【Java SE语法篇】7.面向对象——类和对象

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✨专栏：《Java SE语法》

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1. 面向对象程序设计概述

面向对象程序设计(object-oriented programming，OOP)，是当今主流的程序设计范畴，它取代了20世纪70年代的”结构化“或过程式编程技术。

面向对象的程序是由对象组成的，每个对象包含对用户公开的特点功能部分和隐藏的实现部分。

1.1 类

类（class）是构造对象的模板或蓝图。由类构造（construct）对象的过程称为类的实例（instance）。

封装（encapsulation，有时称为数据隐藏）是处理对象的一个重要概念。封装就是将数据和行为组合在一个包中，并对对象的使用者隐藏具体的实现方式。对象的数据称为实例字段（instance field），操作数据的过程称为方法（method）。

实现封装的关键在于，绝对不能让类中的方法直接访问其他类的实例字段。程序只能通过对象的方法与对象数据进行交互。封装给对象赋予了“黑盒”特征，这是提高重用性和可靠性的关键。这意味着一个类可以完全改变存储数据的方式，只要仍旧使用同样的方法操作数据，其他对象就不会知道也不用关心这个类所发生的变化。

1.2 对象

要想使用OOP，一定要清楚对象的三个主要特性：

• 对象的行为（behavior）——可以对对象完成哪些操作，或者可以对对象应用哪些方法？
• 对象的状态（state）—当调用那些方法时，对象会如何响应？
• 对象的标识（identity）——如何区分具有相同行为与状态的不同对象？

同一个类的所有对象实例，由于支持相同的行为而具有家族式的相似性。对象的行为是可调用的方法来定义的。

1.3 类之间的关系

在类之间，最常见的关系有：

• 依赖（uses-a）;
• 聚合（has-a）;
• 继承（is-a）。

​ 依赖（dependence），即“uses-a”关系，是一种最明显、最常见的关系。如果一个类的方法使用或操纵另一个类的对象，我们就说一个类依赖于另一个类。

​ 聚合（aggregation），即“has-a”关系，很容易理解，因为这种关系很具体。包含关系意味着类A的对象包含类B的对象。

​ 继承（inheritance），即“is-a”关系，表示一个更特殊的类与一个更一般类之间的关系。

2. 类的定义和使用

面向对象程序设计关注的是对象，而对象是现实生活中的实体。

2.1 简单认识类

类是用来对一个实体（对象）来进行描述，主要描述该实体（对象）具有哪些属性，哪些功能，描述完成后计算机就可以识别了。

2.2 类的定义格式

在java中定义 类需要使用class关键字，具体语法如下：

class ClassName{
    field;// 字段 或 成员变量
    method;// 方法 或 成员方法
}

class为定义类的关键字，ClassName为类的名字，{}中为类的主体。

类中包含的内容称为类的成员。属性主要是用来描述类的，称之为类的成员属性或者类**成员变量**。方法主要说明类具有哪些功能，称为类的成员方法。

2.3 自定义类

2.3.1 定义一个狗类

class Dog {
    // 狗的属性
    public String name;// 狗的名字
    public String color;// 狗的颜色

    // 狗的行为
    public void barks() {
        System.out.println(name + "在旺旺叫");
    }

    public void wag() {
        System.out.println(name + "在摇尾巴");
    }
}

注意事项：

1. 一般一个文件当中只定义一个类。
2. main方法所在的类一般要使用public修饰。
3. public修饰的类必须要和文件相同。

3.类的实例化

3.1 什么是实例化

定义一个类，就相当于在计算机中定义了一种新的类型，与int，double类似，只不过int和double是java语言自带的内置类型，而类是用户自定义了一个新的类型，比如上述的Dog类。它就是类（一种新定义的类型）有了这些自定义的类型之后，就可以使用这些类来定义实例（或者称为对象）。

用类类型创建对象的过程，称为类的实例化，在java采用new关键字，配合类名来实例化对象。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog1 = new Dog();
        dog1.name = "大黄";
        dog1.color = "黄色";
        dog1.barks();
        dog1.wag();

        Dog dog2 = new Dog();
        dog2.name = "哈士奇";
        dog2.color = "白黑色";
        dog2.barks();
        dog2.wag();
    }
}

// 运行结果：
大黄在旺旺叫
大黄在摇尾巴
哈士奇在旺旺叫
哈士奇在摇尾巴

注意事项：

1. new 关键字用于创建一个对象的实例。
2. 使用.来访问对象中属性和方法。
3. 同一个类可以创建多个实例。

3.2 类和对象的说明

1. 类只是一个模型一样的东西，用来对一个实体进行描述，限定了类有哪些成员。
2. 类是一种自定义的类型，可以用来定义常量
3. 一个类可以实例化出多个对象，实例化出的对象占用实际的物理空间，存储类成员变量
4. 做个比方，类的实例化出对象就像现实中使用建筑设计圈造出房子，类就是设计图，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化的对象才能实际存储数据，占用物理空间。

4. this 引用

4.1 为什么要使用this引用

先看一个日期类的例子：

class Date{
    public int year;
    public int month;
    public int day;

    public void setDate(int y, int m, int d){
        year = y;
        month = m;
        day = d;
    }

    public void printDate(){
        System.out.println(year + "/" + month + "/" + day);
    }
}

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 构造三个日期类型的对象 d1 d2 d3
        Date d1 = new Date();
        Date d2 = new Date();
        Date d3 = new Date();
        
        // 对d1，d2，d3的日期设置
        d1.setDay(2020,9,15);
        d2.setDay(2020,9,16);
        d3.setDay(2020,9,17);
       
        // 打印日期中的内容
        d1.printDate();
        d2.printDate();
        d3.printDate();
    }
}

以上代码定义了一个日期类，然后main方法中创建了三个对象，并通过Date类中的成员方法对对象进行设置和打
印，代码整体逻辑非常简单，没有任何问题。

但是细思之下有以下两个疑问：

1. 形参名不小心与成员变量名相同

   public void setData(int year, int month, int day){
           year = year;
           month = month;
           day = day;
   }
   

   那函数体中到底是谁给谁赋值？成员变量给成员变量？参数给参数？参数给成员变量？成员变量参数？估计
   自己都搞不清楚了。

2. 三个对象都在调用setDate和printDate函数，但是这两个函数中没有任何有关对象的说明，setDate和
   printDate函数如何知道打印的是那个对象的数据呢？

4.2 什么是this引用

this引用指向当前对象(成员方法运行时调用该成员方法的对象)，在成员方法中所有成员变量的操作，都是通过该引用去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要来传递，编译器自动完成。

public void setData(int year, int month, int day){
        this.year = year;
        this.month = month;
        this.day = day;
}

注意：this引用的是调用成员方法的对象。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date();
        d.setData(2020,9,15);
        d.printDate();
    }
}

4.3 this引用的特性

1. this的类型：对应类类型引用，即哪个对象调用就是哪个对象的引用类型。
2. this只能在“成员方法”中使用。
3. 在"成员方法"中，this只能引用当前对象，不能再引用其他对象。
4. this是“成员方法”第一个隐藏的参数，编译器会自动传递，在成员方法执行时，编译器负责将调用成员方法对象的引用传递给该成员方法，this负责来接收。

5. 对象的构造及初始化

5.1 如何初始化对象

在java方法内部定义一个局部变量，必须初始化，否则就会编译失败。

要上诉代码编译成功，只需要是在使用a之前，给a设置一个初始值。如果是对象：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date();
        d.setData(2020,9,15);
        d.printDate();
    }
}
// 代码正常通过编译

需要调用之前写的setDate方法才可以将具体的日期设置到对象中。通过上述例子发现两个问题：

1. 每次对象创建好后调用setDate方法设置具体日期，比较麻烦，那对象该如何初始化？
2. 局部变量必须要初始化才能使用，为什么字段声明之后没有给值依然可以使用？

5.2 构造方法

5.2.1 概念

构造方法（也称为构造器）是一种特殊的成员方法，名字必须与类名相同，在创建对象时，编译器自动调用并且在整个对象的生命周期内调用一次。

class Date{
    public int year;
    public int month;
    public int day;

    // 构造方法
    public Date(int year, int month, int day){
        this.year = year;
        this.month = month;
        this.day = day;
        System.out.println("Date(int year, int month, int day)被调用了");
    }

    public void printDate(){
        System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date(2020,9,15);
        d.printDate();
    }
}

注意：构造方法的作用就是对对象中的成员进行初始化，并不负责给对象开辟空间。

5.2.2 特性

1. 构造器与类同名
2. 每一个类可以有一个以上的构造器
3. 构造器可以有0个、1个或多个参数
4. 构造器没有返回值
5. 构造器总是伴随着new操作符一起调用
6. 构造方法可以重载

class Date{
    public int year;
    public int month;
    public int day;

    // 构造方法
    // 无参构造方法
    public Date() {
    }

    // 带3个参数的构造方法
    public Date(int year, int month, int day) {
        this.year = year;
        this.month = month;
        this.day = day;
    }

    public void printDate(){
        System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date(2020,9,15);
        d.printDate();
    }
}
// 上述两个构造方法：名字相同，参数列表不同，因此构成了方法重载。

7. 如果用户没有显式定义，编译器会生成一份默认的构造方法，生成的默认构造方法一定是无参的

   class Date{
       public int year;
       public int month;
       public int day;
   
       public void printDate(){
           System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
       }
   }
   
   public class Test {
       public static void main(String[] args) {
           Date d = new Date();
           d.printDate();
       }
   }
   
   

   上述Date类，没有定义任何构造方法，编译器会默认生成一个无参构造器。

   注意：一旦用户定义，编译器就不会生成
   

8. 构造方法中，可以通过this调用其他构造方法来简化代码

   class Date{
       public int year;
       public int month;
       public int day;
   
       public Date() {
           this(2005,5,9);// 必须是构造方法的第一条语句
       }
   
       public Date(int year, int month, int day) {
           this.year = year;
           this.month = month;
           this.day = day;
       }
   
       public void printDate(){
           System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
       }
   }
   
   public class Test2 {
       public static void main(String[] args) {
           Date d = new Date();
           d.printDate();
       }
   }
   

   注意：this(…)必须是构造方法的第一条语句。

5.3 默认初始化

在上文中提出的第二个问题：为什么局部变量在使用时必须要初始化，而成员变量可以不用呢？

class Date{
    public int year;
    public int month;
    public int day;

    public Date(int year, int month, int day) {
        // 成员变量在定义时，并没有给初始值, 为什么就可以使用呢？
        System.out.println(this.year);
        System.out.println(this.month);
        System.out.println(this.day);
    }

    public void printDate(){
        System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
    }
}

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date(2023,9,17);
    }
}

要搞清楚这个过程，就需要知道new 关键字背后所发生的一些事情：

 Date d = new Date(2023,9,17);

在程序层面只是简单的一条语句，在JVM层面需要做好多事情，下面简单介绍一下：

1. 检测对象对应的类是否加载了，如果没有加载则加载

2. 为对象分配内存空间

3. 处理并发安全问题

   比如：多个线程同时申请对象，JVM要保证给对象分配的空间不冲突

4. 初始化所分配的空间

   即：对象空间被申请好之后，对象中包含的成员已经设置好了初始值，比如:

   数据类型	默认值
   byte	0
   char	‘\u0000’
   short	0
   int	0
   long	0L
   boolean	false
   float	0.0f
   double	0.0
   reference	null

5. 设置对象头信息

6. 调用构造方法，给对象中各个成员赋值

5.4 就地初始化

在声明成员变量的时候，就可以给出初始值。

class Date{
    public int year = 2021;
    public int month = 5;
    public int day = 19;

    public Date() {
    }

    public Date(int year, int month, int day) {
        this.year = year;
        this.month = month;
        this.day = day;
    }

    public void printDate(){
        System.out.println(this.year + "/" +this.month + "/" + this.day);
    }
}

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Date d = new Date(2023,9,17);
        d.printDate();
        Date d1 = new Date();
        d1.printDate();

    }
}
// 运行结果
// 2023/9/17
// 2021/5/19

注意：代码编译完成后，编译器会将所有给成员初始化的这些语句添加到各个构造函数中。