1、面向对象的四大特性
1、封装
封装：信息隐藏或者数据访问保护，类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方式（或者叫函数）来访问内部信息或者数据
1.1、示例
下面这段代码是金融系统中一个简化版的虚拟钱包的代码实现
在金融系统中，我们会给每个用户创建一个虚拟钱包，用来记录用户在我们的系统中的虚拟货币量
对于虚拟钱包的业务背景，这里你只需要简单了解一下即可，在面向对象的实战篇中，我们会有单独两节课，利用 OOP 的设计思想来详细介绍虚拟钱包的设计实现
public class Wallet {
private String id;
private long createTime;
private BigDecimal balance;
private long balanceLastModifiedTime;
// ... 省略其他属性 ...
public Wallet() {
this.id = IdGenerator.getInstance().generate();
this.createTime = System.currentTimeMillis();
this.balance = BigDecimal.ZERO;
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
}
public String getId() {
return this.id;
}
public long getCreateTime() {
return this.createTime;
}
public BigDecimal getBalance() {
return this.balance;
}
public long getBalanceLastModifiedTime() {
return this.balanceLastModifiedTime;
}
public void increaseBalance(BigDecimal increasedAmount) {
if (increasedAmount.compareTo(BigDecimal.ZERO) < 0) {
throw new InvalidAmountException("...");
}
this.balance.add(increasedAmount);
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
}
public void decreaseBalance(BigDecimal decreasedAmount) {
if (decreasedAmount.compareTo(BigDecimal.ZERO) < 0) {
throw new InvalidAmountException("...");
}
if (decreasedAmount.compareTo(this.balance) > 0) {
throw new InsufficientAmountException("...");
}
this.balance.subtract(decreasedAmount);
this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
}
}
1.2、解释
从代码中，我们可以发现，Wallet 类主要有四个属性（也可以叫作成员变量），也就是我们前面定义中提到的信息或者数据
- id 表示钱包的唯一编号
- createTime 表示钱包创建的时间
- balance 表示钱包中的余额
- balanceLastModifiedTime 表示上次钱包余额变更的时间
我们参照封装特性，对钱包的这四个属性的访问方式进行了限制，调用者只允许通过下面这六个方法来访问或者修改钱包里的数据
- String getId()
- long getCreateTime()
- BigDecimal getBalance()
- long getBalanceLastModifiedTime()
- void increaseBalance(BigDecimal increasedAmount)
- void decreaseBalance(BigDecimal decreasedAmount)
之所以这样设计，是因为从业务的角度来说
- id、createTime 在创建钱包的时候就确定好了，之后不应该再被改动
所以我们并没有在 Wallet 类中，暴露 id、createTime 这两个属性的任何修改方法，比如 set 方法
而且这两个属性的初始化设置，对于 Wallet 类的调用者来说，也应该是透明的
所以我们在 Wallet 类的构造函数内部将其初始化设置好，而不是通过构造函数的参数来外部赋值 - 对于钱包余额 balance 这个属性，从业务的角度来说，只能增或者减，不会被重新设置
所以我们在 Wallet 类中，只暴露了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 方法，并没有暴露 set 方法 - 对于 balanceLastModifiedTime 这个属性，它完全是跟 balance 这个属性的修改操作绑定在一起的，只有在 balance 修改的时候，这个属性才会被修改
所以我们把 balanceLastModifiedTime 这个属性的修改操作完全封装在了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 两个方法中
不对外暴露任何修改这个属性的方法和业务细节
这样也可以保证 balance 和 balanceLastModifiedTime 两个数据的一致性
1.3、意义
如果我们对类中属性的访问不做限制，那任何代码都可以访问、修改类中的属性，虽然这样看起来更加灵活
但从另一方面来说，过度灵活也意味着不可控，属性可以随意被以各种奇葩的方式修改，而且修改逻辑可能散落在代码中的各个角落，势必影响代码的可读性、可维护性
比如某个同事在不了解业务逻辑的情况下
在某段代码中 "偷偷地" 重设了 wallet 中的 balanceLastModifiedTime 属性，这就会导致 balance 和 balanceLastModifiedTime 两个数据不一致
除此之外，类仅仅通过有限的方法暴露必要的操作，也能提高类的易用性
如果我们把类属性都暴露给类的调用者，调用者想要正确地操作这些属性，就势必要对业务细节有足够的了解，而这对于调用者来说也是一种负担
相反，如果我们将属性封装起来，暴露少许的几个必要的方法给调用者使用，调用者就不需要了解太多背后的业务细节，用错的概率就减少很多
这就好比，如果一个冰箱有很多按钮，你就要研究很长时间，还不一定能操作正确
相反，如果只有几个必要的按钮，比如开、停、调节温度，你一眼就能知道该如何来操作，而且操作出错的概率也会降低很多
2、抽象
封装主要讲的是如何隐藏信息、保护数据
而抽象讲的是如何隐藏方法的具体实现，让调用者只需要关心方法提供了哪些功能，并不需要知道这些功能是如何实现的
2.1、示例
public interface IPictureStorage {
void savePicture(Picture picture);
Image getPicture(String pictureId);
void deletePicture(String pictureId);
void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo);
}
public class PictureStorage implements IPictureStorage {
// ... 省略其他属性 ...
@Override
public void savePicture(Picture picture) { ... }
@Override
public Image getPicture(String pictureId) { ... }
@Override
public void deletePicture(String pictureId) { ... }
@Override
public void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo) { ... }
}
2.2、解释
在上面的这段代码中，我们利用 Java 中的 interface 接口语法来实现抽象特性
调用者在使用图片存储功能的时候，只需要了解 IPictureStorage 这个接口类暴露了哪些方法就可以了，不需要去查看 PictureStorage 类里的具体实现逻辑
抽象这个特性是非常容易实现的，并不需要非得依靠接口类或者抽象类这些特殊语法机制来支持
换句话说，并不是说一定要为实现类（PictureStorage）抽象出接口类（IPictureStorage），才叫作抽象
即便不编写 IPictureStorage 接口类，单纯的 PictureStorage 类本身就满足抽象特性
之所以这么说，那是因为：类的方法是通过编程语言中的 "函数" 这一语法机制来实现的，通过函数包裹具体的实现逻辑，这本身就是一种抽象
调用者在使用函数的时候，并不需要去研究函数内部的实现逻辑，只需要通过函数的命名、注释或者文档，了解其提供了什么功能，就可以直接使用了
比如我们在使用 C 语言的 malloc() 函数的时候，并不需要了解它的底层代码是怎么实现的
抽象有时候会被排除在面向对象的四大特性之外
抽象这个概念是一个非常通用的设计思想，并不单单用在面向对象编程中，也可以用来指导架构设计等，而且这个特性也并不需要编程语言提供特殊的语法机制来支持
只需要提供 "函数" 这一非常基础的语法机制，就可以实现抽象特性、所以它没有很强的 "特异性"，有时候并不被看作面向对象编程的特性之一
2.3、意义
如果上升一个思考层面的话，抽象及其前面讲到的封装都是人类处理复杂性的有效手段
在面对复杂系统的时候，人脑能承受的信息复杂程度是有限的，所以我们必须忽略掉一些非关键性的实现细节
而抽象作为一种只关注功能点不关注实现的设计思路，正好帮我们的大脑过滤掉许多非必要的信息
除此之外，抽象作为一个非常宽泛的设计思想，在代码设计中，起到非常重要的指导作用，很多设计原则都体现了抽象这种设计思想
比如：基于接口而非实现编程、开闭原则（对扩展开放、对修改关闭）、代码解耦（降低代码的耦合性）等
换一个角度来考虑，我们在定义类的方法的时候，也要有抽象思维
不要在 "方法定义" 中暴露太多的实现细节，以保证在某个时间点需要 "改变方法的实现逻辑" 的时候，不用去修改其 "定义"
比如 getAliyunPictureUrl() 就不是一个具有抽象思维的命名，因为某一天如果我们不再把图片存储在阿里云上，而是存储在私有云上，那这个命名也要随之被修改
相反，如果我们定义一个比较抽象的函数，比如叫作 getPictureUrl()，那即便内部存储方式修改了，我们也不需要修改命名
3、继承
3.1、介绍
继承是用来表示类之间的 is - a 关系，比如猫是一种哺乳动物
从继承关系上来讲，继承可以分为两种模式，单继承和多继承
单继承表示一个子类只继承一个父类，多继承表示一个子类可以继承多个父类，比如猫既是哺乳动物，又是爬行动物
为了实现继承这个特性，编程语言需要提供特殊的语法机制来支持
- 比如 Java 使用 extends 关键字来实现继承
- C++ 使用冒号（class B : public A）
- Python 使用 paraentheses()
- Ruby 使用 <
不过有些编程语言只支持单继承，不支持多重继承，比如 Java、PHP、C#、Ruby 等
而有些编程语言既支持单重继承，也支持多重继承，比如 C++、Python、Perl 等
3.2、意义
继承最大的一个好处就是代码复用
假如两个类有一些相同的属性和方法，我们就可以将这些相同的部分抽取到父类中，让两个子类继承父类，这样两个子类就可以重用父类中的代码，避免代码重复写多遍
不过这一点也并不是继承所独有的，我们也可以通过其他方式来解决这个代码复用的问题，比如利用 "组合关系" 而不是 "继承关系"
如果我们再上升一个思维层面，去思考继承这一特性，可以这么理解
我们代码中有一个猫类，有一个哺乳动物类，猫属于哺乳动物，从人类认知的角度上来说，是一种 is - a 关系
我们通过继承来关联两个类，反应真实世界中的这种关系，非常符合人类的认知，而且从设计的角度来说，也有一种结构美感
继承的概念很好理解，也很容易使用，但是过度使用继承，继承层次过深过复杂，就会导致代码可读性、可维护性变差
为了了解一个类的功能，我们不仅需要查看这个类的代码，还需要按照继承关系一层一层地往上查看 "父类、父类的父类 ..." 的代码
还有子类和父类高度耦合，修改父类的代码，会直接影响到子类
所以继承这个特性也是一个非常有争议的特性，很多人觉得继承是一种反模式，我们应该尽量少用，甚至不用
关于这个问题，在后面讲到 "多用组合少用继承" 这种设计思想的时候，我会非常详细地再讲解，这里暂时就不展开讲解了
4、多态
多态：子类可以替换父类，在实际的代码运行过程中，调用子类的方法实现
4.1、示例 1
public class DynamicArray {
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
protected int size = 0;
protected int capacity = DEFAULT_CAPACITY;
protected Integer[] elements = new Integer[DEFAULT_CAPACITY];
public int size() {
return size;
}
public Integer get(int index) {
return elements[index];
}
//... 省略 n 多方法...
public void add(Integer e) {
ensureCapacity();
elements[size++] = e;
}
protected void ensureCapacity() {
// ... 如果数组满了就扩容 ...
}
}
public class SortedDynamicArray extends DynamicArray {
@Override
public void add(Integer e) {
ensureCapacity();
// 保证数组中的数据有序
int i;
for (i = size - 1; i >= 0 && elements[i] > e; i--) {
elements[i + 1] = elements[i];
}
elements[i + 1] = e;
size++;
}
}
public class Demo {
public static void test(DynamicArray dynamicArray) {
dynamicArray.add(5);
dynamicArray.add(1);
dynamicArray.add(3);
for (int i = 0; i < dynamicArray.size(); i++) {
System.out.println(dynamicArray.get(i));
}
}
public static void main(String[] args) {
DynamicArray dynamicArray = new SortedDynamicArray();
test(dynamicArray); // 打印结果: 1、3、5
}
}
4.2、解释 1
多态这种特性也需要编程语言提供特殊的语法机制来实现，在上面的例子中，我们用到了三个语法机制来实现多态
- 支持父类对象可以引用子类对象，也就是可以将 SortedDynamicArray 传递给 DynamicArray
- 支持继承，也就是 SortedDynamicArray 继承了 DynamicArray，才能将 SortedDyamicArray 传递给 DynamicArray
- 支持子类可以重写（override）父类中的方法，也就是 SortedDyamicArray 重写了 DynamicArray 中的 add() 方法
通过这三种语法机制配合在一起
我们就实现了在 test() 方法中，子类 SortedDyamicArray 替换父类 DynamicArray，执行子类 SortedDyamicArray 的 add() 方法，也就是实现了多态特性
4.3、示例 2
public interface Iterator {
boolean hasNext();
String next();
String remove();
}
public class Array implements Iterator {
private String[] data;
@Override
public boolean hasNext() { ... }
@Override
public String next() { ... }
@Override
public String remove() { ... }
// ... 省略其他方法 ...
}
public class LinkedList implements Iterator {
private LinkedListNode head;
@Override
public boolean hasNext() { ... }
@Override
public String next() { ... }
@Override
public String remove() { ... }
// ... 省略其他方法 ...
}
public class Demo {
private static void print(Iterator iterator) {
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
}
public static void main(String[] args) {
Iterator arrayIterator = new Array();
print(arrayIterator);
Iterator linkedListIterator = new LinkedList();
print(linkedListIterator);
}
}
4.4、解释 2
Iterator 是一个接口类，定义了一个可以遍历集合数据的迭代器，Array 和 LinkedList 都实现了接口类 Iterator
我们通过传递不同类型的实现类（Array、LinkedList）到 print(Iterator iterator) 函数中，支持动态的调用不同的 next()、hasNext() 实现
- 当我们往 print(Iterator iterator) 函数传递 Array 类型的对象的时候，print(Iterator iterator) 函数就会调用 Array 的 next()、hasNext() 的实现逻辑
- 当我们往 print(Iterator iterator) 函数传递 LinkedList 类型的对象的时候，print(Iterator iterator) 函数就会调用 LinkedList 的 next()、hasNext() 的实现逻辑
4.5、意义
多态特性能提高代码的可扩展性和复用性
我们利用多态的特性，仅用一个 print() 函数就可以实现遍历打印不同类型（Array、LinkedList）集合的数据
当再增加一种要遍历打印的类型的时候，比如 HashMap
我们只需让 HashMap 实现 Iterator 接口，重新实现自己的 hasNext()、next() 等方法就可以了，完全不需要改动 print() 函数的代码
如果我们不使用多态特性，我们就无法将不同的集合类型（Array、LinkedList）传递给相同的函数（print(Iterator iterator) 函数）
我们需要针对每种要遍历打印的集合，分别实现不同的 print() 函数
比如针对 Array，我们要实现 print(Array array) 函数，针对 LinkedList，我们要实现 print(LinkedList linkedList) 函数
而利用多态特性，我们只需要实现一个 print() 函数的打印逻辑，就能应对各种集合数据的打印操作，这显然提高了代码的复用性
多态也是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础
比如：策略模式、基于接口而非实现编程、依赖倒置原则、里式替换原则、利用多态去掉冗长的 if-else 语句等等
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