第一章 面向对象编程
面向对象编程(Object -orientid-programming) OOP 是一种编程思想，主要概念有抽象，服务提供，封装，继承，多态，复用.
抽象
从某种程度来说，问题的复杂度取决于抽象的类型(问题是什么?)和质量。
简单来说:就是采用面向对象的思想，将实际问题转换为面向对象的设计模型，将问题域中的元素抽象为对象，每个对象拥有自己的行为和特征.
五大基本特征。通过这些特征，我们可理解“纯粹”的面向对象程序设计方法是什么样的：
- 万物皆对象。你可以将对象想象成一种特殊的变量。它存储数据，但可以在你对其“发出请求”时执行本身的操作。理论上讲，你总是可以从要解决的问题身上抽象出概念性的组件，然后在程序中将其表示为一个对象。
- 程序是一组对象，通过消息传递来告知彼此该做什么。要请求调用一个对象的方法，你需要向该对象发送消息。
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。- 每个对象都有一种类型。根据语法，每个对象都是某个“类”的一个“实例”。其中，“类”（Class）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？”。
- 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，大家不久便能理解。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发送给"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。
接口
我们向对象发出的请求是通过它的“接口”（Interface）定义的，不同的对象规定了它不同的接口形式。
下面让我们以电灯泡为例：
Light lt = new Light();
lt.on();
//在这个例子中，类型／类的名称是 Light，
//可向 Light 对象发出的请求包括包括打开 on、关闭 off、变得更明亮 brighten 或者变得更暗淡 dim。
//通过声明一个引用，如 lt 和 new 关键字，我们创建了一个 Light 类型的对象，再用等号将其赋给引用。
//为了向对象发送消息，我们使用句点符号 . 将 lt 和消息名称 on 连接起来。
//可以看出，使用一些预先定义好的类时，我们在程序里采用的代码是非常简单直观的。
简单来说:对象与对象之间通过接口，进行消息交互.
上图遵循 UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）的格式。每个类由一个框表示，框的顶部有类型名称，框中间部分是要描述的任何数据成员，方法（属于此对象的方法，它们接收任何发送到该对象的消息）在框的底部。通常，只有类的名称和公共方法在 UML 设计图中显示，因此中间部分未显示，如本例所示。如果你只对类名感兴趣，则也不需要显示方法信息。
服务提供
在开发或理解程序设计时，我们可以将对象看成是“服务提供者”。你的程序本身将为用户提供服务，并且它能通过调用其他对象提供的服务来实现这一点。我们的最终目标是开发或调用工具库中已有的一些对象，提供理想的服务来解决问题。
那么问题来了：我们该选择哪个对象来解决问题呢？例如，你正在开发一个记事本程序。你可能会想到在屏幕输入默认的记事本对象，一个用于检测不同类型打印机并执行打印的对象。这些对象中的某些已经有了。那对于还没有的对象，我们该设计成啥样呢？这些对象需要提供哪些服务，以及还需要调用其他哪些对象？
我们可以将这些问题一一分解，抽象成一组服务。软件设计的基本原则是高内聚：每个组件的内部作用明确，功能紧密相关。然而经常有人将太多功能塞进一个对象中。例如：在支票打印模块中，你需要设计一个可以同时读取文本格式又能正确识别不同打印机型号的对象。正确的做法是提供三个或更多对象：一个对象检查所有排版布局的目录；一个或一组可以识别不同打印机型号的对象展示通用的打印界面；第三个对象组合上述两个服务来完成任务。这样，每个对象都提供了一组紧密的服务。在良好的面向对象设计中，每个对象功能单一且高效。这样的程序设计可以提高我们代码的复用性，同时也方便别人阅读和理解我们的代码。只有让人知道你提供什么服务，别人才能更好地将其应用到其他模块或程序中。
简单来说:对象就是一个服务提供者.
封装
我们可以把编程的侧重领域划分为研发和应用。应用程序员调用研发程序员构建的基础工具类来做快速开发。研发程序员开发一个工具类，该工具类仅向应用程序员公开必要的内容，并隐藏内部实现的细节。这样可以有效地避免该工具类被错误的使用和更改，从而减少程序出错的可能。彼此职责划分清晰，相互协作。当应用程序员调用研发程序员开发的工具类时，双方建立了关系。应用程序员通过使用现成的工具类组装应用程序或者构建更大的工具库。如果工具类的创建者将类的内部所有信息都公开给调用者，那么有些使用规则就不容易被遵守。因为前者无法保证后者是否会按照正确的规则来使用，甚至是改变该工具类。只有设定访问控制，才能从根本上阻止这种情况的发生。
Java 有三个显式关键字来设置类中的访问权限：
public（公开），private(私有)和protected（受保护）。
这些访问修饰符决定了谁能使用它们修饰的方法、变量或类。
public（公开）表示任何人都可以访问和使用该元素；
private（私有）除了类本身和类内部的方法，外界无法直接访问该元素。private 是类和调用者之间的屏障。任何试图访问私有成员的行为都会报编译时错误；
protected（受保护）类似于 private，区别是子类（下一节就会引入继承的概念）可以访问 protected 的成员，但不能访问 private 成员；
default（默认）如果你不使用前面的三者，默认就是 default 访问权限。default 被称为包访问，因为该权限下的资源可以被同一包（库组件）中其他类的成员访问。
复用
一个类经创建和测试后，理应是可复用的。然而很多时候，由于程序员没有足够的编程经验和远见，我们的代码复用性并不强。
代码和设计方案的复用性是面向对象程序设计的优点之一。
这里涉及到“组合”和“聚合”的概念：
上图中实心三角形指向“ Car ”表示 组合 的关系；如果是 聚合 关系，可以使用空心三角形。
组合（Composition）经常用来表示“拥有”关系（has-a relationship）。
例如，“汽车拥有引擎”。
聚合（Aggregation）动态的组合。
聚合关系中，整件不会拥有部件的生命周期，所以整件删除时，部件不会被删除。再者，多个整件可以共享同一个部件。
组合关系中，整件拥有部件的生命周期，所以整件删除时，部件一定会跟着删除。而且，多个整件不可以同时共享同一个部件。这个区别可以用来区分某个关联关系到底是组合还是聚合。
（两个类生命周期不同步，则是聚合关系，生命周期同步就是组合关系。）
继承
通过使用 class 关键字，这些概念形成了编程语言中的基本单元。遗憾的是，这么做还是有很多麻烦：在创建了一个类之后，即使另一个新类与其具有相似的功能，你还是得重新创建一个新类。但我们若能利用现成的数据类型，对其进行“克隆”，再根据情况进行添加和修改，情况就显得理想多了。“继承”正是针对这个目标而设计的。但继承并不完全等价于克隆。在继承过程中，若原始类（正式名称叫作基类、超类或父类）发生了变化，修改过的“克隆”类（正式名称叫作继承类或者子类）也会反映出这种变化.
简单描述:在没有继承概念的时候，当新的类和一个已有类存在许多相似功能时，你还是要去一个完整的类.这样就产生了代码重复，而且也不能直观的提醒类与类之间的关系，继承的出现解决了这些问题，它实现了代码的服用以及直观的表示类与类之间的关系.
这个图中的箭头从子类指向父类/基类。
"是一个"与"像是一个"的关系
对于继承可能会引发争论：继承应该只覆盖基类的方法(不应该添加基类中没有的方法)吗？如果这样的话，基类和派生类就是相同的类型了，因为它们具有相同的接口。这会造成，你可以用一个派生类对象完全替代基类对象，这叫作"纯粹替代"，也经常被称作"替代原则"。在某种意义上，这是一种处理继承的理想方式。我们经常把这种基类和派生类的关系称为是一个（is-a）关系，因为可以说"圆是一个形状"。判断是否继承，就看在你的类之间有无这种 is-a 关系。
简单理解:继承只覆盖基类的方法,是is-a关系，也叫做纯粹替代,这是理想的继承关系.
有时你在派生类添加了新的接口元素，从而扩展接口。虽然新类型仍然可以替代基类，但是这种替代不完美，原因在于基类无法访问新添加的方法。这种关系称为像是一个(is-like-a)关系。新类型不但拥有旧类型的接口，而且包含其他方法，所以不能说新旧类型完全相同。
简单理解:派生类添加了新的接口元素，是is-like-a关系，也叫不完美替代.
以空调为例，假设房间里已经安装好了制冷设备的控制器，即你有了控制制冷设备的接口。想象一下，现在空调坏了，你重新安装了一个既制冷又制热的热力泵。热力泵就像是一个（is-like-a）空调，但它可以做更多。因为当初房间的控制系统被设计成只能控制制冷设备，所以它只能与新对象(热力泵)的制冷部分通信。新对象的接口已经扩展了，现有控制系统却只知道原来的接口，一旦看到这个设计，你就会发现，作为基类的制冷系统不够一般化，应该被重新命名为"温度控制系统"，也应该包含制热功能，这样的话，我们就可以使用替代原则了。上图反映了在现实世界中进行设计时可能会发生的事情。
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多态
我们在处理类的层次结构时，通常把一个对象看成是它所属的基类，而不是把它当成具体类。通过这种方式，我们可以编写出不局限于特定类型的代码。在上个“形状”的例子中，“方法”（method）操纵的是通用“形状”，而不关心它们是“圆”、“正方形”、“三角形”还是某种尚未定义的形状。所有的形状都可以被绘制、擦除和移动，因此“方法”向其中的任何代表“形状”的对象发送消息都不必担心对象如何处理信息。
这样的代码不会受添加的新类型影响，并且添加新类型是扩展面向对象程序以处理新情况的常用方法。 例如，你可以通过通用的“形状”基类派生出新的“五角形”形状的子类，而不需要修改通用"形状"基类的方法。通过派生新的子类来扩展设计的这种能力是封装变化的基本方法之一。
这种能力改善了我们的设计，且减少了软件的维护代价。如果我们把派生的对象类型统一看成是它本身的基类（“圆”当作“形状”，“自行车”当作“车”，“鸬鹚”当作“鸟”等等），编译器（compiler）在编译时期就无法准确地知道什么“形状”被擦除，哪一种“车”在行驶，或者是哪种“鸟”在飞行。这就是关键所在：当程序接收这种消息时，程序员并不想知道哪段代码会被执行。“绘图”的方法可以平等地应用到每种可能的“形状”上，形状会依据自身的具体类型执行恰当的代码。
简单理解:当我们需要通过一个统一的接口，在运行时根据不同情况，做出不同处理的时候，这就是多态性.
如果不需要知道执行了哪部分代码，那我们就能添加一个新的不同执行方式的子类而不需要更改调用它的方法。那么编译器在不确定该执行哪部分代码时是怎么做的呢？举个例子，下图的 BirdController 对象和通用 Bird 对象中，BirdController 不知道 Bird 的确切类型却还能一起工作。从BirdController 的角度来看，这是很方便的，因为它不需要编写特别的代码来确定 Bird 对象的确切类型或行为。那么，在调用 move() 方法时是如何保证发生正确的行为（鹅走路、飞或游泳、企鹅走路或游泳）的呢？
这个问题的答案，是面向对象程序设计的妙诀：
早期绑定:在编译期，对方法的调用就确定绝对地址.
后期绑定:在编译期通过特殊代码位替代方法，在运行时才确定方法的地址。
为了演示多态性，我们编写了一段代码，它忽略了类型的具体细节，只与基类对话。该代码与具体类型信息分离，因此更易于编写和理解。而且，如果通过继承添加了一个新类型（例如，一个六边形），那么代码对于新类型的 Shape 就像对现有类型一样有效。因此，该程序是可扩展的。
代码示例：
void doSomething(Shape shape) {
shape.erase();
// ...
shape.draw();
}
此方法与任何 Shape 对话，因此它与所绘制和擦除的对象的具体类型无关。如果程序的其他部分使用 doSomething() 方法：
Circle circle = new Circle();
Triangle triangle = new Triangle();
Line line = new Line();
doSomething(circle);
doSomething(triangle);
doSomething(line);
可以看到无论传入的“形状”是什么，程序都正确的执行了。
这是一个非常令人惊奇的编程技巧。
分析下面这行代码：
doSomething(circle);
当预期接收 Shape 的方法被传入了 Circle，会发生什么。
由于 Circle 也是一种 Shape，所 以 doSomething(circle) 能正确地执行。
也就是说，doSomething() 能接收任意发送给 Shape 的消息。
这是完全安全和合乎逻辑的事情。
这种把子类当成其基类来处理的过程叫做“向上转型”（upcasting）。在面向对象的编程里，经常利用这种方法来给程序解耦。
再看下面的 doSomething() 代码示例：
shape.erase();
// ...
shape.draw();
我们可以看到程序并未这样表达：“如果你是一个 Circle ，就这样做；
如果你是一个 Square，就那样做...”。
若那样编写代码，就需检查 Shape 所有可能的类型，如圆、矩形等等。
这显然是非常麻烦的，而且每次添加了一种新的 Shape 类型后，都要相应地进行修改。
在这里，我们只需说：“你是一种几何形状，我知道你能删掉 erase() 和绘制 draw()，你自己去做吧，注意细节。
” 尽管我们没作出任何特殊指示，程序的操作也是完全正确和恰当的。
我们知道，为 Circle 调用draw() 时执行的代码与为一个 Square 或 Line 调用 draw() 时执行的代码是不同的。
但在将 draw() 信息发给一个匿名 Shape 时，根据 Shape 句柄当时连接的实际类型，会相应地采取正确的操作。
这非常神奇，因为当 Java 编译器为 doSomething() 编译代码时，它并不知道自己要操作的准确类型是什么。
尽管我们确实可以保证最终会为 Shape 调用 erase() 和 draw()，但并不能确定特定的 Circle，Square 或者 Line 调用什么。
最后，程序执行的操作却依然是正确的，这是怎么做到的呢？
发送消息给对象时，如果程序不知道接收的具体类型是什么，但最终执行是正确的，这就是对象的“多态性”（Polymorphism）。面向对象的程序设计语言是通过“动态绑定”的方式来实现对象的多态性的。编译器和运行时系统会负责对所有细节的控制；我们只需知道要做什么，以及如何利用多态性来更好地设计程序。
单继承结构
单继承的结构使得垃圾收集器的实现更为容易。这也是 Java 在 C++ 基础上的根本改进之一。(树根Object)
由于运行期的类型信息会存在于所有对象中，所以我们永远不会遇到判断不了对象类型的情况。这对于系统级操作尤其重要，例如[异常处理]。同时，这也让我们的编程具有更大的灵活性。（提高程序健壮性）
对象创建与生命周期
Java 使用动态内存分配。每次创建对象时，使用 new 关键字构建该对象的动态实例。这又带来另一个问题：对象的生命周期。较之堆内存，在栈内存中创建对象，编译器能够确定该对象的生命周期并自动销毁它；然而如果你在堆内存创建对象的话，编译器是不知道它的生命周期的。
Java 的垃圾收集器被设计用来解决内存释放的问题（虽然这不包括对象清理的其他方面）。垃圾收集器知道对象什么时候不再被使用并且自动释放内存。结合单继承和仅可在堆中创建对象的机制，Java 的编码过程比用 C++ 要简单得多。
小结
OOP 在面向过程编程的基础上增加了许多新的概念，所以有人会认为使用 Java 来编程会比同等的面向过程编程要更复杂。在这里，我想给大家一个惊喜：通常按照 Java 规范编写的程序会比面向过程程序更容易被理解。
