软件设计师（七）面向对象技术
面向对象： Object-Oriented， 是一种以客观世界中的对象为中心的开发方法。
面向对象方法有Booch方法、Coad方法和OMT方法等。推出了同一建模语言UML。
面向对象方法包括面向对象分析、面向对象设计和面向对象实现。
一、面向对象基础
1、面向对象的基本概念
面向对象 = 对象（Object） + 分类（Classification）+ 继承（Inheritance） + 通过消息的通信
（1）对象
在面向对象的系统中，对象是基本的运行时的实体，它既包括属性、又包括行为。所以，一个对象把属性和行为封装为一个整体。
在对象内的操作通常称为方法。
对象由对象名、属性和方法组成。
（2）消息
对象之间进行通信的一种构造叫做消息。
接收到信息的对象经过解释，然后予以响应，这种通信机制称为消息传递。
（3）类
一个类定义了一组大体上相似的对象。所包含的方法和属性描述一组对象的共同行为和属性。
把一组对象的共同特征加以抽象并存储在一个类中是面向对象技术最重要的一点
类是在对象之上的抽象，对象是类的具体化，是类的实例(Instance)。
类可以分为三种：实体类、接口类（边界类）和控制类。
| 类 | 说明 |
|---|---|
| 实体类 | 实体类的对象表示现实世界中真实的实体 |
| 接口类（边界类） | 接口类的对象为用户提供一种与系统合作交互的方式，分为人和系统两大类 |
| 控制类 | 控制类的对象用来控制活动流，充当协调者 |
类之间存在一般和特殊关系。
（4）继承
继承是父类和子类之间共享数据和方法的机制。
单重继承、多重继承
（5）多态
不同的对象收到同一消息可以产生完全不同的结果，这一现象称为多态。
多态的实现受到继承的支持。
多态的分类：
- 参数多态是应用比较广泛的多态，被称为最纯的多态。
- 包含多态在许多语言中都存在，最常见的例子就是子类型化，即一个类型是另一个类型的子类型。
- 过载多态是同一个名字在不同的上下文中所代表的含义不同。
（6）动态绑定
绑定是一个把过程调用和响应调用所需要执行的代码加以结合的过程。
静态绑定： 绑定是在编译时进行的。
动态绑定：在运行时进行的。
动态绑定是和类的继承以及多态相联系的
2、面向对象分析 OOA
目的是为了获得对应用问题的理解。
面向对象分析方法是将数据和功能结合在一起作为一个综合对象来考虑。
面向对象分析包含5个活动：认定对象、组织对象、描述对象间的相互作用、确定对象的操作、定义对象的内部信息。
（1）认定对象
（2）组织对象
（3）对象间的相互作用
（4）基于对象的操作
-
确定对象的操作
当考虑对象的界面时，自然要考虑对象的操作。其操作有从对象直接标识的简单操作，如创建、增加和删除等；也有更复杂的操作，如将几个对象的信息连接起来。 -
定义对象的内部信息
对象内部定义包括其内部数据信息、信息存储方法、继承关系以及可能生成的实例数等属性。
3、面向对象设计 OOD
面向对象设计（Object-Oriented Design，OOD） 是将面向对象分析（OOA）所创建的分析模型转化为设计模型。
同样应遵循抽象、信息隐蔽、功能独立、模块化等设计准则。
（1）面向对象设计的活动
OOD在复用OOA 模型的基础上，包含与 OOA 对应如下五个活动。
- 识别类及对象
- 定义属性
- 定义服务
- 识别关系
- 识别包
（2）面向对象设计的原则
| 设计原则 | 英文 | 描述 |
|---|---|---|
| 单一责任原则 | Single Responsibility Principle，SRP | 一个类，应该仅有一个引起它变化的原因。即，当需要修改某个类的时候原因有且只有一个，让一个类只做一种类型责任 |
| 开放-封闭原则 | Open & Close Principle，OCP | 软件实体(类、模块、函数等)应该是可以扩展的，即开放的；但是不可修改的，即封闭的 |
| 里氏替换原则 | Liskov Substitution Principle，LSP | 子类型必须能够替换掉他们的基类型。即，在任何父类可以出现的地方，都可以用子类的实例来赋值给父类型的引用。当一个子类的实例应该能够替换任何其超类的实例时，它们之间才具有是一个 (is-a)关系 |
| 依赖倒置原则 | Dependence Inversion Principle, DIP | 抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。即，高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象 |
| 接口分离原则 | Interface Segregation Principle，ISP | 不应该强迫客户依赖于它们不用的方法。接口属于客户，不属于它所在的类层次结构 |
4、面向对象程序设计 OOP
程序设计范型（Programming Paradigm）是人们在程序设计时采用的基本方式模型。经历了过程程序模型、模块化程序设计、函数程序设计、逻辑程序设计，面向对象程序设计范型。
面向对象程序设计的实质：是选用一种面向对象程序设计语言 (Object-Oriented Programming Language，OOPL)，采用对象、类及其相关概念所进行的程序设计。它的关键在于加入了类和继承性，从而进一步提高了抽象程度。特定的 OOP概念一般是通过 OOPL 中特定的语言机制来体现的。
（1）类
类具有实例化功能，包括实例生成(由类的 Constructor 完成)和实例消除(由类的 Destructor完成)。
类的实例化功能决定了类及其实例具有下面的特征：
- 同一个类的不同实例具有相同的数据结构，承受的是同一方法集合所定义的操作，因而具有规律相同的行为。
- 同一个类的不同实例可以持有不同的值，因而可以具有不同的状态。
- 实例的初始状态(初值) 可以在实例化时确定。
（2）继承和类层次结构
在一个面向对象系统中，子类与父类之间的继承关系构成了这个系统的类层次结构，可以用树 (对应于单继承) 或格 (对应于多继承)这样的图来描述。
生成：从子类沿继承路径上溯至它的一个基类，然后自顶向下执行子类所有父类的实例生成方法；最后执行子类实例生成方法的函数体。
消除：先执行该子类实例消除方法的函数体，再沿继承路径自底向上执行该子类所有父类的实例消除方法
（3）对象、消息传递和方法
对象是类的实例。对象之间通过消息传递方式进行通信。
（4）对象自身引用
对象自身引用(self-Reference) 是 面向对象程序设计语言 中的一种特有结构，在 C++和 Java 中称为 this。
对象自身引用的值和类型分别扮演了两种意义的角色：
对象自身引用的值使得方法体中引用的成员名与特定的对象相关，
对象自身引用的类型则决定了方法体被实际共享的范围。
（5）重置
重置或覆盖 (Overriding) 是在子类中重新定义父类中已经定义的方法，其基本思想是通过一种动态绑定机制的支持，使得子类在继承父类接口定义的前提下用适合自己要求的实现去置换父类中的相应实现。
（6）类属类
类属是程序设计语言中普遍注重的一种参数多态机制
5、面向对象测试
程序调试步骤是从最底层开始，从单元测试、综合测试到系统测试。
单元测试是系统构件的分体测试。
将测试好的系统构件接起来看它们之间相互作用的正确性称为综合测试。
最后是整个系统的测试，包括软件系统所在相关环境的测试。
二、UML
统一建模语言是面向对象软件的标准化建模语言。
1、事物
UML中有4种事物：结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。
（1）结构事物
通常是UML模型的静态部分，描述概念或物理元素。
结构事物包括类(Class)、接口(Interface)、协作(Collaboration)、用例(Use Case)、主动类 (Active Class)、构件(Component)、制品 (Artifact) 和结点(Node)。
（2）行为事物
行为事物是UML模型的动态部分。描述了跨越时间和空间的行为。
行为事物包括交互 (Interaction)、状态机(State Machine) 和活动(Activity)。
交互
交互由在特定语境中共同完成一定任务的一组对象之间交换的消息组成。
交互可以描述一个对象群体的行为或者单个操作的行为。
图形上，把一个消息表示为一条有向直线，线段上有操作名。
状态机
状态机描述了一个对象或一个交互在生命期内响应事件所经历的状态序列。
图形上，把状态表示为一个圆角矩形，通常在圆角矩形中含有状态的名称及其子状态
活动
活动是描述计算机过程执行的步骤序列，注重步骤之间的流而不关心哪个对象执行哪个步骤。
活动的一个步骤称为一个动作。
在图形上，把动作画成一个圆角矩形，在其中含有指明其用途的名字。
（3）分组事物
分组事物是UML模型的组织部分。最主要的分组事物是包。
结构事物、行为事物甚至其他分组事物都可以放进包内
（4）注释事物
注释事物是 UML 模型的解释部分。
2、关系
UML 中有 4 种关系： 依赖、关联、泛化和实现。
| 关系 | 说明 | 图示 |
|---|---|---|
| 依赖 | 依赖是两个事物间的语义关系，其中一个事物(独立事物)发生变化会影响另一个事物(依赖事物) 的语义 |  |
| 关联 | 关联是一种结构关系，它描述了一组链，链是对象之间的连接。聚集 (Aggregation)是一种特殊类型的关联，它描述了整体和部分间的结构关系 |  |
| 泛化 | 泛化是一种特殊/一般关系，特殊元素(子元素) 的对象可替代一般元素 (父元素) 的对象。用这种方法，子元素共享了父元素的结构和行为 |  |
| 实现 | 实现是类元之间的语义关系，其中一个类元指定了由另一个类元保证执行的契约。在两种情况下会使用实现关系:一种是在接口和实现它们的类或构件之间;另一种是在用例和实现它们的协作之间 |  |
3、UML中的图
UML 2.0 提供了 13 种图，分别是类图、对象图、用例图、序列图、通信图、状态图、活动图、构件图、组合结构图、部署图、包图、交互概览图和计时图。序列图、通信图、交互概览图和计时图均被称为交互图。
动态图： 交互图、活动图
静态图： 类图、对象图、用例图、构件图
三、设计模式
1、设计模式的要素
设计模式的核心在于提供了相关问题的解决方案，可以更加方便的复用成功的设计和体系结构。
设计模式一般有以下4个基本要素：
- 模式名称（Pattern Name）
- 问题（Problem）
- 解决方案（Solution）
- 效果（Consequences）
设计模式分为三大类：
- 创建型模式：与对象的创建有关；
- 结构型模式：处理类或对象的组合；
- 行为型模式：对类或对象怎样交互和怎样分配职责进行描述
2、创建型设计模式
创建型模式抽象了实例化过程，它们帮助一个系统独立于如何创建、组合和表示它的那些对象。
在这些模式中有两个不断出现的主旋律：
- 第一，它们都将关于该系统使用哪些具体的类的信息封装起来。
- 第二，它们隐藏了这些类的实例是如何被创建和放在一起的。整个系统关于这些对象所知道的是由抽象类所定义的接口。
（1）Abstract Factory（抽象工厂）
意图
提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。
结构
适用性
- 一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时。
- 一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。
- 当要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时
- 当提供一个产品类库，只想显示它们的接口而不是实现时。
（2）Builder （生成器）
意图
将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
结构
适用性
- 当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式时
- 当构造过程必须允许被构造的对象有不同的表示时。
（3）Factory Method（工厂方法）
意图
定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method 使一个类的实例化延迟到其子类。
结构
适用性
- 当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候。
- 当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候。
- 当类将创建对象的职责委托给多个帮助子类中的某一个，并且你希望将哪一个帮助子类是代理者这一信息局部化的时候。
（4）Prototype（原型）
意图
用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。
结构
适用性
- 当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时。
- 当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载
- 为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。
- 当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克降它们，可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。
（5）Singleton（单例）
意图
保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
结构
适用性
- 当类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。
- 当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的，并且客户无须更改代码就能使用一个扩展的实例时。
3、结构型设计模式
结构型设计模式涉及如何组合类和对象以获得更大的结构。
结构型类模式采用继承机制来组合接口或实现。
（1）Adapter（适配器）
意图
将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。Adapter 模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
结构
适用性
- 想使用一个已经存在的类，而它的接口不符合要求。
- 想创建一个可以服用的类，该类可以与其他不相关的类或不可预见的类(即那些接口可能不一定兼容的类) 协同工作。
- (仅适用于对象 Adapter)想使用一个已经存在的子类，但是不可能对每一个都进行子类化以匹配它们的接口。对象适配器可以适配它的父类接口。
（2）Bridge（桥接）
意图
将抽象部分与其实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
结构
适用性
- 不希望在抽象和它的实现部分之间有一个固定的绑定关系。例如，这种情况可能是因为，在程序运行时刻实现部分应可以被选择或者切换。
- 类的抽象以及它的实现都应该可以通过生成子类的方法加以扩充。这是 Bridge 模式使得开发者可以对不同的抽象接口和实现部分进行组合，并分别对它们进行扩充。
- 对一个抽象的实现部分的修改应对客户不产生影响，即客户代码不必重新编译.
- (C++) 想对客户完全隐藏抽象的实现部分。
- 有许多类要生成的类层次结构。
- 想在多个对象间共享实现(可能使用引用计数)，但同时要求客户并不知道这一点。
（3）Composite（组合）
意图
将对象组合成树型结构以表示“部分-整体”的层次结构。Composite 使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
结构
适用性
- 想表示对象的部分-整体层次结构。
- 希望用户忽略组合对象与单个对象的不同,用户将统一地使用组合结构中的所有对象.
（4）Decorator（装饰）
意图
动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator 模式比生成子类更加灵活
结构
适用性
- 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
- 处理那些可以撤销的职责。
- 当不能采用生成子类的方式进行扩充时。一种情况是，可能有大量独立的扩展，为支持每一种组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长。另一种情况可能是，由于类定义被隐藏，或类定义不能用于生成子类。
（5）Facade（外观）
意图
为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，Facade 模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
结构
适用性
- 要为一个复杂子系统提供一个简单接口时，子系统往往因为不断演化而变得越来越复杂。大多数模式使用时都会产生更多更小的类，这使得子系统更具有可重用性，也更容易对子系统进行定制,但也给那些不需要定制子系统的用户带来一些使用上的困难。Facade 可以提供一个简单的默认视图，这一视图对大多数用户来说已经足够，而那些需要更多的可定制性的用户可以越过 Facade 层。
- 客户程序与抽象类的实现部分之间存在着很大的依赖性。引入 Facade 将这个子系统与客户以及其他的子系统分离，可以提高子系统的独立性和可移植性。
- 当需要构建一个层次结构的子系统时，使用 Facade 模式定义子系统中每层的入口点。如果子系统之间是相互依赖的，则可以让它们仅通过 Facade 进行通信，从而简化了它们之间的依赖关系。
（6）Flyweight（享元）
意图
运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象
结构
适用性
- 一个应用程序使用了大量的对象。
- 完全由于使用大量的对象，造成很大的存储开销。
- 对象的大多数状态都可变为外部状态。
- 如果删除对象的外部状态，那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象。
- 应用程序不依赖于对象标识。由于 Flyweight 对象可以被共享，所以对于概念上明显有别的对象，标识测试将返回真值。
（7）Proxy（代理）
意图
为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问
结构
适用性
- 远程代理(Remote Proxy)为一个对象在不同地址空间提供局部代表
- 虚代理(Virtual Proxy) 根据需要创建开销很大的对象。
- 保护代理 (Protection Proxy) 控制对原始对象的访问，用于对象应该有不同的访问权限的时候。
- 智能引用(Smart Reference) 取代了简单的指针，它在访问对象时执行一些附加操作典型用途包括:对指向实际对象的引用计数，这样当该对象没有引用时，可以被自动释放:当第一次引用一个持久对象时，将它装入内存: 在访问一个实际对象前，检查是否已经锁定了它，以确保其他对象不能改变它。
4、行为设计模式
（1）Chain of Responsibility （责任链）
意图
使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。
结构
适用性
- 有多个的对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求运行时刻自动确定。
- 想在不明确指定接收者的情况下向多个对象中的一个提交一个请求。
- 可处理一个请求的对象集合应被动态指定。
（2）Command（命令）
意图
将一个请求封装为一个对象，从而使得可以用不同的请求对客户进行参数化; 对请求排队
结构
适用性
- 抽象出待执行的动作以参数化某对象。
- 在不同的时刻指定、排列和执行请求。
- 支持取消操作
- 支持修改日志
- 用构建在原语操作上的高层操作构造一个系统
（3）Interpreter（解释器）
意图
给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
结构
适用性
Interpreter模式适用于当有一个语言需要解释执行，并且可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时，以下情况效果最好：该文法简单；效率不是一个关键问题
（4）Iterator（迭代器）
意图
提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，且不需要暴露该对象的内部表示。
结构
适用性
- 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示
- 支持对聚合对象的多种遍历。
- 为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口。
（5）Mediator（中介者）
意图
用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
结构
适用性
- 组对象以定义良好但是复杂的方式进行通信，产生的相互依赖关系结构混乱且难以
理解。 - 一个对象引用其他很多对象并且直接与这些对象通信，导致难以复用该对象。
- 想定制一个分布在多个类中的行为，而又不想生成太多的子类
（6）Memento（备忘录）
意图
在不破坏封装性的前提下捕获一个对象的内部状态，并在对象之外保存这个状态。这样以后就可以将对象恢复到原先保存的状态。
结构
适用性
- 必须保存一个对象在某一个时刻的(部分)状态，这样以后需要时它才能恢复到先前的状态。
- 如果一个用接口来让其他对象直接得到这些状态，将会暴露对象的实现细节并破坏对象的封装性。
（7）Observer（观察者）
意图
定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
结构
适用性
- 当一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面，将这两者封装在独立的对象中以使它们可以各自独立地改变和复用。
- 当对一个对象的改变需要同时改变其他对象，而不知道具体有多少对象有待改变时。
- 当一个对象必须通知其他对象，而它又不能假定其他对象是谁，即不希望这些对象是紧耦合的。
（8）State（状态）
意图
允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。
结构
适用性
- 一个对象的行为决定于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。
- 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句，且这些分支依赖于该对象的状态。这个状态常用一个或多个枚举常量表示。通常，有多个操作包含这一相同的条件结构。State模式将每一个条件分支放入一个独立的类中。这使得开发者可以根据对象自身的情况将对象的状态作为一个对象，这一对象可以不依赖于其他对象独立变化。
（9）Strategy（策略）
意图
定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可以相互替换。此模式使得算法可以独立于使用它们的客户而变化。
结构
适用性
- 许多相关的类仅仅是行为有异。“策略”提供了一种用多个行为中的一个行为来配置一个类的方法。
- 需要使用一个算法的不同变体。例如,定义一些反映不同空间的空间/时间权衡的算法。当这些变体实现为一个算法的类层次时，可以使用策略模式。
- 算法使用客户不应该知道的数据。可使用策略模式以避免暴露复杂的、与算法相关的数据结构。
- 一个类定义了多种行为,并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现,将相关的条件分支移入它们各自的 Strategy 类中，以代替这些条件语句。
（10）Template Method（模板方法）
意图
定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。Template Method 使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
结构
适用性
- 一次性实现一个算法的不变的部分，并将可变的行为留给子类来实现。
- 各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中，以避免代码重复。
- 控制子类扩展。模板方法旨在特定点调用“hook”操作 (默认的行为，子类可以在必要时进行重定义扩展)，这就只允许在这些点进行扩展。
（11）Visitor（访问者）
意图
表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它允许在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
结构
适用性
- 一个对象结构包含很多类对象，它们有不同的接口，而用户想对这些对象实施一些依赖于其具体类的操作。
- 需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作，而又想要避免这些操作“污染”这些对象的类。Visitor 使得用户可以将相关的操作集中起来定义在一个类中。当该对象结构被很多应用共享时，用 Visitor 模式让每个应用仅包含需要用到的操作。
- 定义对象结构的类很少改变，但经常需要在此结构上定义新的操作。改变对象结构类需要重定义对所有访问者的接口，这可能需要很大的代价。如果对象结构类经常改变那么可能还是在这些类中定义这些操作较好。