引言－－面向对象程序设计概述.ppt

引言面向对象程序设计概述 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容n面向对象程序设计概述n类和对象n构造函数与析构函数n继承和派生类n类的其他特性n运算符重载n输入输出流课时安排n理论学习40学时上机实验8学时n课外上机实验8学时面向对象程序设计概述面向对象程序设计概述n面向对象和面向对象程序设计n面向对象程序设计的基本概念n面向对象软件的重要特性一、面向对象和面向对象程序设计一、面向对象和面向对象程序设计n什麽是面向对象对象对象（object）任何可以被感觉到的事物。面向面向（oriented）直接面对，以对象为中心。面向对象面向对象（Object Oriented）直接面对你能感觉到的任何事物。面向对象编程面向对象编程（Object Oriented Programming）直接面对软件所要模拟的客观世界中的事物，将它们直接映射到软件系统的解空间中，成为组成软件的对象。面向对象面向对象VS.面向过程程序设计面向过程程序设计n面向过程程序设计设设设设计计计计程程程程序序序序步步步步骤骤骤骤：vv根根根根据据据据实实实实际际际际问问问问题题题题的的的的要要要要求求求求和和和和对对对对其其其其进进进进行行行行分分分分析析析析，找找找找出出出出解解解解决决决决问问问问题题题题的的的的方方方方法法法法和和和和步步步步骤骤骤骤（即即即即设设设设计计计计算算算算法法法法）。vv为为为为了了了了在在在在计计计计算算算算机机机机上上上上具具具具体体体体实实实实现现现现出出出出算算算算法法法法，需需需需要要要要为为为为该该该该种种种种算算算算法法法法选选选选择择择择或或或或构构构构造造造造适适适适当当当当的的的的数数数数据据据据结结结结构构构构，通通通通过过过过对对对对数数数数据据据据的的的的操操操操纵纵纵纵过过过过程程程程体体体体现现现现算算算算法法法法的的的的思思思思想想想想。也也也也就就就就是是是是说说说说，程程程程序序序序是是是是在在在在数数数数据据据据的的的的某某某某种种种种特特特特定定定定表表表表示示示示方方方方式式式式和和和和结结结结构构构构的的的的基基基基础础础础上上上上对对对对抽抽抽抽象象象象算算算算法法法法的的的的具具具具体体体体描描描描述述述述。vv设设设设计计计计程程程程序序序序的的的的结结结结构构构构为为为为：数数数数据据据据处处处处理理理理过过过过程程程程中中中中，采采采采用用用用自自自自顶顶顶顶向向向向下下下下、分分分分而而而而治治治治之之之之的的的的方方方方法法法法，将将将将整整整整个个个个程程程程序序序序按按按按功功功功能能能能分分分分为为为为几几几几个个个个可可可可独独独独立立立立编编编编程程程程的的的的子子子子过过过过程程程程模模模模块块块块，每每每每个个个个子子子子模模模模块块块块完完完完成成成成指指指指定定定定的的的的子子子子任任任任务务务务，主主主主过过过过程程程程通通通通过过过过调调调调用用用用各各各各子子子子过过过过程程程程来来来来完完完完成成成成全全全全部部部部处处处处理理理理工工工工作作作作。数据声明数据声明数据声明数据声明数据处理数据处理数据处理数据处理结果输出结果输出结果输出结果输出例如，一个学校管理软件中可以包含如下的数据结构和操作：typedef struct studenttypedef struct teacherchar name10;char name10;long num;double salary;int age;int age;char sex;char sex;student;teacher;void enroll(student*ptr)void raise(teacher*ptr).ptr-num+;ptr-salary+=100;void print(student*ptr)void print(teacher*ptr).main().student Zhang;/定义学生数据模块teacher Li;/定义教师数据模块enroll(&Zhang);/操作与被操作数据匹配enroll(&Li);/操作与被操作数据失配print(&Zhang);/操作与被操作数据匹配.pp优点：优点：优点：优点：vv自自自自顶顶顶顶向向向向下下下下、逐逐逐逐步步步步求求求求精精精精的的的的结结结结构构构构化化化化设设设设计计计计原原原原则则则则，该该该该设设设设计计计计方方方方法法法法力力力力求算法描述准确；求算法描述准确；求算法描述准确；求算法描述准确；vv对每一子过程模块容易进行程序正确性证明。对每一子过程模块容易进行程序正确性证明。对每一子过程模块容易进行程序正确性证明。对每一子过程模块容易进行程序正确性证明。pp缺点：缺点：缺点：缺点：vv该该该该设设设设计计计计方方方方法法法法本本本本质质质质是是是是面面面面向向向向“过过过过程程程程”的的的的，而而而而“过过过过程程程程”又又又又是是是是不稳定和多变的，因此不能直接反映人求解问题的思路；不稳定和多变的，因此不能直接反映人求解问题的思路；不稳定和多变的，因此不能直接反映人求解问题的思路；不稳定和多变的，因此不能直接反映人求解问题的思路；vv数数数数据据据据与与与与操操操操作作作作的的的的分分分分离离离离，容容容容易易易易产产产产生生生生数数数数据据据据的的的的失失失失配配配配操操操操作作作作、不不不不易易易易提提提提高程序的重用性、维护和扩展困难。高程序的重用性、维护和扩展困难。高程序的重用性、维护和扩展困难。高程序的重用性、维护和扩展困难。vv程序代码可重用性差；程序代码可重用性差；程序代码可重用性差；程序代码可重用性差；vv维护程序的一致性困难。维护程序的一致性困难。维护程序的一致性困难。维护程序的一致性困难。面向过程程序设计的特点面向过程程序设计的特点面向过程程序设计的特点面向过程程序设计的特点n面向对象程序设计面向对象程序设计（Object Oriented Programming）吸取结构化程序设计的一切优点，又考虑了所模拟的现实世界与程序解空间的直接映射关系；采用数据抽象和信息隐藏技术使得数据和（施加于数据的）操作成为不可分割的整体；程序由类定义、类实例（对象）和对象之间的动态联系组成；程序的重用性好、易于维护和扩展较好地解决了软件复杂性控制和生产率的提高。面向对象面向对象VS.面向过程程序设计面向过程程序设计用面向对象的设计方法实现前例的功能：class student/类定义/属性char name10;long num;int age;char sex;/方法public:void enroll().;friend ostream&operator(ostream&out,student stud).;.;class teacher/类定义/属性char name10;double salary;int age;char sex;/方法public:void raise().;friend ostream&operator(ostream&out,teacher teach).;.;main()./类实例 对象student Zhang;teacher Li;/对象方法调用Zhang.enroll();Li.raise();cout Zhang;cout Li;.面向对象程序设计的方法p建立模型模型是对事物特征和变化规律的一种抽象，是对客体认识的深化。被模拟的系统：感性具体针对问题的概念抽象模拟系统：实体（对象）映射映射建模实现的概念（类）抽象思维抽象知性思维思维具体具体思维面向对象程序设计语言nSimula引入了数据抽象概念以及类和继承机制。Ada，Modula-2 等语言在它的基础上发展起来。nSmalltalk第一个真正的面向对象的程序设计语言。该语言引入和完善了类、方法、实例等概念，应用了继承和动态链接机制，是一种完全面向对象的程序设计语言。面向对象程序设计语言nLISP 语言家族是一种以表处理表达为特色的人工智能程序设计语言。70 年代以来，在 LISP 的基础上开发出许多 LISP 家族的面向对象程序设计语言，例如：nFlavorsnLOOPS(Lisp Object Oriented Programming System)nCommonLOOPSnCommonObjectsnCLOS(Common Lisp Object System)面向对象程序设计语言nC+C+是在 C 程序设计语言的基础上进行扩充，增加了相应的面向对象机制的混合型面向对象的程序设计语言。由于 C+既具有完备的面向对象机制，又保持了 C 的灵活高效和对 C 程序的兼容性，是目前使用最广泛的面向对象程序设计语言之一。常用的 C+语言版本有：nMS-C+、Turbo C+、Boland C+、Visual C+和GCC 等。面向对象程序设计语言nJava由 Sun Microsystems 公司开发的一种完全面向对象的程序设计语言。Java 编译器生成的是一种称为“字节码”的中间码文件，该文件的执行是由运行在不同计算机平台上的 Java 虚拟机 JVM（Java Virtual Machine）完成的，所以 Java 语言非常适合网络编程，实现程序的跨平台、跨介质运行的需要。面向对象程序设计语言nC#C#是由 Microsoft 公司近年来开发一种直接用于在 Microsoft Net 平台上更易于编译产生网络程序（字节码程序）的面向对象程序设计语言。该语言具有 Java 程序的跨介质运行机制，在一定程度上保持了 C 的风格和高效率，并融入了 VB 语言开发程序的友好性和方便性，但目前还不能实现跨平台运行二、面向对象程序设计的基本概念n对象（object）n消息（message）n类（class）对象 对象的定义在客观世界中，对象是任何可以感觉到的事物。对象可以是自然事物（人、动物、植物等），组织结构（学校、院系、班级等），（人类的）物质产品（房屋、汽车、计算机等）和信息产品（文章、乐曲、规则、计划等）等。对象可小可大，可简单可复杂；复杂对象可以由简单对象构成。无论对象的类型、大小、复杂程度多么不同，都具有共同的特性：对象 对象的定义无论对象的类型、大小、复杂程度多么不同，都具有共同的特性：有一个特定的名字以区别于其他对象；有一组属性，用来描述对象的静态特性；有一组行为，用来描述对象的动态特性；对象的操作可分为两类：n对内提供自身服务的行为n对外为其他对象提供服务的行为。对象（2）对象的状态p在客观世界中，对象的状态是同类型的不同实例独立存在的依据，也是这些对象的行为表现差异的基础。p在面向对象的软件中，对象的状态是同类对象属性的静态类型和这些属性的动态值的总和。一个对象一旦创建，由静态类型所描述的属性存储区域就被分配确定，描述不同对象差异的属性动态值可以在对象创建的同时被确定，并由对象的相应行为修改。对象（3）对象的特性n模块独立性：对象的行为仅由对象本身的状态确定，而对象的状态和行为的操作细节被封闭在模块内；n动态连接性：对象（模块）之间通过消息机制，实现不同对象行为的动态连接，完成确定任务；n易维护性：维护工作被最大程度地限定在对对象的状态和行为的确定规则（对象的定义类）的维护。消息（message）（1）消息的定义n消息是一个对象请求另一个对象执行其某种行为操作（也称为方法）的规格说明。这种规格说明总是由消息的接收者（提供方法的对象）、消息所请求的方法（方法名）和实现方法的必要参数组成的。所以在面向对象的程序中，消息通常的表示形式是：对象名.方法。消息（message）（2）消息的性质n同一对象可以接受不同形式的多个消息，并产生不同的响应；n相同形式的消息可以发送给不同接收对象，所获得的响应可以截然不同；n消息的发送者可以不必考虑消息接收者是否会响应消息，消息接收者对消息的响应并不是必须的。消息（message）（3）消息的响应n接收消息的对象的状态和消息所请求的方法决定了消息的响应。消息响应所引起的操作主要包括四种：返回对象的状态；修改对象的状态；完成特定的操作；改变系统的某些状态。消息（message）（4）消息序列n与现实世界中一样，在面向对象软件的运行中一个任务所涉及的操作总会有多个对象的参与和多次按顺序相互作用才能完成，使得这些对象能够按任务要求的顺序相互通讯的消息组成的序列被称为消息序列。类（class）（1)类的定义n在客观世界中，类是对一组具有共同特性（属性和行为）的客观事物的抽象概念。n在面向对象的软件中，类是由程序员自定义的具有特定数据结构和建立数据结构上的操作功能的抽象数据类型。类（class）（2）类与对象的关系n类是创建对象的模板，提供了对象的构造规则。n对象是类的实例，按类提供的规则构造的数据。n同一类的不同实例（对象）必须具有：相同的操作集合；相同的静态属性集合；不同的对象名和属性动态值vv在在在在C+C+中，就是用类来描述对象的，类是对现实世界的抽中，就是用类来描述对象的，类是对现实世界的抽中，就是用类来描述对象的，类是对现实世界的抽中，就是用类来描述对象的，类是对现实世界的抽象得到的。例如，在真实世界中，同是人类的张三和李四，象得到的。例如，在真实世界中，同是人类的张三和李四，象得到的。例如，在真实世界中，同是人类的张三和李四，象得到的。例如，在真实世界中，同是人类的张三和李四，有许多共同点，但肯定也有许多不同点。当用有许多共同点，但肯定也有许多不同点。当用有许多共同点，但肯定也有许多不同点。当用有许多共同点，但肯定也有许多不同点。当用C+C+描述时，描述时，描述时，描述时，相同类的对象具有相同的属性和行为，它把对象分为两个部相同类的对象具有相同的属性和行为，它把对象分为两个部相同类的对象具有相同的属性和行为，它把对象分为两个部相同类的对象具有相同的属性和行为，它把对象分为两个部分：数据（相当于属性）和对数据的操作（相当于行为）。分：数据（相当于属性）和对数据的操作（相当于行为）。分：数据（相当于属性）和对数据的操作（相当于行为）。分：数据（相当于属性）和对数据的操作（相当于行为）。我们刻画张三和李四的数据可能用姓名、性别、年龄、职业、我们刻画张三和李四的数据可能用姓名、性别、年龄、职业、我们刻画张三和李四的数据可能用姓名、性别、年龄、职业、我们刻画张三和李四的数据可能用姓名、性别、年龄、职业、住址等，而对数据的操作可能是读或设置它们他们的名字、住址等，而对数据的操作可能是读或设置它们他们的名字、住址等，而对数据的操作可能是读或设置它们他们的名字、住址等，而对数据的操作可能是读或设置它们他们的名字、年龄等。年龄等。年龄等。年龄等。vv从程序设计的观点来说，类就是数据类型，是用户定义的从程序设计的观点来说，类就是数据类型，是用户定义的从程序设计的观点来说，类就是数据类型，是用户定义的从程序设计的观点来说，类就是数据类型，是用户定义的数据类型。这种类型的使用虽然与数据类型。这种类型的使用虽然与数据类型。这种类型的使用虽然与数据类型。这种类型的使用虽然与C+C+内置的数据类型类似，内置的数据类型类似，内置的数据类型类似，内置的数据类型类似，但是也有很大的区别。例如，但是也有很大的区别。例如，但是也有很大的区别。例如，但是也有很大的区别。例如，C+C+内置的浮点类型并不针对内置的浮点类型并不针对内置的浮点类型并不针对内置的浮点类型并不针对任何具体问题，仅仅与机器的存储单元相对应，而类是用户任何具体问题，仅仅与机器的存储单元相对应，而类是用户任何具体问题，仅仅与机器的存储单元相对应，而类是用户任何具体问题，仅仅与机器的存储单元相对应，而类是用户根据具体问题的需要而定义的，也就是说，类与具体问题相根据具体问题的需要而定义的，也就是说，类与具体问题相根据具体问题的需要而定义的，也就是说，类与具体问题相根据具体问题的需要而定义的，也就是说，类与具体问题相适应。我们可以通过定义所需要的类，来扩展程序设计语言适应。我们可以通过定义所需要的类，来扩展程序设计语言适应。我们可以通过定义所需要的类，来扩展程序设计语言适应。我们可以通过定义所需要的类，来扩展程序设计语言解决问题的能力。解决问题的能力。解决问题的能力。解决问题的能力。三、面向对象软件的重要特性n抽象性（abstraction）n封装性（encapsulation）n继承性（inheritance）n多态性（polymorphism）1 抽象性（abstraction）n抽象是对具体对象（问题）进行概括，抽出这一抽象是对具体对象（问题）进行概括，抽出这一类对象的公共性质并加以描述的过程。类对象的公共性质并加以描述的过程。先注意问题的本质及描述，其次是实现过程或细节。数据抽象：描述某类对象的属性或状态（对象相互区别的物理量）。代码抽象：描述某类对象的共有的行为特征或具有的功能。抽象的实现：通过类的声明。1 抽象性（abstraction）实例钟表n数据抽象：int Hour,int Minute,int Secondn代码抽象：SetTime(),ShowTime()class Clock public:void SetTime(int NewH,int NewM,int NewS);void ShowTime();private:int Hour,Minute,Second;1 抽象性（abstraction）实例人n数据抽象：char*name,char*gender,int age,int idn代码抽象：生物属性角度：nGetCloth(),Eat(),Step(),社会属性角度：nWork(),Promote(),2 封装性（encapsulation）什麽是封装 具有一个确定的边界，对象的所有数据成员 （属性）、成员函数（行为）都被固定在这个 边界内部。对象属性的私有部分和行为的实现代码受到保 护，其他对象不能直接修改该对象所拥有的数 据和代码。具有一个接口，这个接口描述对象之间的相互 作用（请求和响应）的规格说明，即消息。封装反映了客观世界中事物的基本特性。2 封装性（encapsulation）什麽是协议 对象对外服务的说明。对象的操作行为有三类：n私有（private）操作，不向外界公开的对象行为，只供对象自身调用n保护（protected）操作，向受限的外界公开的对象行为，允许对象自身和派生类对象调用；n公有（public）操作，向外公开的功能的对象行为，允许对象自身、派生类对象和其他对象调用，即协议的内容。2 封装性（encapsulation）面向对象软件的封装性 实现数据隐藏和软件安全的关键。将设计与使用分隔，提供使用而隐藏设计。将功能与实现分隔。提供功能而隐藏实现。封装的三个重要概念：封装的原理 抽象数据类型；封装的实现 类定义；封装的单位 对象。2 封装性（encapsulation）实例 class Clock public:void SetTime(int NewH,int NewM,int NewS);void ShowTime();private:int Hour,Minute,Second;边界特定的访问权限3 继承性（inheritance）什麽是继承继承表达了一种对象类之间的依赖关系，它使得某类对象可以在另一类对象的属性和行为的基础上建造自己的属性和行为。继承反映了客观世界中事物间的基本结构关系。具有继承关系的类间具有如下特征：类间具有共享特征（数据和代码的共享）；类间具有细微的差别和新增部分（非共享的数 据和代码）；类间具有层次结构。3 继承性（inheritance）继承的分类具有继承关系的类自然地被分为两种：父类（基类）：提供共享数据和功能的类。子类（派生类）：继承共享数据和功能的类。按继承源划分：单继承：从单一父类继承属性和行为。多继承：从多个父类继承属性和行为。按继承的内容划分：取代继承：子类可取代父类的作用。包含继承：子类包含了父类的全部特征。受限继承：子类只能继承父类的某些特征。特化继承：子类是父类的一种特殊类。3 继承性（inheritance）继承与封装 继承不破坏封装；继承提供了一种静态共享手段；封装提供了一种动态共享手段。继承与委托 继承与委托的共同之处 通过代码重用提 供功能操作的共享。继承使得类之间的共享操作都由基类对象完 成，提供了从一般类构造特殊类的手段。继承 提供的共享是静态实现的，即类之间的共享是 在类定义的编译时确定的。3 继承性（inheritance）继承与委托 继承与委托的共同之处 通过代码重用提 供功能操作的共享。继承使得类之间的共享操作都由基类对象完 成，提供了从一般类构造特殊类的手段。继承 提供的共享是静态实现的，即类之间的共享是 在类定义的编译时确定的。委托是将一个对象的操作或操作的一部分交给 另一个特定对象去完成。委托提供的共享既可 以静态实现又可以动态实现，即在类对象的操 作执行时确定委托对象。3 继承性（inheritance）面向对象软件的继承性 实现软件代码重用和结构化的重要手段。能清晰体现类之间的层次结构关系；能减小代码和数据的重复冗余度，大大提高 了程序的代码重用性；能通过增加一致性来减少模块间的接口和界 面，大大提高程序的易维护性；继承是能自动传播代码的有力工具；继承是在一些具有一般特征的类的基础上扩 充属性和行为，建立新类的最有效的手段。4 多态性（polymorphism）多态表现了不同对象在接收到同一消息时，调用不 同操作，作出不同响应的现象。例如，不同类对象 的标准输入、输出、算术运算操作；具有继承关系 的不同类对象的统一接口操作。多态反映了客观世界中事物之间的通讯特征。实现多态性的重要机制和概念：重载（overlaod）为函数或运算符创建附加定义，使具有相同名字的函数或运算符在不同的场合可以表现出不同的行为，是静态实现多态性的方法。4 多态性（polymorphism）虚函数（vitual function）在具有继承层次结构的基类中定义虚函数的原始版本，在派生类中重定义该虚函数的新版本。运行时，根据接收消息的对象，确定虚函数的哪个版本被调用，是动态实现多态性的方法。抽象类（abstrct class）抽象类是一个公共基类；抽象类刻划了所有由它派生的类的公有行为的 统一接口（协议），而行为的操作实现由派生 类确定；抽象类不能创建对象；在 C+语言中，用声明纯虚函数的原型来实现 定义抽象类。4 多态性（polymorphism）面向对象软件的多态性 实现了操作的多样性和编程灵活性。根据实现机制不同，多态性分为两种：静态多态性：通过重载实现，即程序在编译时 确定执行操作的哪一个重载版本，故又称为编 译多态性；动态多态性：通过虚函数和继承实现，即在程 序运行时依据接收消息的对象来确定执行操作 的哪一个虚函数版本，故又称为运行多态性。