三个组件。

  

    （4）部署图

部署图表示该软件系统如何部署到硬件环境中。它的用途是显示该系统不同的组件将在何处物理地运行，以及它们将如何彼此通信。因为部署图是对物理运行情况进行建模，系统的生产人员就可以很好地利用这种图。

部署图中的符号包括组件图中所使用的符号元素，另外还增加了几个符号，包括节点的概念。一个节点可以代表一台物理机器，或代表一个虚拟机器节点（例如，一个大型机节点）。要对节点进行建模，只需绘制一个三维立方体，节点的名称位于立方体的顶部。所使用的命名约定与序列图中相同：[实例名称] : [实例类型]（例如，"w3reporting.myco.com : Application Server"）。

 

部署图。由于Reporting Tool组件绘制在IBM WebSphere内部，后者又绘制在节点w3.reporting.myco.com内部，因而我们知道，用户将通过运行在本地机器上的浏览器来访问Reporting Tool，浏览器通过公司intranet上的HTTP协议与Reporting Tool建立连接。

图中的部署图表明，用户使用运行在本地机器上的浏览器访问Reporting Tool，并通过公司intranet上的HTTP协议连接到Reporting Tool组件。这个工具实际运行在名为w3reporting.myco.com的Application Server上。这个图还表明Reporting Tool组件绘制在IBM WebSphere内部，后者又绘制在w3.reporting.myco.com节点内部。Reporting Tool使用Java语言通过IBM DB2数据库的JDBC接口连接到它的报告数据库上，然后该接口又使用本地DB2通信方式，与运行在名为db1.myco.com的服务器上实际的DB2数据库通信。除了与报告数据库通信外，Report Tool组件还通过HTTPS上的SOAP与Billboard Service进行通信。

    （5）顺序图

序列图显示具体用例（或者是用例的一部分）的详细流程。它几乎是自描述的，并且显示了流程中中不同对象之间的调用关系，同时还可以很详细地显示对不同对象的不同调用。

序列图有两个维度：垂直维度以发生的时间顺序显示消息/调用的序列；水平维度显示消息被发送到的对象实例。

序列图的绘制非常简单。横跨图的顶部，每个框（参见图4）表示每个类的实例（对象）。在框中，类实例名称和类名称之间用空格/冒号/空格来分隔，例如，myReportGenerator : ReportGenerator。如果某个类实例向另一个类实例发送一条消息，则绘制一条具有指向接收类实例的开箭头的连线，并把消息/方法的名称放在连线上面。对于某些特别重要的消息，您可以绘制一条具有指向发起类实例的开箭头的虚线，将返回值标注在虚线上。就我而言，我总喜欢绘制出包括返回值的虚线，这些额外的信息可以使得序列图更易于阅读。

阅读序列图也非常简单。从左上角启动序列的"驱动"类实例开始，然后顺着每条消息往下阅读。记住：虽然图4所示的例子序列图显示了每条被发送消息的返回消息，但这只是可选的。

图4：一个示例序列图

通过阅读图4中的示例序列图，您可以明白如何创建一个CD销售报告（CD Sales Report）。其中的aServlet对象表示驱动类实例。aServlet向名为gen的ReportGenerator类实例发送一条消息。该消息被标为generateCDSalesReport，表示ReportGenerator对象实现了这个消息处理程序。进一步理解可发现，generateCDSalesReport消息标签在括号中包括了一个cdId，表明aServlet随该消息传递一个名为cdId的参数。当gen实例接收到一条generateCDSalesReport消息时，它会接着调用CDSalesReport类，并返回一个aCDReport的实例。然后gen实例对返回的aCDReport实例进行调用，在每次消息调用时向它传递参数。在该序列的结尾，gen实例向它的调用者aServlet返回一个aCDReport。

请注意：图4中的序列图相对于典型的序列图来说太详细了。然而，我认为它才是足够易于理解的，并且它显示了如何表示嵌套的调用。对于初级开发人员来说，有时把一个序列分解到这种详细程度是很有必要的，这有助于他们理解相关的内容。

    （6）活动图

活动图表示在处理某个活动时，两个或者更多类对象之间的过程控制流。活动图可用于在业务单元的级别上对更高级别的业务过程进行建模，或者对低级别的内部类操作进行建模。根据我的经验，活动图最适合用于对较高级别的过程建模，比如公司当前在如何运作业务，或者业务如何运作等。这是因为与序列图相比，活动图在表示上"不够技术性的"，但有业务头脑的人们往往能够更快速地理解它们。

活动图的符号集与状态图中使用的符号集类似。像状态图一样，活动图也从一个连接到初始活动的实心圆开始。活动是通过一个圆角矩形（活动的名称包含在其内）来表示的。活动可以通过转换线段连接到其他活动，或者连接到判断点，这些判断点连接到由判断点的条件所保护的不同活动。结束过程的活动连接到一个终止点（就像在状态图中一样）。作为一种选择，活动可以分组为泳道（swimlane），泳道用于表示实际执行活动的对象，如图6所示。

 

图6：活动图，具有两个泳道，表示两个对象的活动控制：乐队经理，以及报告工具

图字（沿箭头方向）：乐队经理；报告工具；选择"查看乐队的销售报告"；检索该乐队经理所管理的乐队；显示报告条件选择屏幕；选择要查看其销售报告的乐队；从销售数据库检索销售数据；显示销售报告。

该活动图中有两个泳道，因为有两个对象控制着各自的活动：乐队经理和报告工具。整个过程首先从乐队经理选择查看他的乐队销售报告开始。然后报告工具检索并显示他管理的所有乐队，并要求他从中选择一个乐队。在乐队经理选择一个乐队之后，报告工具就检索销售信息并显示销售报告。该活动图表明，显示报告是整个过程中的最后一步。

 

以上图转载于IBM公司网站：http://www.ibm.com/developerworks/cn/rational/r-uml/

    

3、Java的面向对象特征

    面向对象方法具有三个基本特征：封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）和多态（Polymorphism），其中封装指的是将对象的实现细节隐藏起来，然后通过一些公用方法来暴露该对象的功能；继承是面向对象实现软件复用的重要手段，当子类继承父类后，子类作为一种特殊的父类，将直接获得父类的属性和方法；多态指是的子类对象可以直接赋给父类变量，但运行时依然表现出子类的行为特征，

    面向对象还支持如下几个功能：

     1）对象是面向对象方法中最基本的概念，它的基本特点是：标识唯一性、分类性、多态性、封装性、模块独立性好。

     2）类是具有共同属性、共同方法的一类事物。类是对象的抽象；对象则是类的实例。而类是整个软件系统最小的程序单元，类的封装性将各种信息细节隐藏起来，并通过公用方法来暴露该类对所提供的功能，从而提高了类的内聚性，降低了对象之间的耦合性。

     3）对象间的这种相互合作需要一个机制协助进行，这样的机制称为“消息”。消息是一个实例与另一个实例之间相互通信的机制。

     4）在面向对象方法中，类之间共享属性和操作的机制称为继承。继承具有传递性。继承可分为单继承（一个继承只允许有一个直接父类，即类等级为树形结构）与多继承（一个类允许有多个直接父类），但Java不支持多继承。

在Java语言中除了8个基本数据类型值之外，一切都是对象，而对象就是面向对象程序设计的中心。对象具有状态，一个对象用数据值来描述它的状态。Java通过对对象定义Field（以前常被称为属性，现在也称字段）来描述对象的状态；对象还有操作，这些操作可以改变对象的状态，对象的操作也被称为对象的行为，Java通过为对象定义方法来描述对象的行为。

       对象是Java程序的核心，所以在Java里的对象具有唯一性，每个对象都有一个标识来引用它，如果某个对象失去了标识，这个对象将变成垃圾，只能等着系统垃圾回收机制来回收它。Java语言不允许直接访问对象，而是通过对对象的引用来操作对象。

在Java语言使用class关键字定义类，定义类时可使用Field来描述该类对象的数据，可使用方法来描述该类对象的行为特征。Java语言使用extends关键字来表示继承关系。

Java使用new关键字来创建指定类的对象，每个类可以创建任意多个对象，多个对象的Field值可以不同。