Java™ 教程（面向對象編程概念）

面向對象編程概念

若是你之前從未使用過面向對象的編程語言，那麼在開始編寫任何代碼以前，你須要學習一些基本概念，本課將向你介紹對象、類、繼承、接口和包，每一個討論都關注這些概念如何與現實世界相關，同時介紹Java編程語言的語法。

什麼是對象？

對象是理解面向對象技術的關鍵，環顧四周，你會發現許多現實世界中的東西：你的狗，你的桌子，你的電視機，你的自行車。

真實世界的對象有兩個特徵：它們都有狀態和行爲，狗有狀態（名字，顏色，品種，飢餓）和行爲（吠叫，挑逗，搖尾巴），自行車也有狀態（當前齒輪，當前踏板節奏，當前速度）和行爲（換檔，改變踏板節奏，踩剎車），識別真實對象的狀態和行爲是開始考慮面向對象編程的好方法。

如今花一分鐘觀察你周圍的真實世界，對於你看到的每個物體，問本身兩個問題：「這個對象可能處於什麼狀態?」和「這個對象可能執行什麼行爲?」，必定要寫下你的觀察結果，正如你所作的，你會注意到現實世界中的對象在複雜性上是不一樣的；你的檯燈可能只有兩個可能的狀態（打開和關閉）和兩個可能的行爲（打開和關閉），可是你的桌面收音機可能有其餘狀態（打開、關閉、當前音量、當前站）和行爲（打開、關閉、增長音量、減小音量、查找、掃描和調優）。你可能還注意到，一些對象反過來也將包含其餘對象，這些實際的觀察結果都轉化爲面向對象編程的世界。

軟件對象在概念上與真實世界的對象類似：它們也包括狀態和相關的行爲，對象將其狀態存儲在字段中（某些編程語言中的變量），並經過方法（某些編程語言中的函數）公開其行爲，方法對對象的內部狀態進行操做，並做爲對象到對象通訊的主要機制，隱藏內部狀態並要求經過對象的方法執行全部交互稱爲數據封裝 — 面向對象編程的基本原則。

以自行車爲例：

經過歸因於狀態（當前速度，當前踏板節奏和當前檔位）並提供改變該狀態的方法，該對象仍然控制外部世界如何被容許使用它，例如，若是自行車僅具備6個檔位，則換檔的方法能夠拒絕小於1或大於6的任何值。

將代碼打包到單獨的軟件對象中能夠帶來不少好處，包括：

1. 模塊化：對象的源代碼能夠獨立於其餘對象的源代碼編寫和維護，一旦建立，對象能夠很容易地在系統內部傳遞。
2. 信息隱藏：經過只與對象的方法交互，其內部實現的細節仍然隱藏在外部世界以外。
3. 代碼重用：若是一個對象已經存在（可能由另外一個軟件開發人員編寫），你能夠在程序中使用該對象，這容許專門實現/測試/調試複雜的、特定於任務的對象，而後你能夠信任這些對象在你本身的代碼中運行。
4. 可插入性和調試方便：若是某個特定對象出現問題，你能夠簡單地從應用程序中刪除它，並將另外一個對象插入替換，這相似於在現實世界中解決機械問題，若是螺栓斷裂，你要更換它，而不是整個機器。

什麼是類？

在現實世界中，你常常會發現許多單獨的物體都是同樣的，可能還有成千上萬的其餘自行車存在，全部的製造和模型都是同樣的，每一輛自行車都是用一樣一套藍圖建造的，所以包含了一樣的部件，在面向對象的術語中，咱們說你的自行車是稱爲自行車的對象類的實例，類是建立單個對象的藍圖。

下面的Bicycle類是自行車的一種可能實現：

class Bicycle {

    int cadence = 0;
    int speed = 0;
    int gear = 1;

    void changeCadence(int newValue) {
         cadence = newValue;
    }

    void changeGear(int newValue) {
         gear = newValue;
    }

    void speedUp(int increment) {
         speed = speed + increment;   
    }

    void applyBrakes(int decrement) {
         speed = speed - decrement;
    }

    void printStates() {
         System.out.println("cadence:" +
             cadence + " speed:" + 
             speed + " gear:" + gear);
    }
}

Java編程語言的語法對你來講是全新的，可是這個類的設計是基於以前對自行車對象的討論，字段cadence、speed以及gear表示對象的狀態，方法（changeCadence、changeGear、speedUp等）定義了它與外部世界的交互。

你可能已經注意到，Bicycle類不包含main方法，那是由於它不是一個完整的應用程序；這只是在應用程序中使用的自行車的藍圖，建立和使用新的Bicycle對象的職責屬於應用程序中的其餘類。

這裏有一個BicycleDemo類，它建立兩個獨立的Bicycle對象並調用它們的方法：

class BicycleDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // Create two different 
        // Bicycle objects
        Bicycle bike1 = new Bicycle();
        Bicycle bike2 = new Bicycle();

        // Invoke methods on 
        // those objects
        bike1.changeCadence(50);
        bike1.speedUp(10);
        bike1.changeGear(2);
        bike1.printStates();

        bike2.changeCadence(50);
        bike2.speedUp(10);
        bike2.changeGear(2);
        bike2.changeCadence(40);
        bike2.speedUp(10);
        bike2.changeGear(3);
        bike2.printStates();
    }
}

此測試的輸出打印兩輛自行車的cadence，speed和gear：

cadence:50 speed:10 gear:2
cadence:40 speed:20 gear:3

什麼是繼承？

不一樣種類的物體之間每每有必定的共同之處，例如山地自行車、公路自行車和雙人自行車，都有自行車的特色（目前的速度，目前的踏板節奏，目前的檔位），然而，每一個還定義了使它們不一樣的其餘功能：雙人自行車有兩個座位和兩套車把；公路自行車有彎車把；一些山地自行車有一個額外的鏈環，使它們的齒輪比更低。

面向對象編程容許類從其餘類繼承共同的狀態和行爲，在這個例子中，Bicycle如今成爲了MountainBike、RoadBike和TandemBike的超類，在Java編程語言中，每一個類都容許有一個直接的超類，每一個超類均可能有無限數量的子類：

建立子類的語法很簡單，在類聲明的開頭，使用extend關鍵字，後跟要繼承的類的名稱：

class MountainBike extends Bicycle {

    // new fields and methods defining 
    // a mountain bike would go here

}

這使MountainBike擁有與Bicycle相同的字段和方法，但它的代碼卻只關注使它獨一無二的特性，這使得子類的代碼易於閱讀，可是，莫必須注意正確記錄每一個超類定義的狀態和行爲，由於該代碼不會出如今每一個子類的源文件中。

什麼是接口？

正如你已經瞭解的，對象經過它們公開的方法定義它們與外部世界的交互，方法造成對象與外界的接口；例如，電視機前的按鈕是你和塑料外殼另外一面的電線之間的接口，你按下「電源」按鈕，打開和關閉電視。

在最多見的形式中，接口是一組具備空體的相關方法，自行車的行爲（若是指定爲接口）可能以下所示：

interface Bicycle {

    //  wheel revolutions per minute
    void changeCadence(int newValue);

    void changeGear(int newValue);

    void speedUp(int increment);

    void applyBrakes(int decrement);
}

要實現這個接口，你的類的名稱將會改變（例如，對特定品牌的自行車，例如ACMEBicycle），而且你將在類聲明中使用implements關鍵字：

class ACMEBicycle implements Bicycle {

    int cadence = 0;
    int speed = 0;
    int gear = 1;

   // The compiler will now require that methods
   // changeCadence, changeGear, speedUp, and applyBrakes
   // all be implemented. Compilation will fail if those
   // methods are missing from this class.

    void changeCadence(int newValue) {
         cadence = newValue;
    }

    void changeGear(int newValue) {
         gear = newValue;
    }

    void speedUp(int increment) {
         speed = speed + increment;   
    }

    void applyBrakes(int decrement) {
         speed = speed - decrement;
    }

    void printStates() {
         System.out.println("cadence:" +
             cadence + " speed:" + 
             speed + " gear:" + gear);
    }
}

實現接口容許類對其承諾提供的行爲變得更加正式，接口在類和外部世界之間造成契約，而且該契約在構建時由編譯器強制執行，若是你的類聲稱實現了一個接口，那麼在該類成功編譯以前，該接口定義的全部方法必須出如今其源代碼中。

要實際編譯 ACMEBicycle類，你須要將 public關鍵字添加到已實現的接口方法的開頭，稍後你將在有關類和對象以及接口和繼承的課程中瞭解相關緣由。

什麼是包？

包是組織一組相關類和接口的命名空間，從概念上來講，你能夠將包看做相似於計算機上的不一樣文件夾，你能夠將HTML頁面保存在一個文件夾中，將圖像保存在另外一個文件夾中，將腳本或應用程序保存在另外一個文件夾中。由於用Java編程語言編寫的軟件能夠由數百或數千個單獨的類組成，因此經過將相關的類和接口放置到包中來組織事情是有意義的。

Java平臺提供了一個龐大的類庫（一組包），能夠在你本身的應用程序中使用，這個庫被稱爲「應用程序編程接口」，簡稱爲「API」，它的包表明了最經常使用於通用編程的工做。例如，String對象包含字符串的狀態和行爲；File對象容許程序員輕鬆地在文件系統上建立、刪除、檢查、比較或修改文件；Socket對象容許建立和使用網絡sockets；各類GUI對象控制按鈕和複選框以及與圖形用戶界面相關的任何其餘內容。實際上有成千上萬個類可供選擇，這容許程序員關注特定應用程序的設計，而不是使其工做所需的基礎設施。

Java平臺API規範包含Java SE平臺提供的全部包、接口、類、字段和方法的完整清單，在瀏覽器中加載該頁面並將其添加到書籤，做爲程序員，它將成爲你最重要的參考文檔。

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