面向对象及其五大基本编程原则[简洁易懂]

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编辑：SJMP1974
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面向对象与面向过程

什么是面向过程？

“面向过程”(Procedure Oriented) 是一种以过程为中心的编程思想。最典型的面向过程编程语言是 C 语言。

简而言之，“面向过程”需要将问题分解成一个一个步骤，每个步骤用函数实现，依次调用即可。

例如，最典型的用法是实现一个简单的算法，比如冒泡排序。

缺点是：代码复用性较差，不易维护。

什么是面向对象？

面向对象(Object Oriented)是软件开发方法，一种编程范式。对现实世界抽象，将属性（数据）、行为（操作数据的函数或方法）封装成类。

例如：想要造一辆车，上来要先把车的各种属性定义出来，然后抽象成一个Car类。

面向对象的编程语言有Java、C#、C++、Python、Ruby、PHP等。

面向对象有三大基本特征和五大基本原则。

面向对象的三大基本特征——封装、继承、多态

如何将现实世界的事物抽象成代码呢？
运用面向对象的三大基本特征，即封装、继承和多态。

什么是封装？

封装：将客观事物抽象成类（包含属性和方法），并将类的属性和方法仅让可信的类或对象操作，对不可信的进行信息隐藏。
注：【属性】可理解为数据；【方法】可理解为操作数据的函数

例如：
对客观世界的矩形进行封装。

/**
* 矩形
*/
class Rectangle {

    /**
      * 方法：设置矩形的长度和宽度
      */
    public Rectangle(int length, int width) {
        this.length = length;
        this.width = width;
    }

    /**
      * 数据: 长度
      */
    private int length;

    /**
      * 数据: 宽度
      */
    private int width;

    /**
      * 方法：获得矩形面积
      *
      * @return
      */
    public int area() {
        return this.length * this.width;
    }
}

什么是继承？

继承：子类不用复写父类的代码，通过继承的方式，可以获得父类的所有功能，即子类继承父类。

例如：
客观世界正方形是矩形的一个特例（正方形的长和宽相等），即长方形拥有的属性和方法，正方形可以通过继承的方式获得。

/**
 * 正方形，继承自矩形
 */
class Square extends Rectangle {

    /**
     * 设置正方形边长
     *
     * @param length
     */
    public Square(int length) {
        super(length, length);
    }
}

什么是多态？

多态：一个类的实例的相同方法在不同的情形下有不同的表现形式。

例如，动物是一个抽象类，猫咪和狗是其子类，都继承 eat() 这个方法，变量 Animal animal 指向猫的实现，调用 animal.eat()，就是猫咪吃鱼，如果变量 Animal animal 指向狗的实现，调用 animal.eat()，就是狗吃骨头。

class Animal{
    public abstract void eat(){
    }
}

class Cat extends Animal{
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println("猫咪要吃鱼");
    }
}

class Dog extends Animal{
    @Override
    public void eat(){
        System.out.println("狗要吃骨头");
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal = new Cat();
        animal.eat();
    }
}

猫咪要吃鱼

参考：https://blog.csdn.net/qq_44823756/article/details/120535531

总结：实现多态的三个步骤

• 继承（猫和狗继承动物）
• 重写方法（猫和狗重写eat方法）
• 父类引用指向子类对象（Animal animal = new Cat();）

多态有什么好处？

• 可维护性：在实际开发中， Animal animal = new Cat();这块代码，new Cat() 这块代码可能是一个方法来创建动物对象，因此如果要更改动物的实现方式，只需要更改创建动物对象的方法即可，无需修改主要代码。此例仅帮助大家理解。
• 可扩展性: 增加新的子类不影响已存在类。

面向对象的三大基本特征——SOLID

• 单一职责原则
• 对扩展开放，对修改关闭
• 里氏替换原则
• 接口隔离原则
• 依赖倒置原则

什么是单一职责原则（Single-Responsibility Principle）？

其核心思想为：一个类，最好只做一件事，只有一个引起它的变化。通常地，就是指只有一种单一功能，不要为类实现过多的功能点。

专注地，是一个人优良的品质；同样地，单一也是一个类的优良设计。

注：不仅类的职责要单一，而且方法的职责也要单一。

什么是开放封闭原则（Open-Closed principle）？

其核心思想是：软件实体应该是可扩展的，而不可修改的。也就是，对扩展开放，对修改封闭的。

举例：
功能是协议在发送时失败或者超时需要重新发送。

ProtocolRequest request;
bool result = Send(request);
if (!result)
{
    ReSend(request);
}

但某些协议不重要，不需要重发。

ProtocolRequest request;
bool result = Send(request);
if (!result)
{
    if (request is PingRequest)
    {
        //do nothing
    }
    else
    {
        ReSend(request);
    }
}

如果是这样写代码，就违反了开放封闭原则，因为如果之后还有类似 Ping 的协议，还需要继续修改这个方法。
重构：为ProtocolRequest类新增一个属性 NeedResend，在调用处直接以此判断：

class ProtocolRequest
{
    public int Id
    {
        get; set;
    }

    public virtual bool NeedResend
    {
        get;
    }
}
class PingRequest : ProtocolRequest
{
    public override bool NeedResed
    {
        get
        {
            return false;
        }
    }
}

//for test
ProtocolRequest request;
bool result = Send(request);
if (!result)
{
    if (request.NeedResend)
    {
        ReSend(request);
    }
}

这样的话，以后新增协议，需要重发就可以重写这个属性，而不需要修改原有代码。
这就符合了开闭原则。

注：此处抛砖引玉
参考：https://www.jianshu.com/p/6e2874717805

什么是里氏替换原则（Liskov-Substitution Principle）？

其核心思想是：子类必须能够替换其基类，子类扩展父类的功能，但是不能改变父类原有的功能。

why？
因为不遵守里氏替换原则，程序有可能出错。例如：

//父类
class Calculator{
    
    //父类非抽象方法
    public int calculate(int data1,int data2){
         return data1+data2;       
    }
}


class SubCalculatot extends Calculator{

    //子类违反里氏替换原则，重写了父类非抽象方法, 计算差值
    @Override
    public int calculate(int data1,int data2){
        return data1-data2;
    }

    // 其他方法
    ...
}

// 原有业务Demo类
public static void main(String[] args){
    // 原有业务逻辑，引用了父类的非抽象方法 Calculator.calculate() 计算和。
   Calculator calculator = new Calculator();
    calculator.calculate();
}

// 此时，业务需求增加，需要在子类新增一个其他方法，供业务Demo使用
public static void main(String[] args){
    // 为使用新的方法，改为使用子类实现。
   Calculator calculator = new SubCalculatot();
    // 原有逻辑实现发生变化，导致走了子类的逻辑，计算差值
    calculator.calculate();

    // 新增的业务逻辑
    ...
    calculator.otherMethod();
}

// 总结：增加新的业务逻辑，影响了原有的程序，导致错误，因此，要遵循里氏替换原则。

how？（如何做？）

• 子类必须完全实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法
• 子类可以是实现自己特有的方法
• 当子类的方法实现父类的抽象方法时，方法的后置条件要比父类更严格，例如，父类方法的返回值是 ArrayList，子类方法的返回值不能是更宽泛的条件 List.
• 子类的实例可以替代任何父类的实例，反之不成立。

参考：https://www.bilibili.com/video/BV1fG411P75c/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=09e3f81b9f7ed8ee4306bb2e0ecd5538

什么是接口隔离原则（Interface-Segregation Principle）？

其核心思想是：使用多个小的专门的接口，而不要使用一个大的总接口。避免类实现接口时，类实现了根本用不上的接口，不强迫依赖不用的方法。

参考：https://www.bilibili.com/video/BV1344y1S73M/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=09e3f81b9f7ed8ee4306bb2e0ecd5538

什么是依赖倒置（Dependecy-Inversion Principle）？

其核心思想是：依赖于抽象。具体而言就是高层模块不依赖于底层模块，二者都同依赖于抽象；抽象不依赖于具体，具体依赖于抽象。

例如：
在最开始的时候，PizzaStore 通过new的方式创建对象，PizzaStore 是高层组件，CheesePizza 和 ClamPizza 等具体对象是低层组件，如下图所示。

package headfirst.designpatterns.factorymethod.background;

import headfirst.designpatterns.factorymethod.Pizzas.CheesePizza;
import headfirst.designpatterns.factorymethod.Pizzas.ClamPizza;
import headfirst.designpatterns.factorymethod.Pizzas.PepperoniPizza;
import headfirst.designpatterns.factorymethod.Pizzas.Pizza;

public class PizzaStore {

    public PizzaStore() {
    }

    public Pizza orderPizza(String type){
        Pizza pizza;
        // ---此部分代码属于变化的部分，可能根据需求变化，需要修改这段代码，不合理---
        if (type.equals("cheese")){
            pizza = new CheesePizza();
        }else if (type.equals("clam")){
            pizza = new ClamPizza();
        }else if (type.equals("pepperoni")){
            pizza = new PepperoniPizza();
        }else{
            pizza = null;
        }
        // --------------------------------------------------------------
        
        pizza.prepare();
        pizza.bake();
        pizza.cut();
        pizza.box();
        return pizza;
    }
}

重构后：

PizzaStore 有一个抽象方法 createPizza，子类 ChicagoPizzaStore 和 NYPizzaStore 实现了createPizza，业务在使用时，由业务决定使用哪个子类创建Pizza，PizzaStore 的 orderPizza 方法根据返回的具体Pizza（ChicagoStyleCheesePizza等等），开始制作Pizza，不同子类生产 Pizza 的制作流程由子类自己决定。

public abstract class PizzaStore {
 
    // 工厂方法，是抽象方法
	abstract Pizza createPizza(String item);
   
	public Pizza orderPizza(String type) {
        // 工厂方法生产对象，由于抽象类无法实例化，故生产对象的任务由子类（ChicagoPizzaStore 或 NYPizzaStore 完成，也就是具体的对象生产者）
		Pizza pizza = createPizza(type);
		System.out.println("--- Making a " + pizza.getName() + " ---");
		pizza.prepare();
		pizza.bake();
		pizza.cut();
		pizza.box();
        // 调用 other method
		return pizza;
	}
	//******** other method, 可由各工厂实现自己特色 **********
}


public class ChicagoPizzaStore extends PizzaStore {

	Pizza createPizza(String item) {
        	if (item.equals("cheese")) {
            		return new ChicagoStyleCheesePizza();
        	}else return null;
	}
}


public class NYPizzaStore extends PizzaStore {

	Pizza createPizza(String item) {
		if (item.equals("cheese")) {
			return new NYStyleCheesePizza();
		}else return null;
	}
}

public abstract class Pizza {
	String name;
	String dough;
	String sauce;
	ArrayList<String> toppings = new ArrayList<String>();
 
	void prepare() {
		System.out.println("Prepare " + name);
		System.out.println("Tossing dough...");
		System.out.println("Adding sauce...");
		System.out.println("Adding toppings: ");
		for (String topping : toppings) {
			System.out.println("   " + topping);
		}
	}
  
	void bake() {
		System.out.println("Bake for 25 minutes at 350");
	}
 
	void cut() {
		System.out.println("Cut the pizza into diagonal slices");
	}
  
	void box() {
		System.out.println("Place pizza in official PizzaStore box");
	}
 
	public String getName() {
		return name;
	}

	public String toString() {
		StringBuffer display = new StringBuffer();
		display.append("---- " + name + " ----\n");
		display.append(dough + "\n");
		display.append(sauce + "\n");
		for (String topping : toppings) {
			display.append(topping + "\n");
		}
		return display.toString();
	}
}


public class ChicagoStyleCheesePizza extends Pizza {

	public ChicagoStyleCheesePizza() { 
		name = "Chicago Style Deep Dish Cheese Pizza";
		dough = "Extra Thick Crust Dough";
		sauce = "Plum Tomato Sauce";
 
		toppings.add("Shredded Mozzarella Cheese");
	}
 
	void cut() {
		System.out.println("Cutting the pizza into square slices");
	}
}

原来 PizzaStore 依赖 Pizza 的具体实现，不符合依赖倒置原则。经过重构后，PizzaStore 仅依赖 Pizza 抽象类，Pizza 的具体实现类也仅依赖抽象类 Pizza。在这个过程实现了依赖倒置，实现了高层组件与低层组件的分离。

注：原来高层组件依赖低层组件，现在高层组件仅依赖高层组件，低层组件也依赖高层组件，实现了依赖倒置。