【Java学习笔记（二）】类与对象&面向对象的三大特点

本文最后更新于2020年2月21日，可能由于时间等因素导致内容失效，请自行辨别或联系作者。

如何理解面向对象程序设计

两种基本程序思想

• 面向过程程序设计（POP）
• 面向对象程序设计（OOP）

面向对象程序设计的基本特征

• 封装性
• 继承性
• 多态性

两种编程基本思想的比较

• POP
  • 该怎么做（How to do？）
  • 程序=算法+数据结构
  • 自上而下，步步求精，以过程为中心，以算法为驱动
• OOP
  • 该让谁来做（What to do？）
  • 程序=对象+消息传递=（数据+方法）+消息传递

类

类的简介

• 将具有相同属性以及相同行为的一组对象成为类（Class）；类是组成Java的基本要素，它封装了一类对象的状态和方法；

类的定义

 [标识符] class 类名称
{
零到多个构造器(构造方法)定义..
零到多个成员变量..
零到多个方法..
}

• 标识符
  • default
    • 仅限同一个包（package）内访问
  • private
    • 仅限当前的类内部访问，不可以修饰类和接口（interface）
  • public
    • 既可跨类访问，又可跨包访问
  • protected
    • 仅限类本身的方法和子类访问，不可以修饰类和接口
  • final
    • 无法改变或者说终态的，如果修饰类则意味着这个类不可以被继承
• 类名称
  • 从语法来看，只要是一个合法的标识符即可作为类名称；但是从程序的可读性角度出发，Java类名必须是一个或多个有意义的单词连缀而成，每个单词首字母大写，其它字母全部小写，单词与单词之间不要使用任何分隔符
• 三种常见的类的成员
  • 构造方法（constructor）
    • 是一种特殊的方法，又叫构造器，用来初始化该类的一个新的对象，构造方法和类名同名，而且不返回数据类型。如果没有编写构造方法，Java会提供一个默认的构造方法。
  • 属性(field)
    • 属性即成员变量，有时还直译为字段。
  • 方法
    • 见Java学习笔记第三篇

类的属性

• 又称为字段或者成员变量
• [修饰符] 属性类型 属性名[=默认值]
• 属性名
  • 从语法来看，只要是一个合法的标识符即可作为属性名；但是从程序的可读性角度出发，Java属性应该由一个或多个有意义的单词连缀而成，第一个单词首字母小写，其它单词首字母大写，其它字母全部小写，单词与单词之间不要使用任何分隔符
• 修饰符
  • public
  • protected
  • private
  • static
    • 被修饰的变量称为类变量，它们属于类本身，它们被类的实例所共享
    • 还可以修饰类中的方法，成为类方法，表明它是这个类共有的
  • final

类的构造方法

• 语法格式

  [修饰符] 构造方法名(形参列表)
  {
   //0到多条可执行语句
  }
  

• 构造方法名必须与类名相同
• 构造方法既不能定义返回值类型，也不能使用void声明此构造方法没有返回值，如果为构造方法定义了返回值类型，或使用void声明构造方法没有返回值，Java会把这个构造方法当初普通方法来处理

对象

对象的简介

• 对象（Object）是类的实例化后的产物；对象的静态特征抽象为属性，用数据来描述，也就是变量；对象的动态特征抽象为行为，用一组代码表示，完成对数据的操作，也就是方法；

对象的声明

• 类名 对象名=new 类名（）；
  • 此时就会调用的对应类名的构造方法来创建一个新的类的对象
• 栈内存和堆内存
  • 堆栈溢出（Stack Overflow）
    • 由于栈内存比较小，如果栈内存不慎耗尽，就会产生堆栈溢出，这将导致整个运行中的程序崩溃（Crash）
    • 全球最受欢迎的IT技术网站就叫做Stack Flow，如中文网站不能找到解决方案，则可以尝试在这个网站寻找高质量的英文解决方案

对象的使用

• 对象名称.属性名
• 对象名称.方法名()

匿名对象

• 即没有名字的对象，具体说就是只开辟了堆内存空间，而没有栈内存指向的对象

对象的比较

• ==运算符
  • 比较两个对象的内存地址（引用值）是否相等
• equals（）方法
  • 比较两个对象的内容是否一致

对象数组的使用

• 类可有理解为用户自定义的数据类型，因此可以用数组来存放
• 声明方式
  • Person p[]; p=new Person[3];
  • Person p[]=new Person[3];
  • Person p[]={new Person(), new Person(), new Person()};
  • 或者也可以用for循环，略

饿汉式与懒汉式单例模式

• 单例模式又叫做Singleton模式，指的是一个类，在一个JVM里，只有一个实例存在
• 用private修饰类的构造方法即可
• 区别
  • 饿汉式
    • private static 类名 instance = new 类构造方法()；
    • 提供一个getInstance方法返回instance
  • 懒汉式
    • private static 类名 instance；此时instance指向null
    • 提供一个getInstances方法返回instance，此时应该加入判断语句，判断null==Instance，则instance==new 类构造方法（）；
• 单例模式三要素
  • 构造方法私有化
  • 静态属性指向实例
  • public static的getInstance方法，返回第二部的静态属性

类的封装、继承与多态

面向对象的三大特点

• 封装的含义
  • 将描述某类事物的数据与处理这些数据的函数封装在一起，形成一个有机整体，称为类
  • 它指的是将对象的状态信息隐藏在对象内部，不允许外部程序直接访问对象内部信息，而是通过该类所提供的方法来实现对内部信息的操作和访问
• 继承的含义
  • 对象是类的一个实例（Instance）
  • 当某一个新类A继承某一既有类B时，表示这个新类A具有既有类B的所有成员，同时对既有类的成员作出了修改，抑或是增加了新的成员。保持已有类的特性而构造新类的过程称为继承
• 多态的含义
  • 多态性可分为两类
    • 方法多态性，体现在方法的重载和覆写上
    • 对象多态性，体现在父、子对象之间的转换上
      • 向上转型（Upcast）（自动转型）：父类 父类对象 = 子类实例
      • 向下转型（Downcast）（强制转型）：子类 子类对象 =（子类） 父类对象

封装的实现

• 隐藏
  • 被关键词static修饰的静态方法是不能被覆盖的，在Java中，这种特性称为隐藏（Hide）
  • 事实上，所有的静态方法都属于类，而非对象
• Java访问权限修饰符
  • 私有Private
    • 类：只有内部类允许私有，只能在当前类中被访问
    • 属性：只能被当前类访问
    • 方法：只能被当前类访问
  • 默认Default
    • 类：可以被当前包中的所有类访问
    • 属性：可以被相同包中的类访问
    • 方法：可以被相同包中的类访问
  • 保护Protected
    • 类：只有内部类可以设为保护权限，相同包中的类和其子类可以访问
    • 属性：可以被相同包中的类和当前类的子类访问
    • 方法：可以被相同包中的类和当前类的子类访问
  • 公有Public
    • 类、属性、方法：可以被所有的类访问
  • 一般什么情况下使用什么修饰符？
    • 属性通常用private封装起来
    • 方法一般使用public用于被调用
    • 会被子类继承的方法，通常是用protected
    • default用的不多，一般是新手使用，因为不知道有修饰符这个东西
• 封装问题的总结
  • 目的
    • 实现“信息隐藏”（Information Hidding）
  • 好处
    • 良好的封装可以提高代码的模块化程度，它防止了对象之间不良的相互影响，是程序达到强内聚（许多功能尽量在类的内部独立完成，不让外面干预），弱耦合（提供给外部尽量少的方法调用）的最终目标
  • 何时使用
    • 关于封装与否并没有一个明确的规定，不过从程序设计的角度来说，一般说来设计好的程序的类中的属性都是需要封装的额

继承的实现

• 继承的基本概念
  • class 子类名 extends 父类
  • 只能直接继承父类中的公有属性和公有方法，而隐含（不可见的）的继承了私有属性，Java的子类不能获得父类的构造方法
• 继承的限制
  • 在Java中不允许多重继承但允许多层继承，但一般情况下不宜超过三层，即每一个子类只能有一个直接父类，但是子类还可以继续往下继承得到子类的子类，以此类推
  • 从父类继承的私有成员，不能被子类直接使用
  • 子类在进行对象实例化时，从父类继而来的数据成员需要先调用父类的构造方法来初始化，然后再用子类的构造方法来初始化本地的数据成员
    • 使用super可在子类的构造方法中调用父类的构造方法
      • 例如：

        public class Person{
         private String name;
         private String sex;
         private int age;
         public Person(){}
         public Person(String name,int age){
           this.name=name;
           this.age=age;  
          }
         public Person(String name,String sex,int age){
           this(name,age);//调用带有着两个形参的构造方法的初始化代码
           this.sex=sex;
         }
       }
       public class Woman extends Person{
         private String sex;
         public Woman(String name,int age){
          //调用了父类的构造方法
          super(name,age);
          this.sex="女";
         }             
       }
      
      

    • 不管是否使用super调用来执行父类构造器的初始化代码，子类构造器总会调用父类构造器一次，有如下几种情况
      • 子类构造器执行体的第一行使用super显示调用父类构造器，系统将根据super调用里传入的实参列表调用父类对应的构造器
      • 子类构造器执行体的第一行代码使用this显示调用本类重载的构造器，系统将根据this调用里传入的实参列表调用本类中的另一个构造器。执行本类中另一个构造器时即会调用父类构造器
      • 子类构造器执行体中既没有super调用，也没有this调用，系统将会在执行子类构造器之前，隐式调用父类无参数的构造器
  • 被final修饰的类不能再被继承
• 覆写（Override）
  • 方法的覆写
    • 覆写又叫重写，当一个子类继承一个父类，如果子类中定义了和父类方法同名的方法时，就称子类中的这个方法覆写了父类中的方法
    • 方法的重写要遵循“两同两小一大”规则
      • 两同：方法同名、形参列表相同
      • 两小：子类方法返回值类型应比父类方法返回值类型更小或者相等，子类方法抛出的异常类应比父类方法抛出的异常类更小或相等
        • 被覆写的方法不能拥有比父类更为严格的访问控制权限
          • 私有private<默认default<公有public
          • 如果父类是private权限，子类无法感知，也就不存在所谓的覆写了；
      • 一大：子类方法的访问权限应比父类方法的访问权限更大或相等
      • 覆盖方法和被覆盖方法要么都是类方法，要么都是实例方法
  • 属性的覆写
    • 从开发的角度来说，为了满足类的封装性，类中的属性一般都需要使用private封装，一旦封装后，子类压根就“看不见”父类的属性成员，子类定义的同名属性成员，其实就是一个“全新的”数据成员，所谓的覆写操作就完全没有意义了
• 深度认识类的继承
  • 子类的对象实例化过程
    • 先调用父类构造，再调用子类构造
    • 执行父类构造器时，系统会再次上溯执行其父类构造器…以此类推，创建任何Java对象，最先执行的总是java.lang.Object类的构造器
  • super关键字的使用
    • 有时候我们也称父类为超类（super-class）；主要功能是，如果子类覆写了父类的方法，或者子类的变量隐藏了父类的变量时，可以通过super完成子类调用父类中的内容，也就是调用父类中的属性或方法
    • 调用构造方法的用法
      • super（参数1，参数2，……）
      • super（）必须写在子类构造方法的第一行
    • 调用属性和方法的用法
      • super.父类中的属性
      • super.父类中的方法()；
  • 如果在某个方法中访问名为a的成员变量，但是没有显示指定调用者，则系统查找a的顺序为
    • 查找该方法中是否有名为a的局部变量
    • 查找当前类中是否包含名为a的成员变量
    • 查找a的直接父类中是否包含名为a的成员变量，依次上溯a的所有父类，知道java.lang.Object类，如果最终不能找到名为a的成员变量，则出现编译错误
  • 限制子类的访问
    • 加上private关键字
  • 一种特殊的情形

      class Parent{
        public String tag="父类的tag";
      }
      class Kids extends Parent{
        public String tag=“子类的tag”;
      }
    ......
         Kids k=new Kis();
         //程序不可以访问k的私有变量tag，以下语句将引起编译错误
         //System.out.println(k.tag);
         //将k变量显示地向上转型为Parent之后，即可访问tag实例变量
         //此时将输出“父类的tag”
         System.out.println(((Parent)k).tag);
    ......
    

• 使用继承需要注意的问题
  • 子类继承父类时，子类可以从父类继承得到成员变量和方法，如果访问权限允许，子类可以直接访问父类的成员变量和方法，继承是实现类复用的重要手段，但继承带来一个最大的坏处：破坏封装。
  • 为了保证父类具有良好的封装性，不会被子类随意改变，设计父类通常应遵循如下原则
    • 尽量隐藏父类的内部数据。尽量把父类的所有成员变量都设置成private访问类型，不要让子类直接访问父类的成员变量
    • 不要子类可以随意访问、修饰父类的方法。父类中那些仅为辅助其他的工具方法，应该使用private访问控制符修饰，让子类无法访问；如果父类中的方法需要被外部类调用，则必须以public来修饰，但又不希望子类重写该方法，可以使用final修饰符来修饰该方法；如果希望父类的某个方法被子类重写，但不希望被其它类自由访问，则可以使用protected来修饰该方法
    • 尽量不要在父类构造器中调用将要被子类重写的方法
  • 何时需要从父类派生新的子类
    • 保证子类是一种特殊的父类
    • 以下条件满足之一
      • 子类需要有额外增加属性，而不仅仅是属性的改变
      • 子类需要增加自己独有的行为方式（包括增加新的方法或重写父类的方法）
• 利用组合实现复用
  • 如果需要复用一个类，还可以把类当成另一个类的组合成分，从而允许新类直接复用该类的public方法
  • 组合即在一个新类中以private的方式实例化一个旧类的对象，通过这个对象复用旧类的方法和属性
• 继承和组合的选择
  • 大部分时候，继承关系中从多个子类里抽象出共有父类的过程，类似于组合关系中从多个整体类里提取组合类的过程；继承关系中从父类派生子类的过程，则类似于组合关系中把被组合类组合到整体类的过程
  • 继承是对已有的类做一番改造，以此获得一个特殊的版本，简而言之，就是将较为抽象的类改造成能适用于某些特定需求的类。例如，狼和动物，使用继承关系更能表达现实意义，用一个动物来合成一匹狼毫无意义。
  • 如果两个类之间有明确的整体、部分关系，例如人需要复用手来写字、脚来走路，此时就应该采用组合关系来实现代码复用
  • 总而言之，继承要表达是一种“是（is-a）关系”，而组合表达的是“有（has-a）”的关系

多态的实现

• Java引用变量有两个类型：一个是编译时类型，一个是运行时类型。编译时类型由声明该变量时使用的类型决定，运行时类型由实际赋给该变量的对象决定。如果编译时类型和运行时类型不一致，就可能出现所谓的多态（Polymorphism）
• 方法多态性
  • 方法的重载
• 对象多态性
  • 向上转型：父亲对象通过子类对象去实例化，向上转型可以自动完成
    • 例如 Parent marry=new Kids(); 此时子类是一种特殊的父类，因此Java允许把一个子类对象直接赋给一个父类引用变量，无需任何类型转换。此时marry引用变量的编译类型是Parent，而运行时类型是Kids，当运行时调用该引用变量的方法（子类覆写了父类的方法）时，其方法行为总是表现出子类方法的行为特征，而不是父类方法的行为特征，这就可能出现：相同的变调用同一个方法时呈现出多种不同的行为特征，这就是多态。而如果是子类自己独有的方法，直接调用会发生编译错误（可以通过反射机制来执行这种方法）。其次对象的实例变量不具备多态性，此时marry的变量以及其对应的值都来源于Parent，而不是Kids
  • 向下转型：父类的对象可以转换为子类对象，这时必须要进行强制的类型转换，向下转型必须进行强制类型转换
    • 引用变量的强制类型转换通过(type)variable的方式进行
      • 例如

       Parent marry= new Kids();   // 这就叫 upcasting （向上转型)
      
       // 现在 marry 引用指向一个Kids对象
       Kids ming = (Kids)marry; // 这就叫 downcasting (向下转型)
      

    • 进行强制类型转换时需要注意
      • 基本类型之间的转换只能在数值类型之间进行，这里所说的数值类型包括整数型、字符型和浮点型。但数值类型和布尔类型之间不可以进行类型转换
      • 引用类型之间的转换只能在具有继承关系的两个类型之间进行，如果是两个没有任何继承关系的类型，则无法进行类型转换，否则编译时就会出现错误。如果试图把一个父类实例转换成子类类型，则这个对象必须实际上是子类实例才行（即编译时类型为父类类型，而运行时类型是子类类型），否则将在运行时发生ClassCastException
    • instanceof运算符
      • 此运算符的前一个操作数通常是一个引用类型变量，后一个操作数通常是一个类（也可以是接口，接口也是一种特殊的类），它用于判断前面的对象是否是后面的类，或者其子类、实现类的实例。如果是则返回true，不是则返回false
      • 使用时需要注意：运算符前面操作数的编译类型要么与后面的类相同，要么与后面的类具有父子继承关系，否则会引起编译错误
      • 考虑到强制类型转换时可能出现异常，因此进行类型转换之前应先通过instanceof运算符来判断是否可以成功转换。
        • 例如：

         if (marry instanceof Kids){
          Kids ming = (Kids)marry;
         }
        

  • 转型问题，总结为一句话就是父类引用指向子类对象，而子类引用不能指向父类对象。
• 继承是子类使用父类的方法；而多态则是父类使用子类的方法。更确切来说，多态是父类使用被子类覆盖的同名方法，如果子类的方法是全新的，父类不存在同名的方法，则父类也不能使用子类自己独有的“个性化方法”