面向对象的思维(与结构化思维比较)

一、综述

       在计算机科学中，对象（Object）通常是问题域或实现域中某些事物的一个抽象，它反映此事物在系统中需要保存的信息和发挥的作用；它是一组属性和有权对这些属性进行操作的一组服务的封装体。对象是一个黑盒子，他是用来接收和发送消息；一个对象实体中，通常包括有数据和程序两部分。使用该对象的用户也不需要知道对象中具体的数据和程序情况，只需要了解该对象的接口，及接收什么样的消息和会反馈什么就可以了。

那么，到底什么是面面对象呢？从本质上说，面向对象既是一种思想，也是一种技术，它是过程式程序设计方法的一个高级层次。面向对象思想利用对问题的高度抽象来提升代码的可重用性，从而提高生产力。尤其是在较为复杂的规模较大的系统实现中，面向对象通常比传统的过程式方法产生更高的效能。而且，随着软件规模的增大，面向对象相对于传统的过程式的优势就更加凸现。可以说，是软件产业化最终促进了面向对象技术的产生和发展。

面向对象有三大基本机制：封装、继承、多态，称一个编程或程序构建是面向对象的，首先他要具有这几个特点。在面向对象的编程和设计中，以类和对象来刻画客观世界。面向对象技术就是针对现实思维方式而产生的，继承和抽象，归纳和演绎是面向对象技术中常用的方法学和思维模式。面向对象技术是一种按照人们对现实世界习惯的认识论和思维方式来研究和模拟客观世界的方法学。

“Why all this concern for being able to change software? Because experience has taught 

us that software changes. A popular adage is that "software is not written, 

it is re-written".”

二、面向对象的相关概念

1、对象：是人们要进行研究的事物，从最简单的整数到复杂的飞机等均可看作对象，它不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。

2、类：具有相同或相似性质的对象的抽象就是类。类中操作的实现过程叫做方法。对象之间进行通信的结构叫做消息。

3、抽象：抽象是从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，而舍弃其非本质的特征。例如苹果、香蕉、生梨、葡萄、桃子等，它们共同的特性就是水果。得出水果概念的过程，就是一个抽象的过程。要抽象，就必须进行比较。抽象化主要是为了使复杂度降低，以得到论域中较简单的概念，好让人们能够控制其过程或以综观的角度来了解许多特定的事态。

4、思维：思维是人脑对客观事物的本质属性和事物之间内在联系的规律性所作出的概括与间接的反映。抽象思维凭借科学的抽象概念对事物的本质和客观世界发展的深远过程进行反映，使人们通过认识活动获得远远超出靠感觉器官直接感知的知识。科学的抽象是在概念中反映自然界或社会物质过程的内在本质的思想，它是在对事物的本质属性进行分析、综合、比较的基础上，抽取出事物的本质属性，撇开其非本质属性，使认识从感性的具体进入抽象的规定，形成概念。科学的、合乎逻辑的抽象思维是在社会实践的基础上形成的。思维是建立在人们对现存事物的充分认识基础之上，经过大脑对这些现存事物的感性认识、理解、分析、总结等逻辑思考过程，从而对其本质属性做出内在的、联系的、间接的、概括的反映；而设计则是通过一定的手段创造性地改变这些事物的性质，形成可以具备价值的物品的活动。

5、多态性：多态性就是多种表现形式，即同样的消息被不同的对象所接受将会产生不同的结果。当然，也有"一个对外接口，多个内在实现方法"的情况。举一个例子，计算机中的堆栈可以存储各种格式的数据，包括整型，浮点或字符。不管存储的是何种数据，堆栈的算法实现是一样的。针对不同的数据类型，编程人员不必手工选择，只需使用统一接口名，系统可自动选择。

6、封装：封装就是将抽象得到的数据和行为（或功能）相结合，形成一个有机的整体，即将数据与操作数据的源代码进行有机的结合，形成“类”，其中数据和函数都是类的成员。封装的目的是增强安全性和简化编程，使用者不必了解具体的实现细节，而只是要通过外部接口，一特定的访问权限来使用类的成员。

7、继承：继承是指一个对象直接使用另一对象的属性和方法。其本质是从现在的类生成新类。继承关系是静态关系。包括静态继承和动态继承；静态继承是在父类的基础上通过增加数据成员和方法成员而构成子类的过程，而动态继承是以父类的实例作为子类的数据成员而存在的一种方法。动态继承是传统意义上的组合，或称为聚合，类似于C语言中的结构体成员是结构变量。静态继承中的父类和子类之间是一种泛化－特化的关系，动态继承中的父类和子类之间是一种整体－部分的关系。

8、重载：在一个类定义中，可以编写几个同名的方法，但是只要它们的签名参数列表不同。重载只是一种语言特性，与多态无关，与面向对象也无关。

9、覆盖：覆盖是指子类重新定义父类的虚函数。

10、归纳：从许多个别的事物中概括出一般性概念，原则，或结论的思维方法。

11、演绎：从普遍性结论或一般性事理推导出个别性结论的论证方法。

12、泛化：当某一反应与某种刺激形成条件联系后，这一反应也会与其它类似的刺激形成某种程度的条件联系，这一过程称为泛化，即模板化。

13、特化：将模板对应于某一特定类型进行特别的声明或定义。

14、聚合：是关联的一种形式，代表两个类之间的整体和局部关系。聚合暗示着整体在概念上处于比局部更高的一个级别，而关联暗示两个类在概念上位于相同的级别。

15、接口：在C++中，一个类被允许继承多个类。但是在Java以后的语言不被允许。这样，如果想继承多个类时便非常困难。所以开发方想出了新办法：接口。一个接口内，允许包含变量、常量等一个类所包含的基本内容。但是，接口中的函数不允许设定代码，也就意味着不能把程序入口放到接口里。由上可以理解到，接口是专门被继承的。接口存在的意义也是被继承。和C++里的抽象类里的纯虚函数类似，不能被实例化。

16、复用：复用就是指“利用现成的东西”。把复用的思想用于软件开发，称为软件复用。

17、构件：是一个物理的、可替换的系统组成部分，它包装了实现体且提供了对一组接口的实现方法。是面向软件体系结构的可复用软件模块。未来软件开发的过程就是构件组装的过程，维护的过程就是构件升级、替换和扩充的过程。其优点是构件组装模型导致了软件的复用，提高了软件开发的效率。

18、面向对象设计的准则：模块化、抽象、信息隐藏、低耦合、高内聚。面向对象的三特点：封装、继承、多态。面向对象的三大要素：抽象、封装性（信息隐藏）、共享性。

19、方法：指人们为了达到某种目的而采取的手段、途径和行为方式中所包含的可操作的规则或模式。

2.1 方法背景

结构化思想和面向对象思想虽都产生于20世纪60年代，但它们却存在根本差别。结构化方法承袭了传统的编程思想与编程方法，以计算机的计算功能为前提。编写程序的主要目的是数值计算、问题求解。模块是结构化编程的基本单位，但计算方法(简称为算法)是程序的核心。沃尔森曾提出了一个著名公式：程序=算法+数据结构。结构化方法只是对传统程序结构的改进，用三种基本结构来组织程序，使程序结构更为清晰，程序开发更有序、更容易。

面向对象思想则以计算机信息处理和信息管理的功能为前提，模拟客观世界的事物及事物之间的联系。对象技术的关键概念是对象、消息、类，关键机制包括封装、多态和继承。与结构化方法相比，对象是软件模块化的一种新的单位，它代替了基于功能分解方法中的所谓“模块”等传统的技术。面向对象技术是通过对对象的管理(创建、运行、消亡)以及对象之间的通讯来实现程序功能。结构化方法中模块只是程序一个功能(机械)部件，在程序中完成特定功能或解决特定问题。因此程序中模块通常用函数(function)来实现，完成对输人数据的加工和计算。而面向对象中的对象则是一个活体(生命体)，它将数据和过程封装在一起，这同传统的方法中将数据和过程分别对待和处理形成了鲜明的对比。对象代表现实世界中真实对象的结构和交互作用，在程序运行期间有它的生命周期，并通过消息相互通信协同完成程序功能。

2.2 分析问题的方法

软件分析是软件工程的一个重要阶段。在软件分析阶段，主要确定待开发软件的功能、性能和运行环境约束；同时提出解决问题或实现功能的方法和途径，化解一个系统的复杂性，通常有两种解决方法。化解复杂性的最基本技术是将一个大问题分解为一些容易解决的小问题，待小问题解决了大问题也就解决了。结构化分析方法的核心思想是：自顶向下，逐层分解，逐步求精。结构化分析方法体现在数据流图和系统结构图的分解过程中。数据流图的分解从顶层图开始，按照每个加工对应一个子图的分解原则，逐层分解为0层图、1层图等。系统结构图则是从主模块开始，逐层分解为算法更为简单、更加容易管理和实现的子模块。

面向对象分析则是采用了另一种自底向上的化解复杂性的方法：抽象。通过抽象，得到系统的一个简化模型，其中强调系统中某属性细节，而忽略其它的属性。面向对象分析存在三个层次的抽象：第一，识别对象及其属性和方法，这是客观世界事物的抽象；第二，对对象进行层层归类，对客观事物相互关系的抽象，如把相似对象归为一类，或把子类归到父类，或把局部类归整体类；第三，将对象和类进一步抽象归到某个主题，便于对类和对象的定义和管理。结构化分析方法承袭了传统数学问题求解的思想，采用了逐步求精的数学演绎方法，有利于数据的加工、计算等问题的解决。但逐步求精的方法不能提供解决一个具体问题的系统的策略或方法。有时，对于某些问题不存在一个自顶向下的方法。结构化程序分析方法对小规模的程序是一种有效的方法，但将它推广至大规模的系统开发中往往会失效，开发人员无法使用这一方法来很方便地重用以前程序的可重用成份。面向对象方法的抽象机制提供了为复杂的软件系统建模更为自然的方法，特别是能很好地把握对象之间复杂的相互关系，因此面向对象分析技术更加适用于复杂的软件系统的分析。

2.3 程序设计方法

结构化程序设计方法与分析方法思路相反，采用了自底向上的设计思想。首先设计底层模块，确定模块内部算法，设计模块内部程序，并进行单元测试。模块完成之后，再进行模块之间的组装，进行集成测试。待模块集成测试完成之后，进行确认测试和系统测试，完成设计和调试任务。

面向对象程序设计方法采用了自顶向下的设计思想，先设计父类，再设计子类，并继承父类属性和方法。对象是最后在程序运行过程中动态生成。在设计类的同时，另一任务是消息的设计。并将消息与类中的方法有机联系起来，以便对象在运行过程中能相互通信，共同实现软件设定的功能。消息类似于传统程序设计语言中的函数调用，二者的主要区别是函数调用中所执行的函数是一个单一、公共的实现，而对消息的响应可以不同回答，这要根据具体对象的方法来确定。这就是面向对象程序设计思想的多态机制。

2.4 适用场合

结构化方法的实质是问题求解，即结构化程序是由算法决定的，而算法是程序员分析设计的。因此结构化方法中，程序的执行过程主要是由程序员控制，而不是由用户控制。该方法比较适合大型工程计算、实时数据的跟踪处理、各种自动控制系统等等。

面向对象方法中，程序员设计的是对象属性及操作方法，但在什么时间、使用什么方式操作对象则是完全由用户交互控制。在互联网时代，计算机已经由一个生产工具逐步演变成一个生活工具，出现了许多完全由用户控制程序执行过程的应用软件，比如大型游戏软件以及各类管理信息系统软件。这些软件中各种关系比较复杂，适宜使用面向对象的方法来开发。

2.5 举个例子(转)

使用面向对象的思维方法进行设计，其实是一个把业务逻辑从具体的编程技术当中抽象出来的过程，而这个抽象的过程是自上而下的，非常符合人类的思维习惯，也就是先不考虑问题解决的细节，把问题的最主要的方面抽象成为一个简单的框架，集中精力思考如何解决主要矛盾，然后在解决问题的过程中，再把问题的细节分割成一个一个小问题，再专门去解决细节问题。而一个合理运用面向对象技术进行设计和架构的软件，更是具备了思维的艺术美感。

举个例子，要发广告邮件，广告邮件列表存在数据库里面。倘若用C来写的话，一般会这样思考，先把邮件内容读入，然后连接数据库，循环取邮件地址，调用本机的qmail的sendmail命令发送。

如果考虑面向对象方法来做，就不能什么代码都塞到main过程里面，假设我们设计三个类：

一个类是负责读取数据库，取邮件地址，调用qmail的sendmail命令发送；

一个类是读邮件内容，MIME编码成HTML格式的，再加上邮件头；

一个主类负责从命令读参数，处理命令行参数，调用发email的类。

把一件工作按照功能划分为3个模块分别处理，每个类完成一件模块任务。

仔细的分析一下，就会发现这样的设计完全是从程序员实现程序功能的角度来设计的，或者说，设计类的时候，是自低向上的，从机器的角度到现实世界的角度来分析问题的。因此在设计的时候，就已经把程序编程实现的细节都考虑进去了，企图从底层实现程序这样的出发点来达到满足现实世界的软件需求的目标。这样的分析方法其实是不适用于面向对象的编程语言，因为，如果改用C语言，封装两个C函数，都会比Java/C++实现起来轻松的多，逻辑上也清楚的多。面向对象的精髓在于考虑问题的思路是从现实世界的人类思维习惯出发的，只要领会了这一点，就领会了面向对象的思维方法。

那么应用面向对象的方法就逮怎么做呢？

对于一个邮件来说，有邮件头，邮件体，和邮件地址这三个属性，发送邮件，需要一个发送的方法，另外还需要一个能把所有邮件地址列出来的方法。所以应该如下设计：

类 JunkMail

属性：

head

body

address

方法：

sendMail() // 发送邮件

listAllMail() // 列邮件地址

这就够了。

如果说传统的面向过程的编程是符合机器运行指令的流程的话，那么面向对象的思维方法就是符合现实生活中人类解决问题的思维过程。

在面向对象的软件分析和设计的时候，要提醒自己，不要一上来就去想程序代码的实现，应该抛开具体编程语言的束缚，集中精力分析我们要实现的软件的业务逻辑，分析软件的业务流程，思考应该如何去描述和实现软件的业务。毕竟软件只是一个载体，业务才是我们真正要实现的目标。

在设计的时候不应过早的考虑具体程序语言的实现，必须用抽象的方法，和具体实现无关的方法来表达业务逻辑。