1.4 面向对象技术的相关原则

在介绍完对象和类的基本概念后，本节将介绍面向对象技术的几个重要的相关原则。对象和类作为面向对象技术的核心，存在着很多与之相关的原则，这些原则决定了面向对象技术的本质特征，只有遵循了这些原则，才是一个符合面向对象技术的方案。

1.4.1 抽象

世界是复杂的，为了处理这种复杂性，需要将其中的内容抽象化。抽象（Abstraction）的过程就是揭示事物区别于其他事物的本质特征的过程，是一个分析和理解问题的过程，这个过程取决于使用者的目的，它应该包括使用者所感兴趣的那些职责问题，而忽略掉其他不相关的部分。从对象到类的过程就是抽象的过程，即将所见到的具体实体抽象成概念，从而可以在计算机世界中进行描述和对其采取各种操作。

抽象过程并没有唯一的答案，同一个实体在不同的业务场景中可能有不同的抽象。同样是一批人，根据使用选课系统的目的不同，可以将其中的一部分人抽象为老师，而将另一部分人抽象为学生，这个过程与具体应用场景密切相关。这也是面向对象系统中最难应用的一个关键技术。

关于抽象的概念，这里可以举一个简单的例子。例如，针对“我想买一斤水果”这件事，根据不同人的喜好，会产生不同的实例（有人可能买了一斤香蕉，有人可能买了一斤苹果，或买了一斤橘子，这都是满足要求的）。在这里，“水果”就是一个抽象，通过这个抽象概念，可以代表很多种不同的情况，从而适应不同人的胃口，而实际上并不存在水果这个实体（即对象）。面向对象的系统也是这样的，通过抽象技术，可以使软件能够快速适应不断变更的需求。

1.4.2 封装

封装（Encapsulation）是指对象对其访问者隐藏具体的实现，它是软件模块化思想的体现。

通过封装实现信息隐藏和数据抽象。信息隐藏的出发点是对象的私有数据不能被外界存取，从而保证外界以合法的手段（对象所提供的操作）访问。同时，将数据抽象为一组行为，而不是内部的具体数据结构，把用户隔离在实现细节之外，从而使得软件各个部分依赖于抽象层，各模块获得自由。

通过封装还可以保证数据的一致性。使用传统的结构化方法，是很难保证这一点的。例如，邮政地址由地址和邮政编码两部分组成，而这两部分信息应该是一致的，北京市市区的邮政编码应该为100×××，上海市市区的邮政编码应该为200×××，如果一个北京的地址对应的邮政编码为200001，这肯定是不正确的，会造成系统异常。因此，为避免这种情况出现，所有操作这个数据结构的程序员必须严格遵守一系列业务逻辑规则；否则，很容易破坏数据的一致性。而这在处理大型项目、多人协同开发项目时，是很难保证的。面向对象的封装就能够保证这一点，外部用户并不直接操作这些属性，而是通过特定的操作来完成指定的运算，外界只知道操作的接口，而不关注具体的业务逻辑规则，从根本上杜绝了数据的不一致问题（见下面的代码）。

    class ShippingAddress{
        private long cityCode;
        private string address;
        public longModifyAddress(String address)
    }

1.4.3 分解

分解（Decomposition）是指将单个大规模复杂系统划分为多个不同的小构件。分解后的构件通过抽象和封装等技术形成相对独立的单元，这些单元可以独立地设计和开发，从而实现化繁为简、分而治之，以应对系统的复杂性，降低软件开发成本。

在传统的结构化方法中，开发人员可以通过函数、模块等进行功能分解，实现模块化设计，可以通过耦合和内聚来判断分解的合理性，将系统分解为多个高内聚、低耦合的模块。而面向对象的分解则更为复杂，在基于类和对象分解的基础上，还需要进一步考虑类之间依赖程度、复用问题和稳定性问题等，进行合理的打包和分层，从而形成更加复杂的分解结构。

抽象、封装和分解是系统设计中3个最基本的原则，它们相辅相成。一个对象围绕着单一的抽象概念建立了一个封装体，而系统则可以被分解为多个对象，并对这些对象进行进一步打包，从而形成更高层的抽象概念。

1.4.4 泛化

泛化（Generalization）是类与类之间一种非常重要的关系，通过这种关系，一个类可以共享另外一个或多个类的结构和行为。为了实现泛化关系，我们引入了继承（Inheritance）机制。一个子类（Subclass）继承一个或多个父类（Superclass），从而实现了不同的抽象层次。这些层次之间所建立的is a或is kind of关系，即为泛化关系。通过这种关系可以很容易地复用已经存在的数据和代码，并实现多态处理。根据父类的个数不同，存在着单一继承和多重继承两种情况。

单一继承（Single Inheritance）是指一个类继承另外一个类，图1-6展示了两个单一继承的实例，类Saving和类Account、类Checking和类Account通过单一继承构成两个泛化关系，表明一个存储账户（Saving）是一种账户（Account），一个支出账户（Checking）也是一种账户；它们都包含账户的信息（账号no、用户名name、余额balance），也都可以进行取款（Withdraw）操作。

图1-6 单一继承

多重继承（Multiple Inheritance）是指一个类继承另外多个类的属性和行为。如图1-7所示，类Bird同时继承类FlyingThing和类Animal，这是一个多重继承，表明鸟（Bird）即是一种飞行物（FlyingThing），又是一种动物（Animal）。

图1-7 多重继承

在实际系统应用中，对多重继承的使用一定要谨慎。因为有些编程语言（如Java）不支持多重继承，这会造成设计方案无法被实现。此外，即使像C++这样支持多重继承的语言，在实际应用过程中也会存在诸如名称冲突、二义性等问题。

泛化关系提供了有效的复用手段，那么在实际应用中，一个子类到底继承了父类的什么元素呢？继承后的子类又可以进行什么样的操作呢？

可以这样认为，一个子类会继承父类所有的元素（可能有些元素对于子类不可见），这包括属性、操作和关系。此外，子类还可以根据自己的需要添加额外的属性、操作或关系，还可对父类已有的操作进行重新定义。

图1-8展示了一种继承层次关系，其中子类（GraduateStudent）从父类（Student）继承，它继承了父类全部属性和操作，所以即使GraduateStudent中没有定义getName（），其也会从Student中得到getName（）方法的全部实现。此外，子类也会继承父类中的关系，因此GraduateStudent与Account也有聚合关系。

图1-8 继承层次关系

1.4.5 多态

多态（Polymorphism）是在同一外表（接口）下表现出多种行为的能力，它是对象技术的根本特征，是将对象技术称为面向对象的原因所在。对象技术正是利用多态提供的动态行为特征，来封装变化、适应变更，以达到系统的稳定目标。

图1-9展示了一个多态的应用案例。面向对象的多态必须要有泛化关系的支持（有的文献会把模板这种机制也称为多态，这种参数化多态不需要泛化关系支持），如Rectangle（矩形）和Circle（圆形）均继承自Shape（Shape以斜体字表示，表明该类是一个抽象类）。通过Shape提供的接口draw（）实现画图功能的多态性，即根据目标的不同画出不同的形状。

图1-9 通过泛化支持多态

现在假设有一个数组sharr，其中放着一排形状Shape，但不知道哪些是矩形，哪些是圆形。利用多态性，完全可以不关注这些细节，而直接画出目标形状（见下面代码）。

    for(int i=0; i  sharr.length; ++i){
        Shape shape=(Shape)sharr[i];
        shape.draw();
    }

在遍历整个数组的过程中，各个Shape知道应当如何在画布上绘制自己的形状。shape.draw（）这行代码在Shape指向不同的对象时将表现出不同的行为，这就是所谓多态。

1.4.6 分层

通过分解和抽象可以很容易对系统进行划分。然而即使是简单的应用，也可能很难一次性地完成系统的分解——无法想象一次性地将系统分解为几十个，甚至上百个类。人们往往首先将系统分解成几个独立的部分（如先划分为若干层或若干模块），然后在此基础上对每个部分再进一步分解小的部分，这些小的部分有的还可以进一步分解，直至形成最小的独立单元（如类或函数）。这种逐级分解的思想就是分层。

分层（Hierarchy）是指面向不同的目标建立不同的抽象级别层次，从而在不同的抽象层次对系统进行分解，进一步简化对系统的理解。在面向对象系统中，主要有两种层次结构：类层次结构和对象层次结构。

类层次结构是指在不同的抽象级别进行对象的抽象，高层的类抽象层次更高，其描述能力也越强，而越往下抽象层次越低，底层的类则最具体，代表具体的事物。这些类之间通过泛化关系形成一种层次结构，也称为继承层次结构。此外，在这种层次结构中，一般同一层次的抽象级别是一样的。图1-10展示了一个继承层次结构的实例，最高层的父类（Food）抽象层次最高，代表所有类型的食物（Food）；第二层的类（Fruit、Vegetable和Meat）则相对要具体一些，代表某一类食物，如水果（Fruit）；而最低层的类抽象层次最低，为具体类，可以实例化对象，本图中代表具体的食物类型，如苹果（Apple）、橙子（Orange）等。前两层的类都是抽象类，不能构造具体的对象（UML类图中用斜体字表示）。

图1-10 类的继承层次结构

类的继承层次结构是面向对象系统中最普遍的结构，通过这种层次结构，可以分门别类地描述各类事物。很多设计良好的面向对象系统都是基于这种层次结构而构造的。

对象层次结构是指对象间的组成结构，即大的对象由小的对象组成（即分解成小的对象）。这种结构是通过类之间的聚合关系来实现的，也称为聚合层次结构。这一种整体和部分的关系是逐层分解思想的具体体现。图1-11给出了一个对象的聚合层次结构的实例，大学（University）由学院（School）和管理部门（Administration）组成，而学院又包含多个系（Department），每个系又由班级（Class）组成；管理部门则包括多个办公室（Office）。

图1-11 对象的聚合层次结构

1.4.7 复用

复用（Reuse）是借助于已有软件的各种有关知识建立新的软件的过程，以缩减新软件开发和维护的成本。将软件看成是由不同功能部分的构件所组成的有机体，每个构件在设计编写时可以被设计成完成同类工作的通用工具，如果完成各种工作的构件被建立起来以后，编写特定软件的工作就变成了将各种不同构件进行组合的简单问题，从而对软件产品的最终质量和维护工作都有本质性的改变。第1.2.2小节把“复用”视为面向对象所带来的优势之一，而事实上要获得这种优势，在设计时就需要遵循复用的原则，设计可复用的构件。

在系统开发的各个阶段都可能涉及复用，如从最低层的代码复用到设计复用、架构复用，再到需求复用，甚至于延伸到特定业务领域的复用。复用原则要求设计者不仅针对当前的业务需求开展设计，还需要考虑业务的通用性和可扩展性等问题，从而设计抽象层次高、复用粒度大的组件。本书将在第6～7章中介绍一些具体用于可复用设计的原则和模式。