1、 面向对象面向对象(Object-Oriented,(Object-Oriented,缩写为缩写为OO)OO)方法学的出发点和基方法学的出发点和基本原则，是尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法本原则，是尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法与过程尽可能接近人类认识世界解决问题的方法与过程，也就是与过程尽可能接近人类认识世界解决问题的方法与过程，也就是使描述问题的问题空间使描述问题的问题空间(也称为问题域也称为问题域)与实现解法的解空间与实现解法的解空间(也也称为求解域称为求解域)在结构上尽可能一致。在结构上尽可能一致。通常，客观世界中的实体既具有静态的属性又具通常，客观世界中
2、的实体既具有静态的属性又具有动态的行为。然而传统语言提供的解空间对象实质有动态的行为。然而传统语言提供的解空间对象实质上却仅是描述实体属性的数据，必须在程序中从外部上却仅是描述实体属性的数据，必须在程序中从外部对它施加操作，才能模拟它的行为。对它施加操作，才能模拟它的行为。与传统方法相反，面向对象方法是一种以数据或与传统方法相反，面向对象方法是一种以数据或信息为主线，把数据和处理相结合的方法。面向对象信息为主线，把数据和处理相结合的方法。面向对象方法把对象作为由数据及可以施加在这些数据上的操方法把对象作为由数据及可以施加在这些数据上的操作所构成的统一体作所构成的统一体 概括地说，面向对象方法具
3、有下述四个要点。概括地说，面向对象方法具有下述四个要点。认为客观世界是由各种对象组成的，任何事物认为客观世界是由各种对象组成的，任何事物都是对象，复杂的对象可以由比较简单的对象以某种都是对象，复杂的对象可以由比较简单的对象以某种方式组合而成。方式组合而成。把所有对象都划分成各种对象类把所有对象都划分成各种对象类(简称为类，简称为类，Class)Class)，每个对象类都定义了一组数据和一组方法。，每个对象类都定义了一组数据和一组方法。数据用于表示对象的静态属性，是对象的状态信息。数据用于表示对象的静态属性，是对象的状态信息。类中定义的方法，是允许施加于该类对象上的操作，类中定义的方法，是允许施
4、加于该类对象上的操作，是该类所有对象共享的，并不需要为每个对象都复制是该类所有对象共享的，并不需要为每个对象都复制操作的代码。操作的代码。按照子类按照子类(或称为派生类或称为派生类)与父类与父类(或称为基类或称为基类)的关系，把若干个对象类组成一个层次结构的系统的关系，把若干个对象类组成一个层次结构的系统(也也称为类等级称为类等级)。对象彼此之间仅能通过传递消息互相联系。对象彼此之间仅能通过传递消息互相联系。面向对象的方法学可以用下列方程来概括：面向对象的方法学可以用下列方程来概括：OO=Objects+Classes+Inheritance+Communication OO=Objects+
5、Classes+Inheritance+Communication with messageswith messages 也就是说，面向对象就是既使用对象又使用类和也就是说，面向对象就是既使用对象又使用类和继承等机制，而且对象之间仅能通过传递消息实现彼继承等机制，而且对象之间仅能通过传递消息实现彼此通信。此通信。1.1.与人类习惯的思维方法一致与人类习惯的思维方法一致 2.2.稳定性好稳定性好 3.3.可重用性好可重用性好 4.4.较易开发大型软件产品较易开发大型软件产品 5.5.可维护性好可维护性好 由于下述因素的存在，使得用面向对象方法所开由于下述因素的存在，使得用面向对象方法所开发的软件
6、可维护性好。发的软件可维护性好。面向对象的软件稳定性比较好。面向对象的软件稳定性比较好。面向对象的软件比较容易修改。面向对象的软件比较容易修改。面向对象的软件比较容易理解。面向对象的软件比较容易理解。易于测试和调试。易于测试和调试。7.3.1 7.3.1 对象对象 在应用领域中有意义的、与所要解决的问题有关在应用领域中有意义的、与所要解决的问题有关系的任何事物都可以作为对象系的任何事物都可以作为对象(Object)(Object)，它既可以是，它既可以是具体的物理实体的抽象，也可以是人为的概念，或者具体的物理实体的抽象，也可以是人为的概念，或者是任何有明确边界和意义的东西。例如，一名职工、是任
7、何有明确边界和意义的东西。例如，一名职工、一家公司、一个窗口、一座图书馆、一本图书、贷款一家公司、一个窗口、一座图书馆、一本图书、贷款和借款等，都可以作为一个对象。总之，对象是对问和借款等，都可以作为一个对象。总之，对象是对问题域中某个实体的抽象，设立某个对象就反映了软件题域中某个实体的抽象，设立某个对象就反映了软件系统保存有关它的信息并具与它进行交互的能力。系统保存有关它的信息并具与它进行交互的能力。图7.1 对象的形象表示 1.1.对象的形象表示对象的形象表示 2.2.对象的定义对象的定义 (1)(1)定义定义1 1 对象是具有相同状态的一组操作的集合。对象是具有相同状态的一组操作的集合。
8、这个定义主要是从面向对象程序设计的角度看这个定义主要是从面向对象程序设计的角度看“对象对象”。(2)(2)定义定义2 2 对象是对问题域中某个东西的抽象，这种抽象反对象是对问题域中某个东西的抽象，这种抽象反映了系统保存有关这个东西的信息或与它交互的能力。映了系统保存有关这个东西的信息或与它交互的能力。也就是说，对象是对属性值和操作的封装。也就是说，对象是对属性值和操作的封装。这个定义着重从信息模拟的角度看待这个定义着重从信息模拟的角度看待“对象对象”。(3)(3)定义定义3 3对象对象=ID=MI其中，其中，IDID是对象的标识或名字是对象的标识或名字MSMS是对象中的操作集合是对象中的操作集
9、合DSDS是对象的数据结构是对象的数据结构MIMI是对象受理的消息名集合是对象受理的消息名集合(即对外接口即对外接口)这个定义是一个形式化的定义。这个定义是一个形式化的定义。从动态角度或对象的实现机制来看，对象是一台自动机。具有内从动态角度或对象的实现机制来看，对象是一台自动机。具有内部状态部状态S S，操作，操作f fi i(i=1,2,(i=1,2,n),n)，且与操作，且与操作f fi i对应的状态转换函数为对应的状态转换函数为g gi i(i=1,2,(i=1,2,n),n)的一个对象，可以用图的一个对象，可以用图7.27.2所示的自动机来模拟。所示的自动机来模拟。图7.2 用自动机模
10、拟对象3.3.对象的特点对象的特点 以数据为中心。以数据为中心。对象是主动的。对象是主动的。实现了数据封装。实现了数据封装。本质上具有并行性。本质上具有并行性。模块独立性好。模块独立性好。7.3.2 7.3.2 其他概念其他概念 1.类类(Class)在面向对象的软件技术中，在面向对象的软件技术中，“类类”就是对具有相就是对具有相同数据和相同操作的一组相似对象的定义，也就是说，同数据和相同操作的一组相似对象的定义，也就是说，类是对具有相同属性和行为的一个或多个对象的描述，类是对具有相同属性和行为的一个或多个对象的描述，通常在这种描述中也包括对怎样创建该类的新对象的通常在这种描述中也包括对怎样创
11、建该类的新对象的说明。说明。2.2.实例实例(Instance)(Instance)实例就是由某个特定的类所描述的一个具体的对实例就是由某个特定的类所描述的一个具体的对象。象。3.3.消息消息(Message)(Message)消息，就是要求某个对象执行在定义它的那个类消息，就是要求某个对象执行在定义它的那个类中所定义的某个操作的规格说明。通常，一个消息由中所定义的某个操作的规格说明。通常，一个消息由下述三部分组成：下述三部分组成：接收消息的对象；接收消息的对象；消息选择符消息选择符(也称为消息名也称为消息名)；零个或多个变元。零个或多个变元。4.4.方法方法(Method)(Method)方
12、法，就是对象所能执行的操作，也就是类中所方法，就是对象所能执行的操作，也就是类中所定义的服务。方法描述了对象执行操作的算定义的服务。方法描述了对象执行操作的算法，响应法，响应消息的方法。消息的方法。5.5.属性属性(Attribute)(Attribute)属性，就是类中所定义的数据，它是对客观世界属性，就是类中所定义的数据，它是对客观世界实体所具有的性质的抽象。类的每个实例都实体所具有的性质的抽象。类的每个实例都有自己特有自己特有的属性值。有的属性值。9.9.封装封装(Encapsulation)(Encapsulation)从字面上理解，所谓封装就是把某个事物包起来，从字面上理解，所谓封装
13、就是把某个事物包起来，使外界不知道该事物的具体内容。使外界不知道该事物的具体内容。综上所述，具有封装性的条件如下。综上所述，具有封装性的条件如下。有一个清晰的边界。所有私有数据和实现操作有一个清晰的边界。所有私有数据和实现操作的代码都被封装在这个边界内，从外面看不见更不能的代码都被封装在这个边界内，从外面看不见更不能直接访问。直接访问。有确定的接口有确定的接口(即协议即协议)。这些接口就是对象可。这些接口就是对象可以接受的消息，只能通过向对象发送消息来使用它。以接受的消息，只能通过向对象发送消息来使用它。受保护的内部实现。实现对象功能的细节受保护的内部实现。实现对象功能的细节(私有私有数据和代
14、码数据和代码)不能在定义该对象的类的范围外进行访问。不能在定义该对象的类的范围外进行访问。封装性也就是信息隐藏，通过封装把对象的实现细节封装性也就是信息隐藏，通过封装把对象的实现细节对外界隐藏起来了。对外界隐藏起来了。7.7.继承继承(Inheritance)(Inheritance)广义地说，继承是指能够直接获得已有的性质和广义地说，继承是指能够直接获得已有的性质和特征，而不必重复定义它们。在面向对象的软件技术特征，而不必重复定义它们。在面向对象的软件技术中，继承是子类自动地共享基类中定义的数据和方法中，继承是子类自动地共享基类中定义的数据和方法的机制。的机制。当一个类只允许有一个父类时，也
15、就是说，当类当一个类只允许有一个父类时，也就是说，当类等级为树形结构时，类的继承是单继承；当等级为树形结构时，类的继承是单继承；当允许一个允许一个类有多个父类时，类的继承是多重继承。类有多个父类时，类的继承是多重继承。图7.3 实现继承机制的原理 8.8.多态性多态性(Polymorphism)(Polymorphism)多态性一词来源于希腊语，意思是多态性一词来源于希腊语，意思是“有许多形有许多形态态”。在面向对象的软件技术中，多态性是指子类对象在面向对象的软件技术中，多态性是指子类对象可以像父类对象那样使用，同样的消息既可以发送给可以像父类对象那样使用，同样的消息既可以发送给父类对象也可以
16、发送给子类对象。也就是说，在类等父类对象也可以发送给子类对象。也就是说，在类等级的不同层次中可以共享级的不同层次中可以共享(公用公用)一个行为一个行为(方法方法)的名的名字，然而不同层次中的每个类却各自按自己的需要来字，然而不同层次中的每个类却各自按自己的需要来实现这个行为。当对象接收到发送给它的消息时，根实现这个行为。当对象接收到发送给它的消息时，根据该对象所属于的类动态选用在该类中定义的实现算据该对象所属于的类动态选用在该类中定义的实现算法。法。9.9.重载重载(Overloading)(Overloading)有两种重载：函数重载是指在同一作用域内的若有两种重载：函数重载是指在同一作用域
17、内的若干个参数特征不同的函数可以使用相同的函数名字；干个参数特征不同的函数可以使用相同的函数名字；运算符重载是指同一个运算符可以施加于不同类型的运算符重载是指同一个运算符可以施加于不同类型的操作数上面。当然，当参数特征不同或被操作数的类操作数上面。当然，当参数特征不同或被操作数的类型不同时，实现函数的算法或运算符的语义是不相同型不同时，实现函数的算法或运算符的语义是不相同的。的。为了更好地理解问题，人们常常采用建立问题模为了更好地理解问题，人们常常采用建立问题模型的方法。所谓模型，就是为了理解事物而对事物作型的方法。所谓模型，就是为了理解事物而对事物作出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描
18、述。出的一种抽象，是对事物的一种无歧义的书面描述。用面向对象方法开发软件，通常需要建立三种形用面向对象方法开发软件，通常需要建立三种形式的模型，它们分别是描述系统数据结构的对象模型，式的模型，它们分别是描述系统数据结构的对象模型，描述系统控制结构的动态模型和描述系统功能的功能描述系统控制结构的动态模型和描述系统功能的功能模型。模型。一个典型的软件系统组合了上述三方面内容：它一个典型的软件系统组合了上述三方面内容：它使用数据结构使用数据结构(对象模型对象模型)，执行操作，执行操作(动态模型动态模型)，并，并且完成数据值的变化且完成数据值的变化(功能模型功能模型)。对象模型表示静态的、结构化的系统
19、的对象模型表示静态的、结构化的系统的“数据数据”性质。它是对模拟客观世界实体的对象以及性质。它是对模拟客观世界实体的对象以及对象彼此对象彼此间的关系的映射，描述了系统的静态结构。间的关系的映射，描述了系统的静态结构。7.5.1 7.5.1 表示类表示类&对象的图形符号对象的图形符号 1.1.类类&对象对象 “类类&对象对象”是一个专用术语，它的含义是是一个专用术语，它的含义是“一一个类及属于该类的对象个类及属于该类的对象”。图。图7.4(a)7.4(a)是表示类是表示类&对对象的图形符号，图象的图形符号，图7.4(b)7.4(b)是表示类的图形符号。是表示类的图形符号。图7.4 表示符号 2.
20、2.命名命名 类名是一类对象的名字。命名是否恰当对系统的类名是一类对象的名字。命名是否恰当对系统的可理解性影响相当大，因此，命名时应该遵守以下几可理解性影响相当大，因此，命名时应该遵守以下几条准则。条准则。(1)(1)使用标准术语使用标准术语 (2)(2)使用具有确切含义的名词使用具有确切含义的名词 (3)(3)必要时用名词短语作名字必要时用名词短语作名字 总之，名字应该是富于描述性的、简洁的而且无二总之，名字应该是富于描述性的、简洁的而且无二义性的。义性的。8.5.2 8.5.2 表示结构的图形符号表示结构的图形符号 在面向对象分析和面向对象设计中，结构表示了在面向对象分析和面向对象设计中，
21、结构表示了问题域中的复杂关系，是对客观世界实体相互间关系问题域中的复杂关系，是对客观世界实体相互间关系的抽象。结构与目标系统的任务直接相关，也就是说，的抽象。结构与目标系统的任务直接相关，也就是说，目标系统的任务决定了系统的结构。类目标系统的任务决定了系统的结构。类&对象间的对象间的关系可以概括为归纳关系、组合关系及关联关系。关系可以概括为归纳关系、组合关系及关联关系。1.1.归纳关系归纳关系 归纳关系就是归纳关系就是“一般一般特珠特珠”关系，它反映了一个关系，它反映了一个类与若干个互不相容的子类之间的分类关系。高层类类与若干个互不相容的子类之间的分类关系。高层类(即基类即基类)说明一般性的属
22、性，低层类说明一般性的属性，低层类(即派生类即派生类)说明说明特殊属性。低层类对象特殊属性。低层类对象“即是即是(ISA)(ISA)”某种特殊的高层某种特殊的高层类对象，它继承了在高层类中定义的属性和服务。类对象，它继承了在高层类中定义的属性和服务。图图7.5是表示归纳关系的图形符号是表示归纳关系的图形符号。图7.5 表示归纳关系的图形 2.2.组合关系组合关系 组合关系就是组合关系就是“整体整体部分部分”关系，它反映了对象之间的关系，它反映了对象之间的构成关系。组合关系也称为聚集关系。构成关系。组合关系也称为聚集关系。图图7.6是表示组合关系的图形符号。是表示组合关系的图形符号。图7.6 表
23、示组合关系的图形 组合关系具有的最重要的性质是传递性。也就是说，组合关系具有的最重要的性质是传递性。也就是说，如果如果A是是B的一部分，的一部分，B是是C的一部分，则的一部分，则A也是也是C的一部的一部分。分。当组合关系有多个层次时，可以用一棵简单的聚集树当组合关系有多个层次时，可以用一棵简单的聚集树来表示它。聚集树是多级组合关系的一种简化表示形式。来表示它。聚集树是多级组合关系的一种简化表示形式。图7.7 描绘教材结构的聚集树 3.3.关联关系关联关系 关联关系反映对象之间相互依赖、相互作用的关关联关系反映对象之间相互依赖、相互作用的关系。通常把两类对象之间的二元关系再细分为一对一系。通常把
24、两类对象之间的二元关系再细分为一对一(11)(11)、一对多、一对多(1M)(1M)和多对多和多对多(MN)(MN)等三种等三种基本类基本类型，类型的划分依据参与关联的对象的数目。型，类型的划分依据参与关联的对象的数目。(1)(1)表示符号表示符号 (2)(2)阶阶 所谓阶就是参与关联的对象的个数。所谓阶就是参与关联的对象的个数。图7.8 教师与属于他的书之间的关联关系 (3)(3)链属性链属性 链属性就是关联链的性质。链属性就是关联链的性质。图7.9 链属性的表示方法(4)限定限定 一个受限的关联由两个对象及一个限定词组成。一个受限的关联由两个对象及一个限定词组成。可以把限定词看作是一种特殊
25、的链属性。利用限可以把限定词看作是一种特殊的链属性。利用限定词通常能有效地减少关联的阶数。定词通常能有效地减少关联的阶数。图7.10 一个受限的关联图7.11 消息连接的表示符(5)消息连接消息连接 消息连接的表示符号，是从消息发送者指向消息接消息连接的表示符号，是从消息发送者指向消息接收者的箭头线，如图收者的箭头线，如图7.11所示。所示。图7.12 一家公司的对象模型图7.13 与图7.12对应的E-R图 动态模型表示瞬时的、行为化的系统的动态模型表示瞬时的、行为化的系统的“控制控制”性质，它规定了对象模型中的对象的合法变化序列。性质，它规定了对象模型中的对象的合法变化序列。通常，用状态图
26、来描绘对象的状态、触发状态转通常，用状态图来描绘对象的状态、触发状态转换的事件、以及对象的行为换的事件、以及对象的行为(对事件的响应对事件的响应)。每个类的动态行为用一张状态图来描绘，各个类每个类的动态行为用一张状态图来描绘，各个类的状态图通过共享事件合并起来，从而构成系统的动的状态图通过共享事件合并起来，从而构成系统的动态模型。也就是说，动态模型是基于事件共享而互相态模型。也就是说，动态模型是基于事件共享而互相关联的一组状态图的集合。关联的一组状态图的集合。7.6.1 7.6.1概念概念 1.1.事件事件 事件是某个特定时刻所发生的事情，它是对引起事件是某个特定时刻所发生的事情，它是对引起对
27、象从一种状态转换到另一种状态的现实世界中的事对象从一种状态转换到另一种状态的现实世界中的事件的抽象。事件没有持续时间，是瞬间完成的。件的抽象。事件没有持续时间，是瞬间完成的。2.2.状态状态 状态就是对象在其生命周期中的某个特定阶段所状态就是对象在其生命周期中的某个特定阶段所具有的行为模式，它是对影响对象行为的属性值的一具有的行为模式，它是对影响对象行为的属性值的一种抽象。种抽象。状态规定了对象对输入事件的响应方式。状态规定了对象对输入事件的响应方式。3.3.行为行为 所谓行为，是指对象达到某种状态时所做的一系所谓行为，是指对象达到某种状态时所做的一系列处理操作。这些操作是需要耗费时间的。列处
28、理操作。这些操作是需要耗费时间的。7.6.2 7.6.2 符号符号 状态图中使用的主要表示符号如下所述：状态图中使用的主要表示符号如下所述：状态用圆形框或椭圆框表示，框内可标上状态名状态用圆形框或椭圆框表示，框内可标上状态名也可以不给状态起名字，行为在框内用关键字也可以不给状态起名字，行为在框内用关键字do(do(后接后接冒号冒号)标明。标明。从一个状态到另一个状态的转换用箭头线表示，从一个状态到另一个状态的转换用箭头线表示，线上标以事件名。必要时可在事件名后面加一个方括线上标以事件名。必要时可在事件名后面加一个方括号，括号内写上状态转换的条件。也就是说，仅当方号，括号内写上状态转换的条件。也
29、就是说，仅当方括号内所列出的条件为真时，括号内所列出的条件为真时，该事件的发生才引起箭该事件的发生才引起箭头所示的状态转换。头所示的状态转换。功能模型表示变化的系统的功能模型表示变化的系统的“功能功能”性质，它指性质，它指明了系统应该明了系统应该“做什么做什么”，因此更直接地反映了用户，因此更直接地反映了用户对目标系统的需求。对目标系统的需求。7.7.1 7.7.1 表示方法表示方法 通常，功能模型由一组数据流图组成。通常，功能模型由一组数据流图组成。7.7.2 7.7.2 三种模型之间的关系三种模型之间的关系 在面向对象方法学中，对象模型是最基本最重要在面向对象方法学中，对象模型是最基本最重
30、要的，它为其他两种模型奠定了基础，我们依靠对象模的，它为其他两种模型奠定了基础，我们依靠对象模型完成三种模型的集成。型完成三种模型的集成。下面扼要地叙述三种模型之间的关系。下面扼要地叙述三种模型之间的关系。针对每个类建立的动态模型，描述了类实例的针对每个类建立的动态模型，描述了类实例的生命周期或运行周期。生命周期或运行周期。状态转换驱使行为发生，这些行为在数据流图状态转换驱使行为发生，这些行为在数据流图中被映射成处理，它们同时与对象模型中的服务相对中被映射成处理，它们同时与对象模型中的服务相对应。应。功能模型中的处理，对应于对象模型中类功能模型中的处理，对应于对象模型中类&对象所提供的服务。通
31、常，在顶层数据流图中的处理，对象所提供的服务。通常，在顶层数据流图中的处理，对应于复杂对象提供的服务；在低层数据流图中的处对应于复杂对象提供的服务；在低层数据流图中的处理，对应于更基本的对象理，对应于更基本的对象(基本对象是复杂对象的组成基本对象是复杂对象的组成部分部分)的服务。有时一个处理对应多个服务，也有一个的服务。有时一个处理对应多个服务，也有一个服务对应多个处理的时候。服务对应多个处理的时候。功能模型中的数据存储，以及数据的源点功能模型中的数据存储，以及数据的源点/终点终点(在功能模型中称为动作对象在功能模型中称为动作对象)，通常是对象模型中的，通常是对象模型中的对象。对象。功能模型中
32、的数据流，往往是对象模型中的属功能模型中的数据流，往往是对象模型中的属性值，也可能是整个对象。性值，也可能是整个对象。功能模型中的处理可能产生动态模型中的事件。功能模型中的处理可能产生动态模型中的事件。对象模型描述了功能模型中的动作对象、数据对象模型描述了功能模型中的动作对象、数据存储以及数据流的结构。存储以及数据流的结构。对于大型软件产品来说，面向对象范型明显优于对于大型软件产品来说，面向对象范型明显优于结构化范型。此外，使用面向对象范型能够开发出稳结构化范型。此外，使用面向对象范型能够开发出稳定性好、可重用性好和可维护性好的软件，这些都是定性好、可重用性好和可维护性好的软件，这些都是面向对
33、象方法学的突出优点。面向对象方法学的突出优点。面向对象方法学比较自然地模拟了人类认识客观面向对象方法学比较自然地模拟了人类认识客观世界的思维方式，它所追求的目标和遵循的基本原则，世界的思维方式，它所追求的目标和遵循的基本原则，就是使描述问题的问题空间和在计算机中解决问题的就是使描述问题的问题空间和在计算机中解决问题的解空间，在结构上尽可能一致。解空间，在结构上尽可能一致。用面向对象观点建立系统的模型，能够促进和加用面向对象观点建立系统的模型，能够促进和加深对系统的理解，有助于开发出更容易理解、更容易深对系统的理解，有助于开发出更容易理解、更容易维护的软件。通常，人们从三个互不相同然而又密切维护的软件。通常，人们从三个互不相同然而又密切相关的角度建立起三种不同的模型。它们分别是描述相关的角度建立起三种不同的模型。它们分别是描述系统静态结构的对象模型、描述系统控制结构的动态系统静态结构的对象模型、描述系统控制结构的动态模型、以及描述系统计算结构的功能模型。其中，对模型、以及描述系统计算结构的功能模型。其中，对象模型是最基本、最核心、最重要的。象模型是最基本、最核心、最重要的。
