面向对象的4个基本特征

面向对象的4个基本特征
在上述面向对象的基本概念基础之上，不可避免地要涉及到面向对象程序设计所具有的4个共同特征：抽象性、封装性、继承性和多态性。
1．抽象
抽象是人们认识事物的常用方法，比如地图的绘制。抽象的过程就是如何简化、概括所观察到的现实世界，并为人们所用的过程。
抽象是软件开发的基础。软件开发离不开现实环境，但需要对信息细节进行提炼、抽象，找到事物的本质和重要属性。
抽象包括两个方面：过程抽象和数据抽象。过程抽象把一个系统按功能划分成若干个子系统，进行"自顶向下逐步求精"的程序设计。数据抽象以数据为中心，把数据类型和施加在该类型对象上的操作作为一个整体（对象）来进行描述，形成抽象数据类型ADT。
所有编程语言的最终目的都是提供一种"抽象"方法。一种较有争议的说法是：解决问题的复杂程度直接取决于抽象的种类及质量。其中，"种类"是指准备对什么进行"抽象"。汇编语言是对基础机器的少量抽象。后来的许多"命令式"语言（如FORTRAN、BASIC和C）是对汇编语言的一种抽象。与汇编语言相比，这些语言已有了较大的进步，但它们的抽象原理依然要求程序设计者着重考虑计算机的结构，而非考虑问题本身的结构。在机器模型（位于"方案空间"）与实际解决的问题模型（位于"问题空间"）之间，程序员必须建立起一种联系。这个过程要求人们付出较大的精力，而且由于它脱离了编程语言本身的范围，造成程序代码很难编写，而且要花较大的代价进行维护。由此造成的副作用便是一门完善的"编程方法"学科。
为机器建模的另一个方法是为要解决的问题制作模型。对一些早期语言来说，如LISP和APL，它们的做法是"从不同的角度观察世界"、"所有问题都归纳为列表"或"所有问题都归纳为算法"。PROLOG则将所有问题都归纳为决策链。对于这些语言，可以认为它们一部分是面向基于"强制"的编程，另一部分则是专为处理图形符号设计的。每种方法都有自己特殊的用途，适合解决某一类的问题。但只要超出了它们力所能及的范围，就会显得非常笨拙。
面向对象的程序设计在此基础上则跨出了一大步，程序员可利用一些工具来表达问题空间内的元素。由于这种表达非常普遍，所以不必受限于特定类型的问题。人们将问题空间中的元素以及它们在方案空间的表示物称作"对象"。当然，还有一些在问题空间没有对应体的其他对象。通过添加新的对象类型，程序可进行灵活的调整，以便与特定的问题配合。所以在阅读方案的描述代码时，会读到对问题进行表达的话语。与以前的方法相比，这无疑是一种更加灵活、更加强大的语言抽象方法。
总之，OOP允许人们根据问题，而不是根据方案来描述问题。然而，仍有一个联系途径回到计算机。每个对象都类似一台小计算机；它们有自己的状态，而且可要求它们进行特定的操作。与现实世界的"对象"或者"物体"相比，编程"对象"与它们也存在共通的地方：它们都有自己的特征和行为。
2．封装
封装是面向对象编程的特征之一，也是类和对象的主要特征。封装将数据以及加在这些数据上的操作组织在一起，成为有独立意义的构件。外部无法直接访问这些封装了的数据，从而保证了这些数据的正确性。如果这些数据发生了差错，也很容易定位错误是由哪个操作引起的。
如果外部需要访问类里面的数据，就必须通过接口（Interface）进行访问。接口规定了可对一个特定的对象发出哪些请求。当然，必须在某个地方存在着一些代码，以便满足这些请求。这些代码与那些隐藏起来的数据叫作"隐藏的实现"。站在过程化程序编写（Procedural Programming）的角度，整个问题并不显得复杂。一种类型含有与每种可能的请求关联起来的函数。一旦向对象发出一个特定的请求，就会调用那个函数。通常将这个过程总结为向对象"发送一条消息"（提出一个请求）。对象的职责就是决定如何对这条消息作出反应（执行相应的代码）。
若任何人都能使用一个类的所有成员，那么可对这个类做任何事情，则没有办法强制他们遵守任何约束--所有东西都会暴露无遗。
有两方面的原因促使了类的编制者控制对成员的访问。第一个原因是防止程序员接触他们不该接触的东西--通常是内部数据类型的设计思想。若只是为了解决特定的问题，用户只需操作接口即可，无需明白这些信息。类向用户提供的实际是一种服务，因为他们很容易就可看出哪些对自己非常重要，以及哪些可忽略不计。进行访问控制的第二个原因是允许库设计人员修改内部结构，不用担心它会对客户程序员造成什么影响。例如，编制者最开始可能设计了一个形式简单的类，以便简化开发。以后又决定进行改写，使其更快地运行。若接口与实现方法早已隔离开，并分别受到保护，就可放心做到这一点，只要求用户重新链接一下即可。
封装考虑的是内部实现，抽象考虑的是外部行为。符合模块化的原则，使得软件的可维护性、扩充性大为改观。
3．继承
继承是一种联结类的层次模型，并且允许和鼓励类的重用，它提供了一种明确表述共性的方法。对象的一个新类可以从现有的类中派生，这个过程称为类的继承。新类继承了原始类的特性，新类称为原始类的派生类（子类），而原始类称为新类的基类（父类）。派生类可以从它的基类那里继承方法和实例变量，并且派生类可以修改或增加新的方法使之更适合特殊的需求。这也体现了大自然中一般与特殊的关系。继承性很好地解决了软件的可重用性问题。比如说，所有的Windows应用程序都有一个窗口，它们可以看作都是从一个窗口类派生出来的。但是有的应用程序用于文字处理，有的应用程序用于绘图，这是由于派生出了不同的子类，各个子类添加了不同的特性。
关于继承的详细讨论，将在第4.1～4.2节进行。
4．多态性
多态性是指允许不同类的对象对同一消息作出响应。比如同样的加法，把两个时间加在一起和把两个整数加在一起肯定完全不同。又比如，同样的选择"编辑"、"粘贴"操作，在字处理程序和绘图程序中有不同的效果。多态性包括参数化多态性和运行时多态性。多态性语言具有灵活、抽象、行为共享、代码共享的优势，很好地解决了应用程序函数同名问题。
关于多态性的讨论，将在4.7～4.9节进行。
最后，以Alan Kay的话作为本节的结束语。他总结了Smalltalk（这是第一种成功的面向对象程序设计语言，也是Java的基础语言）的五大基本特征。通过这些特征，读者可以理解"纯粹"的面向对象程序设计方法。
（1）所有东西都是对象。可将对象想象成一种新型变量，它保存着数据，但可要求它对自身进行操作。理论上讲，可从要解决的问题上，提出所有概念性的组件，然后在程序中将其表达为一个对象。
（2）程序是一大堆对象的组合。通过消息传递，各对象知道自己该做些什么。为了向对象发出请求，需向那个对象"发送一条消息"。更具体地讲，可将消息想象为一个调用请求，它调用的是从属于目标对象的一个子例程或函数。
（3）每个对象都有自己的存储空间，可容纳其他对象。或者说，通过封装现有对象，可制作出新型对象。所以，尽管对象的概念非常简单，但在程序中却可达到任意高的复杂程度。
（4）每个对象都有一种类型。根据语法，每个对象都是某个"类（Class）"的一个"实例"。其中，"类"是"类型（Type）"的同义词。一个类最重要的特征就是"能将什么消息发给它？"。
（5）同一类所有对象都能接收相同的消息。这实际是别有含义的一种说法，读者不久便能理解。由于类型为"圆（Circle）"的一个对象也属于类型为"形状（Shape）"的一个对象，所以一个"圆"完全能接收"形状"的消息。这意味着可让程序代码统一指挥"形状"，令其自动控制所有符合"形状"描述的对象，其中自然包括"圆"。这一特性称为对象的"可替换性"，是OOP最重要的概念之一。