我们之所以将自然界分解,组织成各种概念,并按其含义分类,主要是因为我们是整个口语交流社会共同遵守的协定的参与者,这个协定以语言的形式固定下来……除非赞成这个协定中规定的有关语言信息的组织和分类,否则我们根本无法交谈。
—— Benjamin Lee Whorf (1987~1941)
计算机革命起源于机器,因此,编程语言的产生也始于对机器的模仿。
1. 抽象过程
所有编程语言都提供抽象机制。可以认为,人们所能够解决的问题的复杂性直接取决于抽象的类型和质量。所谓的 “类型” 是指 “所抽象的是什么?”。
程序员必须建立起在机器模型(位于 “解空间” 内,这是你对问题建模的地方,例如计算机)和实际待解问题的模型(位于 “问题空间” 内,这是问题存在的地方,例如一项业务)之间的联系。建立这种映射是费力的,而且这不属于编程语言所固有的功能,这使得程序难以编写,并且维护代价高昂,同时也产生了作为副产物的 “编程方法” 行业。
面向对象方式通过向程序员提供表示问题空间中的元素的工具而更进了一步。这种表示方式非常通用,使得程序员不会受限于任何特定类型的问题。我们将问题空间中的元素及其在解空间中的表示称为 “对象”。(你还需要一些无法类比为空间问题元素的对象。)这种思想的实质是:程序可以通过添加新类型的对象使自身适用于某个特定问题。因此,当你在阅读描述解决方案的代码时,也是在阅读问题的表述。相比以前我们所使用的语言,这是一种更灵活和更强有力的语言抽象。所以, OOP 允许根据问题来描述问题,而不是根据运行解决方案的计算机来描述问题。但是它任然与计算机有联系: 每个对象看起来都有点像一台微型计算机——它具有状态,还具有操作,用户可以要求对象执行这些操作。如果要对现实世界中的对象做类比,那么说它具有特性和行为似乎不错。
Alan Kay 曾经总结了第一个成功的面向对象语言的五个基本特性,这些特性表现了一种纯粹的面向对象程序设计方式:
- 万物皆为对象
将对象视为奇特的变量,它可以存储数据,除此之外,你还可以要求它在自身上执行操作。理论上讲,你可以抽取待解决问题的任何概念化构建(狗,建筑物、服务等),将其表示为程序中的对象
- 程序是对象的集合,它们通过发送消息来告知彼此所需要做的。
想要请求一个对象,就必须对该对象发送一条消息。更具体地说,可以把消息想象为对某个特定对象的方法的调用请求。
- 每个对象都有自己的由其他对象所构成的存储。
换句话说,可以通过创建包含现有对象的包的方式来创建新类型的对象。因此,可以在程序中构建复杂的体系,同时将其复杂性隐藏在对象的简单性背后。
- 每个对象都有其类型。
按照通用的说法,“每个对象都是其某各类(class)的一个实例(instance)”,这里 “类” 就是 “类型” 的同义词。每个类最重要的区别于其他类的特性就是“可以发送什么样的消息给它”。
- 某一特定类型的所有对象都可以接受同样的消息。
这是一句以为深长的表述,你在稍后便会看到。因为 “圆形” 类型的对象同时也是 “几何形” 类型的对象,所以一个 “圆形” 对象必定能够接受发送给 “几何形” 对象的消息。这意味着可以编写与 “几何形” 交互并自动处理所有与几何性质相关的事务的代码。这种可替代性(substitutability)是 OOP 中最强有力的概念之一。
Booch 对对象提出了一个更加简洁的描述:对象具有状态、行为和标识。这意味着每一个对象都可以拥有内部数据(它们给出了该对象的状态)和方法(它们的行为),并且每一个对象都可以唯一地与其他对象区分开来,具体来说,就是每一个对象在内存中都有一个唯一的地址。
2. 每个对象都有一个接口
在面向对象程序设计中实际上进行的是创建新的数据类型,但事实上所有的面向对象程序设计语言都使用了 class 这个关键字来表示数据类型。
类描述了具有相同特性(数据元素)和行为(功能)的对象集合,一个类实际上就是一个数据类型。程序员通过定义类来适应问题,而不再被迫只能使用现有的用来表示机器中的存储单元的数据类型。可以根据需求,通过添加新的数据类型来扩展编程语言。编程系统欣然接受新的类,并且像对待内置类型一样地照管它们和进行类型检查。
面向对象方法并不是仅局限于构建仿真程序。无论你是否赞成一下观点,即任何程序都是你所设计的系统的一种仿真,面向对象技术的应用确实可以将大量的问题容易地降解为一个简单地解决方案。
接口确定了对某一特定对象所能发出的请求。但是,在程序中必须有满足这些请求的代码。这些代码与隐藏数据一起构成了实现。从过程编程的观点来看,这并不太复杂。在类型中,每一个可能的请求都有一个方法与之相关联,当向对象发送请求时,与之相关联的方法就会被调用。
3. 每个对象都提供服务
当正在试图开发或理解一个程序设计时,最好的方法之一就是将对象想象为 “服务提供者”。程序本身将向用户提供服务,它将通过调用其他对象提供服务来实现这一目的。你的目标就是去创建(或者最好是在现有代码库中寻找)能够提供理想的服务来解决问题的一系列对象。
将对象看作服务提供者还有另外一个附带的好处:它有助于提高对象的内聚性。高内聚是软件设计的基本质量要求之一:这意味着一个软件构件(例如一个对象,当然他也有可能是指一个方法或一个库)的各个方面 “组合” 得很好。人们在设计对象时所面临的一个问题是,将过多的功能都塞在一个对象中。
在良好的面向对象设计中,每个对象都可以很好地完成一项任务,但是它并不试图做更多的事。
将对象作为服务提供者看待是一件伟大的简化工具,这不仅在设计过程中非常有用,而且当其他人试图理解你的代码或重用某个对象时,如果他们看出了这个对象所能提供的服务的价值,它会使调整对象以适应其设计的过程变得简单得多。
4. 被隐藏的具体实现
将程序开发人员按照角色分为类创建者(那些创建新数据类型的程序员)和客户端程序员(那些在其应用中使用数据类型的消费者)是大有裨益的。客户端程序员的目标是收集各种用来实现快速应用开发的类。类创建者的目标是构建类,这种类只向客户端程序员暴露必须的部分,而隐藏其他部分。
访问控制的原因:
- 让客户端程序员无法触及他们不应该触及的部分——这些部分对数据类型的内部操作来说是必需的,但并不是客户解决特定问题所需的接口的一部分。这对客户端程序员来说其实是一项服务,因为他们可以很容易地看出那些东西对他们来说很重要,而哪些东西可以忽略。
- 允许库设计者可以改变类内部的工作方式而不用担心会影响到客户端程序员。如果接口和实现可以清晰地分离并得以保护,那么你就可以轻而易举地完成这项工作。
1.5 复用的具体实现
一旦类被创建并被测试完,那么它就应该(在理想情况下)代表一个有用的代码单元。事实证明,这种复用性并不容易达到我们所希望的哪种程度,产生一个可复用的对象设计需要丰富的经验和敏锐的洞察力。但是一旦你有了这样的设计,它就可供复用。代码复用是面向对象程序设计语言所提供的最了不起的优点之一。
最简单地复用某个类的方式就是直接使用该类的一个对象,此外也可以将那个类的一个对象置于某个新的类中。
使用现有的类合成新的类,所以这种概念被称为组合(composition),如果组合是动态发生的,那么它通常被称为聚合(aggregation)。组合经常被视为 “has-a” (拥有)关系。
组合带来了极大的灵活性。新类的成员对象通常都被声明为 private,使得使用新类的客户端程序员不能访问它们。这也使得你可以在不干扰现有客户端代码的情况下,修改这些成员。也可以在运行时修改这些成员对象,以实现动态修改程序的行为。继承不具有这样的灵活性。