第6章对象、类、包和接口
在前面几章中,我们对Java的简单数据类型、数组、运算符和表达式以及流控制方法作了详细的介绍。从现在开始,我们要深入到面向对象的编程技术,深入到Java最吸引人的地方。本章中,我们首先讲述面向对象程序设计的基本概念及特点,然后讨论Java中的类、对象、包和接口,最后进行小结,给出一个完整的Java文件的格式。
6.1面向对象的程序设计
面向过程的程序设计方法从解决问题的每一个步骤入手,它适合于解决比较小的简单问题。C语言采用面向过程的程序设计模型,但是由于C本身几乎没有支持代码重用的语言结构,并且缺乏统一的接口,使得当程序的规模达到一定程度时,程序员很难控制其复杂性。
面向对象的程序设计方法则按照现实世界的特点来管理复杂的事物,把它们抽象为对象,具有自己的状态和行为,通过对消息的反应来完成一定的任务。
6.1.1对象、类和消息
一个对象就是变量和相关的方法的集合,其中变量表明对象的状态,方法表明对象所具有的行为,下图表示了一个对象的特征：
一个对象的变量构成这个对象的核心,包围在它外面的方法使这个对象和其它对象分离开来。例如:我们可以把汽车抽象为一个对象,用变量来表示它当前的状态,如速度、油量、型号、所处的位置等,它的行为则可以有加速、刹车、换挡等。我们操纵汽车时,不用去考虑汽车内部各个零件如何运作的细节,而只需根据汽车可能的行为使用相应的方法即可。实际上,面向对象的程序设计实现了对对象的封装,使我们不必关心对象的行为是如何实现的这样一些细节。通过对对象的封装,实现了模块化和信息隐藏,有利于程序的可移植性和安全性,同时也利于对复杂对象的管理。
对象之间必须要进行交互来实现复杂的行为。例如,要使汽车加速,必须发给它一个消息,告诉它进行何种动作(这里是加速)以及实现这种动作所需的参数(这里是需要达到的速度等)。对象A对象B间的消息传递过程。
一个消息包含三个方面的内容：
●消息的接收者
●接收对象应采用的方法
●方法所需要的参数。
同时,接收消息的对象在执行相应的方法后,可能会给发送消息的对象返回一些信息(如上例中,汽车的仪表上会出现已经达到的速度等)。
由于任何一个对象的所有行为都可以用方法来描述,通过消息机制就可以完全实现对象之间的交互,同时,处于不同处理过程甚至不同主机的对象间也可以通过消息实现交互。
上面所说的对象是一个具体的事物,例如每辆汽车都是一个不同的对象。但是多个对象常常具有一些共性,如所有的汽车都有轮子、方向盘、刹车装置等。于是我们抽象出一类对象的共性,这就是类。类中定义一类对象共有的变量和方法。把一个类实例化即生成该类的一个对象。比如我可以定义一个汽车类来描述所有汽车的共性。通过类的定义人们可以实现代码的复用。我们不用去描述每一个对象(如某辆汽车),而是通过创建类(如汽车类)的一个实例来创建该类的一个对象,这大大减化了软件的设计。
6.1.2继承
通过对象、类,我们实现了封装,通过子类我们可以实现继承。
对于上例来说,公共汽车、出租车、货车等都是汽车,但它们是不同的汽车,除了具有汽车的共性外,它们还具有自己的特点(如不同的操作方法,不同的用途等)。这时我们可以把它们作为汽车的子类来实现,它们继承父类(汽车)的所有状态和行为,同时增加自己的状态和行为。通过父类和子类,我们实现了类的层次,可以从最一般的类开始,逐步特殊化,定义一系列的子类。同时,通过继承也实现了代码的复用,使程序的复杂性线性地增长,而不是呈几何级数增长。
在C++中支持多重继承,即一个类可以继承多个父类,这使得对象的实现变得非常复杂且不可预料(设想多个父类拥有某些相同的变量和方法)。Java则只支持单一继承,大大降低了复杂度。在Java中通过接口可以实现多重继承,但接口的概念更简单,使用更方便,而且不仅仅限于继承,它使多个不相关的类可以具有相同的方法。
6.1.3多态
Java通过方法重写和方法重载（overloading）来实现多态。
通过方法重写,一个类中可以有多个具有相同名字的方法,由传递给它们不同个数或不同类型的参数来决定使用哪种方法,这就是多态。
例如,对于一个作图的类,它有一个draw()方法用来画图或输出文字,我们可以传递给它一个字符串、一个矩形、一个圆形,甚至还可以再指定作图的初始位置、图形的颜色等,对于每一种实现,只需实现一个新的draw()方法即可,而不需要新起一个名字,这样大大简化了方法的实现和调用,程序员和用户都不需要记住很多的方法名,只需要传入相应的参数即可。
通过方法重载,子类可以重新实现父类的某些方法,使其具有自己的特征。例如对于汽车类的加速方法,其子类(如赛车)中可能增加了一些新的部件来改善提高加速性能,这时可以在赛车类中重载父类的加速方法。重载隐藏了父类的方法,使子类拥有自己具体实现,更进一步表明了与父类相比,子类所具有的特殊性。
本节中,我们对面向对象程序设计的一些基本内容作了讲解,下面我们就分别讲述Java是如何实现这些内容的。