面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言C++

1、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言C+電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院陳文宇1一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法是模塊化（或結(jié)構(gòu)化）的，具體步驟為：1.整個(gè)軟件系統(tǒng)功能逐步細(xì)化為多個(gè)小的功能功能劃分。2.多個(gè)小的功能對(duì)應(yīng)由一個(gè)模塊（如函數(shù)、過(guò)程、分程序、子程序等）來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.多個(gè)模塊合作完成較大的功能，所有模塊的合作完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能。3第一章 引論1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo) 對(duì)于傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（編程）階段考慮的是模塊，程序本身也是由模塊構(gòu)成的。 由數(shù)據(jù)類型來(lái)引出面向?qū)ο蟮母拍?。?shù)據(jù)類型是一個(gè)抽象的概念，包含有一組數(shù)據(jù)的定義和一組對(duì)該組數(shù)據(jù)操作的定義。 對(duì)于數(shù)

2、據(jù)類型的使用，必須通過(guò)類型的實(shí)際例子（實(shí)例/實(shí)體，即變量或常量）來(lái)體現(xiàn)。4第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)數(shù)據(jù)類型分為三種： 簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型：內(nèi)建(built-in)類型，語(yǔ)言本身提供的類型。 用戶定義數(shù)據(jù)類型：以簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)，它包含多個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類型成分，這些數(shù)據(jù)成分是可以直接操作的。 抽象數(shù)據(jù)類型：在定義數(shù)據(jù)的同時(shí)，必須定義對(duì)數(shù)據(jù)的操作；它的數(shù)據(jù)成分是不可見的，也不可以直接操作。5第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)抽象數(shù)據(jù)類型隱藏了表示的細(xì)節(jié)，通過(guò)過(guò)程（或方法）來(lái)訪問(wèn)抽象數(shù)據(jù)對(duì)象。對(duì)象和抽象類型的關(guān)系，就像整型變量和整型的關(guān)系。6第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo) 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中

3、的對(duì)象，就是抽象類型的實(shí)體，具體的說(shuō)，是“將某組數(shù)據(jù)和使用該數(shù)據(jù)的一組基本操作封裝在一起而形成的一個(gè)實(shí)體”。7第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)面向?qū)ο蟮幕舅枷刖褪前岩獦?gòu)造的系統(tǒng)表示為對(duì)象的集合，它的目的是想在某種程度上解決軟件開發(fā)面臨的兩大課題： 怎樣克服軟件的復(fù)雜性 怎樣將現(xiàn)實(shí)世界模型（包括它們之間的關(guān)系）在計(jì)算機(jī)中自然地表示出來(lái)8第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo) 從軟件的角度來(lái)看，計(jì)算是一種仿真。 如果每一個(gè)被仿真的實(shí)體都由一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示，并且將相關(guān)的操作信息封裝進(jìn)去，仿真將被簡(jiǎn)化，可以更方便地刻畫對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 面向?qū)ο缶褪沁@樣一種適用于直觀模型化的設(shè)計(jì)方法。這

4、意味著設(shè)計(jì)模型與客觀對(duì)象之間有近乎一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這一思想非常利于實(shí)現(xiàn)大型的軟件系統(tǒng)。9第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)作為克服軟件復(fù)雜性的手段，在面向?qū)ο蟮姆椒ㄖ?，利用了如下?duì)象的性質(zhì)：1.將密切相關(guān)的數(shù)據(jù)和過(guò)程封裝成為一個(gè)實(shí)體；2.定義了一個(gè)實(shí)體后，即使不知道此實(shí)體的功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的，也能使用它。10第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo) 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)非常注重設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，用面向?qū)ο蠓椒ň幊痰年P(guān)鍵是模型化。 程序員的責(zé)任是構(gòu)造現(xiàn)實(shí)的軟件模型。此時(shí)，計(jì)算機(jī)的觀點(diǎn)是不重要的，而現(xiàn)實(shí)的觀點(diǎn)才是關(guān)鍵。11第一章 引論 1.1 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo) 面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)可以歸納為： 對(duì)試圖利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行

5、問(wèn)題求解和信息處理的領(lǐng)域，盡量使用對(duì)象的概念，將問(wèn)題空間中的現(xiàn)實(shí)模型映射到程序空間。 由此得到的自然性可望克服軟件的復(fù)雜性，從而得到問(wèn)題得求解和信息處理的高性能。12第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.1 數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)封裝 Data Encapsulation 面向過(guò)程語(yǔ)言的做法13第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.1 數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)封裝 Data Encapsulation 面向過(guò)程語(yǔ)言的做法：實(shí)例14第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.1 數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)封裝 Data Encapsulation 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的做法15第一章 引論 1.2 面向

6、對(duì)象語(yǔ)言的核心概念1.2.1 數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)封裝 Data Encapsulation 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的做法：實(shí)例16第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.1 數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)封裝 Data Encapsulation面向?qū)ο笳Z(yǔ)言采用了抽象的方法。而抽象的原則之一就是信息隱藏。數(shù)據(jù)封裝將一組數(shù)據(jù)和這組數(shù)據(jù)相關(guān)的操作集合封裝在一起，形成了一個(gè)能動(dòng)的實(shí)體，成為對(duì)象。用戶不必知道對(duì)象行為的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需根據(jù)對(duì)象提供的外部特性接口訪問(wèn)對(duì)象。在C+中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝的機(jī)制是“類(class)”。在Java和C#中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝的機(jī)制也是“類(class)”。17第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核

7、心概念1.2.2 繼承繼承 Inheritance繼承是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的另一個(gè)重要的概念。在客觀世界中，存在著兩類關(guān)系 整體和部分的關(guān)系(is part of) 一般和特殊的關(guān)系(is kind of) 。18第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.2 繼承繼承 Inheritance讓我們來(lái)看看現(xiàn)實(shí)世界中的例子：19第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.2 繼承繼承 Inheritance 在一個(gè)的繼承樹中，每下一層都比上一層更加具體地定義了每種類的特性。 反過(guò)來(lái)，一旦某層的某個(gè)特征被確定了下來(lái)，那么其下所有的種類都應(yīng)該包含該特性。 這就是“繼承”的一般性概念。20第

8、一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.2 繼承繼承 Inheritance在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中，類功能支持繼承機(jī)制。除了根類，每個(gè)類都可以有父類或基類，也可以有它的子類或派生類。 一個(gè)子類從它的父類那里繼承了所有的數(shù)據(jù)和操作，并擴(kuò)充自己的特殊數(shù)據(jù)和操作。父類抽象出共同特征，子類表達(dá)差別。21第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.2 繼承繼承 Inheritance要注意區(qū)分：is part of 和 is kind of后者才是繼承的概念。 Kind of is a kind of . Part ofWheels are part of a car.Wheel is n

9、ot a kind of car.22第一章 引論1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.3 多態(tài)性多態(tài)性 Poly-morphism多態(tài)，是指一個(gè)名字（或符號(hào)）具有多種含義。 用戶在使用函數(shù)編程時(shí)，關(guān)心的是該函數(shù)的功能及其使用接口，并不需要了解該函數(shù)的使用接口與函數(shù)的哪一種實(shí)現(xiàn)方法相匹配(binding)。 在設(shè)計(jì)這一級(jí)上，只關(guān)心“施加在對(duì)象上的動(dòng)作是什么”，而不必牽涉“如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作”以及“實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作有多少種方法”的細(xì)節(jié)。23第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.3 多態(tài)性多態(tài)性 Poly-morphism1.函數(shù)重載在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中，函數(shù)重載(overload)表達(dá)了最

10、簡(jiǎn)單的多態(tài)性(同名函數(shù))。void value(int);Int value( );24第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.3 多態(tài)性多態(tài)性 Poly-morphism2.運(yùn)算符重載運(yùn)算符重載指的是相同的運(yùn)算符在不同的上下文有不同的解釋。例如：兩個(gè)整數(shù)使用+運(yùn)算符表示它們要做加法，而兩個(gè)字符串可以使用+運(yùn)算符則表示串連接。C+為運(yùn)算符重載提供了完整的語(yǔ)法支持。25第一章 引論 1.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的核心概念1.2.3 多態(tài)性多態(tài)性 Poly-morphism如果函數(shù)調(diào)用（接口）與哪個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相匹配是在編譯時(shí)完成的，稱為早期匹配或靜態(tài)聯(lián)編。如果匹配是在運(yùn)行時(shí)確定的，則稱為后期匹配

11、或動(dòng)態(tài)聯(lián)編。C+的虛函數(shù)提供了后期匹配帶來(lái)的良好特性。26第一章 引論 1.3 按對(duì)象方式思維面向?qū)ο笫且环N仿真技術(shù)，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)產(chǎn)生一種與現(xiàn)實(shí)具有自然關(guān)系的軟件系統(tǒng)。面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)方法鼓勵(lì)全局地看問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)功能的逐步細(xì)化。而在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中，每個(gè)對(duì)象嚴(yán)格地是局部的。每個(gè)對(duì)象管理自己的實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，需要將思維方式從全局轉(zhuǎn)到局部，在局部中發(fā)現(xiàn)對(duì)象。27第一章 引論 1.3 按對(duì)象方式思維設(shè)計(jì)對(duì)象需要做許多小決策，怎樣將計(jì)算部分合理地分配給不同的對(duì)象。這叫做分散責(zé)任。這是設(shè)計(jì)決策的基礎(chǔ)，其余都是次要的。CRC方法幫助設(shè)計(jì)者分散責(zé)任，直到設(shè)計(jì)的最后階段才考慮問(wèn)題的總體。28第一

12、章 引論 1.3 按對(duì)象方式思維面向?qū)ο蟮腃RC方法從三個(gè)方面來(lái)表述對(duì)象：1.Class Name。給對(duì)象命名，實(shí)際上就是對(duì)需要處理的問(wèn)題空間中包含的不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。 一個(gè)好的具有一致性的名字會(huì)為以后設(shè)計(jì)的正確性奠定基礎(chǔ)。29第一章 引論 1.3 按對(duì)象方式思維面向?qū)ο蟮腃RC方法從三個(gè)方面來(lái)表述對(duì)象：2.Responsibilities。每個(gè)對(duì)象完成設(shè)計(jì)中的一個(gè)小目標(biāo)的功能，它實(shí)現(xiàn)了這個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的某一部分。 責(zé)任要簡(jiǎn)明扼要，不要太多，同時(shí)不要讓對(duì)象負(fù)責(zé)自己不需要承擔(dān)的責(zé)任。30第一章 引論 1.3 按對(duì)象方式思維面向?qū)ο蟮腃RC方法從三個(gè)方面來(lái)表述對(duì)象：3.Collaborators

13、。每個(gè)對(duì)象都可能依賴于其它對(duì)象來(lái)完成任務(wù)。 合作者應(yīng)該不要多，并且應(yīng)該實(shí)用。盡量避免設(shè)計(jì)同所有對(duì)象打交道的也就是全局的對(duì)象。31第一章 引論 1.4 面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒?.4.1 面向?qū)ο笫且环N認(rèn)知方法學(xué) 人們的認(rèn)識(shí)過(guò)程，主要有以下兩種方法。 從一般到特殊的演繹方法。 從特殊到一般的歸納方法。 面向?qū)ο筇峁┝藦囊话愕教厥獾难堇[手段，又提供了從特殊到一般的歸納形式，從而說(shuō)明它是一種很好的認(rèn)知方法。 這種分類、歸納的方法在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)中是很重要的。321.4.2 面向?qū)ο笈c軟件IC類概念支持類概念支持 “軟件軟件 IC” 技術(shù)技術(shù)在面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中，類充當(dāng)了系統(tǒng)構(gòu)造的單元類是一類對(duì)象的統(tǒng)一模板

14、，它具有很強(qiáng)的模塊性、獨(dú)立性何可靠性類是對(duì)象一級(jí)的抽象，它將一類對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)封裝起來(lái)，使得外界不必清楚其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只要從它的說(shuō)明中了解其基本功能就可以使用它。另外，類支持代碼共享，類中的代碼均是可再入的，這也支持了可重用性。因此類作為 “軟件 IC” 來(lái)組織軟件系統(tǒng)從概念上是非常合適的。1.4.3 面向?qū)ο蠓椒ㄅc結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法 結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了功能抽象和模塊性，解決問(wèn)題的過(guò)程看作是一個(gè)處理過(guò)程。 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)則綜合了功能抽象和數(shù)據(jù)抽象，它將解決問(wèn)題的過(guò)程看作是一個(gè)分類演繹的過(guò)程。 1.4.4 對(duì)象是抽象數(shù)據(jù)類型的實(shí)現(xiàn) 抽象是一個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化描述，它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的某些特性而忽略

15、了其他特性。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，所關(guān)心的是程序能做什么，而不是它的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 而抽象恰好可以用來(lái)對(duì)用戶所關(guān)心的重要信息予以強(qiáng)調(diào)，而忽略不重要的信息。 整個(gè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(甚至軟件開發(fā))的發(fā)展過(guò)程就是抽象層次不斷提高的過(guò)程。 1.4.4 對(duì)象是抽象數(shù)據(jù)類型的實(shí)現(xiàn) 為了完全、準(zhǔn)確、無(wú)二義地描述數(shù)據(jù)類型，而不愿涉及其物理表示和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，采用抽象數(shù)據(jù)類型的描述技術(shù)。 抽象數(shù)據(jù)類型包含的信息有： 外部不可見的數(shù)據(jù) 外部不可見的操作的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 外部可見的施于數(shù)據(jù)上的各操作界面(接口) 于是，將數(shù)據(jù)類型抽象為提供給外部世界的數(shù)據(jù)和操作集。使用了抽象數(shù)據(jù)類型描述，不再關(guān)心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么，而僅僅關(guān)心它具有些什么功能可用。這與信息隱藏原則很符合。 總之，抽象數(shù)據(jù)類型從外部觀點(diǎn)來(lái)描述數(shù)據(jù)類型： 僅關(guān)心各種有用的操作和這些操作的性質(zhì)?？梢姡橄髷?shù)據(jù)類型描述的信息與對(duì)象包含的信息是一致的，對(duì)象是抽象數(shù)據(jù)類型的實(shí)現(xiàn)。第一章 引論 1.5 類屬類屬并不是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言特有的成分，它指的是類型參數(shù)化，即參數(shù)化一個(gè)軟件分量的能力。C語(yǔ)言沒有類屬的能力，但可以通過(guò)C的宏定義來(lái)模擬類屬。C+采用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)類屬。在現(xiàn)代的編程思想中，用“泛型”的概念來(lái)代替類屬，同時(shí)具有更廣泛