对象的封装与C#的类

《叩开C#之门》系列之三

三、对象的封装与C#的类

面向对象思想有三个核心要素：封装、继承与多态。如能正确理解这三要素，那么基本上可以算是在编程中建立了面向对象思想。在第二节中我曾介绍，在C#中，所有数据类型的实例都是“对象”，不过最能体现对象特质的类型，还是“类”，同时它也是C#中最重要、最频繁使用的类型。接下来，我将通过介绍C#的类，来充分理解对象封装的概念。

所谓“对象”，形象地说，我们可以把它理解为一块积木。设计积木的人需要设计积木的外观与形状，还有内部的材质。堆积木的人对于内部的材质并不关心，他们只需要根据不同的外观与形状来决定堆放的位置。因此，对于开发者而言，要设计面向对象的程序，同时会是两个迥然不同的身份：设计者与使用者。

先谈谈使用者。使用者的身份，就是利用已经提供给你的所有对象，根据需求，设计出自己需要实现的程序。就如堆积木的过程。这恰恰是面向对象编程的优势所在，那就是“对象的重用”。已经设计好的对象，可以被不同的使用者调用，这些功能既然已经实现，对于使用者而言，当然就免去了自己去设计的过程。正如堆积木那样，既然有了现成设计好的积木，使用者所要做的工作就是把这些积木最后组合起来，堆成不同的形状。.Net Framework所提供的类库，就是这样的积木。

例如我们想把一个int类型转换成字符型，就没有必要自己去实现这种转换，直接调用.Net Framework提供的功能就可以了：
int i = 10;
string s = i.ToString();

再比如我们想弹出一个Windows消息框，同样可以直接使用.Net Framework现有的类库：
MessageBox.Show(“Message”);

在上述的例子中，i和MessageBox都是一个对象。

再谈谈设计者的身份。虽然.Net Framework的类库功能已经非常强大，但它不可能考虑到业务的方方面面，如果需要使用一个根本就不存在的对象，此时就需要自己来设计了。例如图书管理系统，可能就需要用户，图书等对象。这就需要开发者自己来设计这些对象。

既然最能体现“对象”思想的类型是“类”，我就来介绍一下C#中的类类型。C#中类的关键字是class。在一个class对象中，主要分为field（字段）、property（属性）和method（方法），前面两个对应的是对象的属性，而method则对应对象的行为。一个典型的class定义如下所示：
public class User
{
 private string m_name;
 private string m_password;
 private int m_tryCounter;
 public string Name
 {
  get {return m_name;}
  set {m_name = value;}
 }
 public string Password
 { 
  get {return m_password;}
  set {m_password = value;}
 }
 public void SignIn()
 {  
  if (m_tryCounter < 3)
  {
   if (IsValid())
   {  
    m_tryCounter = 0;
    Console.WriteLine("User {0} was signed in.", m_name);
   }
   else
   {
    m_tryCounter++;
    Console.WriteLine("User {0} is invalid. Can’t Sign in.", m_name);
   }
  }
  else
  {
   Console.WriteLine("You try to sign in more than 3 times. You are be denied.");
  }
 }
 public void SignOut()
 {
  m_tryCounter = 0;
  Console.WriteLine("User {0} was signed out.", m_name);
 } 
 private bool IsValid()
 {
  if (m_name.ToUpper() == "ADMIN" && m_password == "admin")
  {
   return true;
  }
  else
  {
   return false;
  }
 }
}

字符串m_name，m_password，m_tryCounter就是类User的字段，Name，Password是类User的属性，而SignIn、SignOut和IsValid则是类User的方法。

关于field，property和method，我会在之后的文章中介绍，这里主要介绍的是在这个类中出现的修饰符public、private等相关的知识。

前面说到对象好比是一个积木，设计者需要定义好这个积木的外观和形状，也要考虑积木内部的制作，例如选用的材质，以及是空心还是实心。如果将这个积木剖开来看，实际上该对象应分为内、外两层。由于使用者只关心外部的实现，因此设计者就需要考虑，哪些实现应暴露在外，哪些实现应隐藏于内。这就体现了对象的封装的思想。

封装对象，并非是将整个对象完全包裹起来，而是根据具体的需要，设置使用者访问的权限。在C#中，分别用修饰符public，internal，protected，private设定，分别修饰类的字段、属性和方法，甚至于类对象本身：
public：表明所有对象都可以访问；
protected internal：表明同一个程序集内的对象，或者该类对象以及其子类可以访问；
internal：表明只有同一个程序集的对象可以访问；
protected：表明只有该类对象及其子类对象可以访问；（关于继承，会在以后介绍）
private：表明只有对象本身在对象内部可以访问；

可以看出，public的开放性最大，其次是protected internal，private的开放性最小。internal和protected居中。那么，internal和protected哪一个开放范围更大呢？我认为，没有完全绝对的结论。它们的范围前者体现一个横向的概念，后者则体现纵向的概念。如果是internal，那么外部程序集对象自然不能访问，但只要是居于同一个程序集中，则所有对象都可以访问它；如果是protected，那么即使是外部程序集对象，只要它继承了该对象，就可以访问，而即使是同一程序集，如果对象不是该类对象的子类，也是无法访问的。打一个比方，在我们的传统文化中，是非常强调“宗族”观念的，一个宗族的族长，对于本族人而言，权力极大，甚至掌握了生杀大权。以一个州府的范围为例，internal就好比是知府大人，只要是该州府的百姓，都属于他的管辖范围，而不管他是哪一个宗族。protected则好比是宗族的族长，只要是这个宗族的成员，都要服从他，哪怕该成员属于其他州府。我以前看过《雍正王朝》，其中就有这样一个情节，身为皇子的胤祯，竟然无法挽救自己心爱女人的命运，因为这个女人违反了她们宗族的族规，最后眼看着她被活活烧死，却只能黯然神伤，梦里萦回。

以前面定义的User类而言，所有的字段m_name，m_password，m_tryCounter都是private的，因此User类的外部调用者无法调用它们，但请注意User类内部的方法比如SignIn或者属性Name，却完全可以调用。同样的，private方法IsValid，可以被SignIn方法调用，但对于外部调用者而言，则是无法调用的。而对于public属性Name，Password，public方法SignIn和SignOut，外部的调用者是可以访问的。在后面的演练中，我们能够看出这之间的区别。通过这样分层次的封装，就可以充分保证对象的重用性和安全性。

那么对于类类型而言，如何确定它们的访问权限呢？这要根据实际的需求来看了。假定这个User类是用于一个电子商务网站。那么电子商务系统在设计过程中，就需要调用到User类对象。显然，登录与退出功能是必须提供给外部使用者的，例如登录页面就会使用到User类。而IsValid()方法用于验证用户的合法性，虽然也非常必要，但该功能仅仅用于登录的时候核实用户身份，也就是说，IsValid方法只会被SignIn方法使用，但外部实用者却并不关心，因此，设置为private就是合理的。同样的道理，字段m_tryCounter也是如此。但如果需求发生改变，验证用户的功能不仅仅是登录的时候需要使用，在添加商品到购物车，下订单，付款的时候，都需要该功能，那么IsValid方法，就有必要修改为public方法了。

所以，在设计程序的时候，除了要考虑识别对象，还要充分考虑该对象的封装。类对象内的字段、属性和方法，包括类本身，哪些应该暴露在外，哪些应该被隐藏，都需要根据实际的需求，给与正确的设计。

演练：
（一）设计类User，并调用该类
1、打开Visual Studio.Net，选择“File”菜单的“new”，选择“Project”；
2、选择Visual C# Projects中的“Console Application”。在Location中，定位你要保存的项目的路径，而名字则为“SecondExample”。该名字此时既是解决方案的名字，同时也是该项目的名字。
3、用鼠标右键单击项目名，在弹出的对话框中，将Assembly Name命名为SecondExample，将Default Namespace命名为：BruceZhang.com. SecondExample。
4、用鼠标右键单击项目名，选择“Add”菜单项的“Add Class”：
 

5、在弹出的对话框中，将文件的名字命名为User.cs，如图：
 

6、点击“Open”按钮后，项目中就添加了一个新的文件User.cs。打开该文件，将public class User中的内容，修改为前面文中定义好的User类。
7、修改原有默认的Class1.cs（如果是Visual Studio 2005，则默认为Program.cs）文件名为App.cs，然后将文件内容修改为：
 class App
 {
  /// <summary>
  /// The main entry point for the application.
  /// </summary>
  [STAThread]
  static void Main(string[] args)
  {
   User user = new User();
   
   //用户名和密码均错误；
   user.Name = "Bruce";
   user.Password = "test";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //用户名正确，密码错误；
   user.Name = "admin";
   user.Password = "test";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //用户名和密码正确；
   user.Name = "admin";
   user.Password = "admin";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //注意此时是无法调用这样的字段和方法的；
   //user.m_name;
   //user.m_password;
   //user.IsValid();

   Console.ReadLine();
  }
 }
8、运行。