设计模式学习笔记 - 面向对象 - 2.封装、抽象、继承、多态分别用来解决哪些问题?

1.封装

封装也叫作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法(或者叫作函数)来访问内部信息或数据。

下面这段代码是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系统中的虚拟货币量。

java 复制代码
public class Wallet {
	private String id;
	private long createTime;
	private long balance;
	private long balanceLastModifiedTime;
	
	//...

	public Wallet() {
		this.id = IdGenerator.getInstance().generate();
		this.createTime = System.currentTimeMillis();
		this.balance = 0L;
		this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
	}

	// 下面对 get 方法做了代码折叠,是为了减少代码所占的篇幅
	public String getId() { return this.id; }
	public long getCreateTime() { return this.createTime; }
	public long getBalance() { return this.balance; }
	public long getBalanceLastModifiedTime() { return this.balanceLastModifiedTime; }

    public void increaseBalance(long increasedAmount) {
    	if (increasedAmount < 0L) {
    		throw new InvalidAmountException("...");
    	}
    	this.balance += increasedAmount;
    	this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
    }
    
    public void decreaseBalance(long decreasedAmount) {
    	if (decreasedAmount < 0L) {
    		throw new InvalidAmountException("...");
    	}
    	if (decreasedAmount > this.balance) {
    		throw new InsufficientAmountException("...");
    	}
    	this.balance -= increasedAmount;
    	this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();
    }
}

从代码中可以发现,Wallet 类主要有四个属性(也就做成员变量),就是我们前面定义中提到的信息或数据。

  • id 表示钱包的唯一编号
  • createTime 表示钱包的创建时间
  • balance 表示钱包中的余额
  • balanceLastModifiedTime 表示上次余额变更时间

按照封装特性,对钱包的四个属性的访问进行了限制。调用者只允许通过下面的方法来访问或者修改钱包里的数据。

  • getId()
  • getCreateTime()
  • getBalance()
  • getBalanceLastModifiedTime()
  • increaseBalance()
  • decreaseBalance()

之所以这样设计,是因为从业务角度来说,id、createTime 在创建钱包时就确定好了,之后不应该在改动,所以并没有提供修改这两个属性的方法,比如 set 方法。

对于钱包余额 balance 来说,只能增加或者减少,不会被重新设置,所以,只提供了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 方法,并没有暴露 set 方法。

对于 balanceLastModifiedTime 这个属性,它完全是根balance 这个属性的修改绑定在一起的。只有在 balance 修改时,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() 方法中,不对外暴露任何修改这个属性的方法和细节。这样也可以保证 balance 和 balanceLastModifiedTime 两个数据的一致性。

对于封装这个特性,需要编程语言本身提供一定的语法机制来支持,这个机制就是访问权限控制。例子中的 private、public 等关键字就是 Java 语言中的访问权限控制语法。

  • private 关键之修饰的熟悉只能类本身访问,可以保护其不被类之外的代码直接访问。
  • public 则是所有的代码都可以访问。

上面讲了封装的定义,那么封装的意义是什么?他能解决什么编程问题呢?

如果我们对类中属性的访问不做任何限制,那任何代码都可以访问、修改属性,虽然这样看起来很灵活,但是也意味着不可控,属性可能被以各种奇葩的方式修改,而修改的逻辑可能散落在代码的各个角落,势必影响代码的可读性、可维护性

除此之外,类通过有限的方法暴露必要的操作,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。而我们把属性封装起来,暴露少许几个必要的方法给调用者,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。

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。

在面向对象编程中,我们长借助编程语言提供的接口类(比如 Java 中的 interface 关键字)或者抽象类(比如 Java 中的 abstract 关键字)这两种语法机制,来实现抽象这一特性。

举一个例子来解释下。

java 复制代码
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 {
	// ...

	@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) {...}
	
}

上面的代码,使用了 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时,只要了解 IPictureStorage 这个接口暴露了哪些方法就可以了,不需要去查看 PictureStorage 类里面的具体实现。

抽象的意义是什么?它能解决什么问题?

其实,抽象以及封装都是人类处理复杂问题的有效手段。在面对复杂系统的时候,人脑能承受的复杂度时有限的,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。

此外,抽象作为一个非常宽泛的设计思路,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(对扩展开发、对修改关闭)、代码解耦等。

换一个角度劳考虑,我们在定义类的方法时,也要有抽象思维,不要在方法定义中,暴露太多细节,以保证在某个时间点需要改变方法的实现逻辑时,不用去修改其定义。举个简单例子,比如 getAliyunPictureUrl() 就不是一个具有抽象思维的命名,因为如果哪天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修改。相反,如果我们定义一个比较抽象的函数,比如叫做 getPictureUrl() ,那几遍内部存储方式修改了,也不需要修改命名。

3.继承

如果你熟悉 Java、C++ 这样的面向对象编程语言,那你对继承这一特性应该不陌生了。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,继承可以分为单继承和多继承模式。

  • 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,比如脑既是哺乳动物,又是爬行动物。

编程语言需要提供特殊的语法来支持继承这个特性,比如 Java 使用 extends 关键字来实现继承,C++ 使用冒号(class B : public A)等等。另外,有些编程语言支持单继承,有些编程语言支持多重继承。

继承存在的意义是什么?它能解决什么问题?

继承最大的好处就是代码复用。比如,两个类有相同的属性和方法,我们可以把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,我们可以使用其他方式来解决代码复用这个问题,比如利用组合关系。

不过,过度使用继承,继承层次过深,就会导致代码可读性、可维护下变差。为了了解一个类的功能,我们不仅需要查看这个类的代码,还要按照继承关系一层层地网上查看"父类、父类的父类、..." 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。

4.多态

多态是指,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。对于多态,纯文字不好解释,我们结合例子来看一下。

java 复制代码
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 this.size; }
	public Integer get(int index) { return elements[index]; }
	
	//...
	
	public void add (Integer e) {
		ensureCapacity();
		elements[size++] = e;
	}

	protected void ensureCapacity() {
		// ...如果数组满了就扩容...
	}
}

public class StortedDynamicArray extends DynamicArray {
	@Override
	public  void add (Integer e) {
		ensureCapacity();
		int i;
		for (i = this.size - 1; i >= 0; i--) { // 保证数组中的数据有序
			if (elements[i] > e) {
				elements[i+1] = elements[i];
			} else {
				break;
			}
		}
		elements[i+1] = e;
		++size;
	}
}

public class Example {
	public static void main(String args[]) {
		DynamicArray dynamicArray = new StortedDynamicArray();
		dynamicArray.add(5);
		dynamicArray.add(1);
		dynamicArray.add(3);
		
		for (int i = 0; i < dynamicArray.size; i++) {
			System.out.println(dynamicArray.get(i));
		}
	}
}

多态这种特性要和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,使用到了三个语法机制来实现多态。

  • 第一个语法机制,是编程语言要支持父类对象可以引用子类对象,就是将 StortedDynamicArray 传递给 DynamicArray。
  • 第二个语法机制,是编程语言要支持继承,也就是 StortedDynamicArray 继承了 DynamicArray。
  • 第三个语法机制,是编程语言要支持子类可以重写(Override)父类中的方法,也就是 StortedDynamicArray 重写了 DynamicArray 的 add() 方法。

通过这三种语法机制配合在一起,就实现了在 test() 方法中,子类 StortedDynamicArray 替换父类 DynamicArray,执行 StortedDynamicArray 的 add() 方法。

对于多态这种特性,除了使用"继承家方法重写"这种方式之外,还可以利用接口类语法以及 duck-typing 语法。

接下来,先看下如何利用接口类来实现多态特性

java 复制代码
public interface Iterator {
	boolean hasNext();
	String next();
	String remove();
}

public class Array implements Iterator {
	private String[] data;
	public boolean hasNext() { ... } 
	public String next() { ... } 
	public String remove() { ... }
	//...省略其他方法...
}

public class LinkedList implements Iterator {
	private LinkedListNode head;
	public boolean hasNext() { ... } 
	public String next() { ... } 
	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);
	}
}

在这段代码中,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 Iterator 接口。我们通过传递不同的实现类到 print(Iterator iterator) 函数中,支持动态地调用不同的 next()、hasNext() 实现。

刚刚讲的是用接口类来实现多态。现在,我们在看下,如何用 duck-typing 来实现多态特性。下面是一段 python 代码例子。

python 复制代码
class Logger:
	def record(selt):
		print("I write a log into file.")

class DB:
	def record(selt):
		print("I insert a log into db.")

def test(recorder):
	recorder.record()

def demo():
	logger = Logger()
	db = DB()
	test(logger)
	test(db)

从这段代码,我们发现,duck-typing 实现多态的方式非常灵活。Logger 和 DB 两个类没有任何关系,既不是继承关系,也不是接口和实现关系,但是只要它们都定义了 record() 方法,就可以被传递到 test() 方法中,在实际运行的时候,执行对应的方法。

也就是说,只要两个类具有相同的方法,就可以实现多态,并不要求两个类之间有任何关系,这就是所谓的 duck-typing,它是一些动态语言所特有的语法机制。而像 Java 这样的静态语言,通过继承实现多态特性,必须要求两个类之间有继承关系或者是接口-实现的关系。

多态存在的意义是什么?它能解决什么问题?

多态可提供代码的可扩展性和复用性。可以回头看看刚刚举的第二个例子(Iterator 的例子)。

在那个例子中,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集合的数据。当再增加一种要遍历打印类型的时候,比如 HashMap,我们只要让它实现 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。所以说,多态提高了代码的可扩展性。

如果不使用多态,就无法将不同的集合类型传递给相同的函数,需要针对每种集合,都要实现打印函数。

此外,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、里氏替换原则、利用多态去掉冗长的 if-else 语句等等。

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