第3章 面向对象程序设计基.ppt

第第3 3章章 面向对象程序设计基础面向对象程序设计基础随着软件开发规模的扩大，传统的面向过程的软件开发方法随着软件开发规模的扩大，传统的面向过程的软件开发方法给软件的复用、调试、维护带来了很大的困难。为了解决给软件的复用、调试、维护带来了很大的困难。为了解决满足软件开发的需求，人们提出了面向对象程序设计满足软件开发的需求，人们提出了面向对象程序设计（Object Oriented Programming，OOP）的思想。如今面）的思想。如今面向对象的思想已经深入人心，已经应用到程序设计和软件向对象的思想已经深入人心，已经应用到程序设计和软件开发、数据库系统、人工智能等很多领域。本章将详细介开发、数据库系统、人工智能等很多领域。本章将详细介绍面向对象程序设计的相关概念。绍面向对象程序设计的相关概念。3.1 3.1 面向过程与面向对象面向过程与面向对象传统的面向过程技术是围绕功能进行，普遍采用过程式或函传统的面向过程技术是围绕功能进行，普遍采用过程式或函数式的程序设计方法。面向对象程序设计围绕现实世界的数式的程序设计方法。面向对象程序设计围绕现实世界的概念来组织模块，采用对象来描述问题空间的实体，用程概念来组织模块，采用对象来描述问题空间的实体，用程序代码模拟现实世界中真实或抽象的对象。面向对象程序序代码模拟现实世界中真实或抽象的对象。面向对象程序设计把一个复杂的问题分解成多个能够独立的功能对象，设计把一个复杂的问题分解成多个能够独立的功能对象，然后把这些对象组合起来去完成复杂问题，每一个对象有然后把这些对象组合起来去完成复杂问题，每一个对象有可以有许多更小的对象组成。可以有许多更小的对象组成。3.1.1 3.1.1 面向过程的问题面向过程的问题面向过程编程的主要思想是以事件为中心，分析解决问题需要的步骤，然面向过程编程的主要思想是以事件为中心，分析解决问题需要的步骤，然后按照这些步骤来编写函数，使用的时候依次调用这些函数，来完成后按照这些步骤来编写函数，使用的时候依次调用这些函数，来完成所有功能。在面向过程开发过程中主要存在以下问题。所有功能。在面向过程开发过程中主要存在以下问题。软件重用性差：通过面向过程编程技术开发出的程序，主要以函数为模块软件重用性差：通过面向过程编程技术开发出的程序，主要以函数为模块来实现功能，数据和对数据的操作耦合性太高，想利用已有的程序代来实现功能，数据和对数据的操作耦合性太高，想利用已有的程序代码开发新的程序时，只能通过简单的复制，然后作大量的修改，这种码开发新的程序时，只能通过简单的复制，然后作大量的修改，这种复用程序代码的效率非常低。复用程序代码的效率非常低。软件可维护性差：软件程序越复杂，里面的函数模块越多，多个函数之间软件可维护性差：软件程序越复杂，里面的函数模块越多，多个函数之间的关系就越复杂，维护起来就越困难。的关系就越复杂，维护起来就越困难。开发出的软件很难满足用户不断增长的需求：当客户提出新的需求时，需开发出的软件很难满足用户不断增长的需求：当客户提出新的需求时，需要修改原有软件的函数模块，需要进行大量的调试，使其满足用户的要修改原有软件的函数模块，需要进行大量的调试，使其满足用户的需求，并且还不会影响其他程序模块，软件的升级和维护非常困难。需求，并且还不会影响其他程序模块，软件的升级和维护非常困难。3.1.2 3.1.2 面向对象的特性面向对象的特性面向对象编程的主要思想是以事物为中心，它把具体的事物面向对象编程的主要思想是以事物为中心，它把具体的事物抽象成抽象成“对象对象”的概念，围绕对象进行程序的开发。面向的概念，围绕对象进行程序的开发。面向对象的程序设计方法有三大特性：封装、继承、多态。下对象的程序设计方法有三大特性：封装、继承、多态。下面将对这三个特性做详细介绍。面将对这三个特性做详细介绍。1封装封装2继承继承3多态多态3.2 C+3.2 C+类的基本概念类的基本概念传统的面向过程技术是围绕功能进行，普遍采用过程式或函传统的面向过程技术是围绕功能进行，普遍采用过程式或函数式的程序设计方法。面向对象程序设计围绕现实世界的数式的程序设计方法。面向对象程序设计围绕现实世界的概念来组织模块，采用对象来描述问题空间的实体，用程概念来组织模块，采用对象来描述问题空间的实体，用程序代码模拟现实世界中真实或抽象的对象。面向对象程序序代码模拟现实世界中真实或抽象的对象。面向对象程序设计把一个复杂的问题分解成多个能够独立的功能对象设计把一个复杂的问题分解成多个能够独立的功能对象（类），然后把这些对象（类）组合起来去完成复杂问题类），然后把这些对象（类）组合起来去完成复杂问题，每一个对象可以由许多更小的对象组成。，每一个对象可以由许多更小的对象组成。3.2.1 3.2.1 结构体与类结构体与类在在C语言，结构体就是一个可以包含其他类型数据的一种自语言，结构体就是一个可以包含其他类型数据的一种自定义数据类型。定义数据类型。C语言中的结构体只能自定义数据类型，语言中的结构体只能自定义数据类型，不允许有函数。而在不允许有函数。而在C+中对结构体进行了扩展，它可以中对结构体进行了扩展，它可以有成员变量，可以有成员函数，可以从别的类继承，也可有成员变量，可以有成员函数，可以从别的类继承，也可以被别的类继承，可以有虚函数。以被别的类继承，可以有虚函数。3.2.2 3.2.2 类与对象类与对象在面向对象的概念中，有两个最基本的概念：类和对象。对在面向对象的概念中，有两个最基本的概念：类和对象。对象是组成程序的构件，所有的数据分别属于不同的对象。象是组成程序的构件，所有的数据分别属于不同的对象。具有相同或相似性质的对象的抽象就是类。简而言之，类具有相同或相似性质的对象的抽象就是类。简而言之，类是对象的抽象，对象是类的具体化。是对象的抽象，对象是类的具体化。1对象对象2类类3.2.3 3.2.3 类的声明、定义和实现类的声明、定义和实现类是面向对象编程的基础，它是用户自定义的数据类型。在类是面向对象编程的基础，它是用户自定义的数据类型。在C+中，类像结构体一样也定义了数据类型和数据行为。中，类像结构体一样也定义了数据类型和数据行为。3.2.4 3.2.4 成员变量成员变量在上面，定义了在上面，定义了4个成员变量，如下所示。个成员变量，如下所示。private:char EmployeeID20;char EmployeeName50;char sex;double totalsalary;3.2.5 3.2.5 成员函数成员函数成员函数是函数的一种，它抽象了一类对象的行为。它的用成员函数是函数的一种，它抽象了一类对象的行为。它的用法和作用与一般函数基本一样，唯一的差别就是它是一个法和作用与一般函数基本一样，唯一的差别就是它是一个类的成员，可以把访问限制定义为私有、公有或受保护的。类的成员，可以把访问限制定义为私有、公有或受保护的。一般地将成员函数的访问限制定义为共有，因为它们是一一般地将成员函数的访问限制定义为共有，因为它们是一个类对外部程序提供的公共接口；个类对外部程序提供的公共接口；也可将成员函数定义为也可将成员函数定义为私有，表示是类内部函数，只能被本类中其他函数成员调私有，表示是类内部函数，只能被本类中其他函数成员调用，而不能被类外调用用，而不能被类外调用.3.2.6 3.2.6 静态成员静态成员在传统的面向过程程序设计时，有时需要在局部范围共享某在传统的面向过程程序设计时，有时需要在局部范围共享某一个数据，这就需要设立全局变量，而在面向对象的开发一个数据，这就需要设立全局变量，而在面向对象的开发中程序由对象构成，中程序由对象构成，C+为开发者提供了静态成员来实现为开发者提供了静态成员来实现在类范围内数据的共享。本节就是讲述静态成员的基础概在类范围内数据的共享。本节就是讲述静态成员的基础概述及其应用。述及其应用。C+中，可以用关键字中，可以用关键字static声明静态成员声明静态成员变量或静态成员函数。变量或静态成员函数。1静态成员变量静态成员变量2静态成员变量的初始化静态成员变量的初始化3静态成员函数静态成员函数3.2.7 this3.2.7 this指针指针在面向对象的编程中，可以将类理解为一种数据类型，像在面向对象的编程中，可以将类理解为一种数据类型，像int、char、float等类型一样。不同的是，类是用户自己定义等类型一样。不同的是，类是用户自己定义的一种复杂数据类型，用这个数据类型就可以声明一个变的一种复杂数据类型，用这个数据类型就可以声明一个变量，例如量，例如Employee e1、Book b1。那么这个变量的。那么这个变量的this就就是这个变量的指针，例如变量是这个变量的指针，例如变量e1的的this就是指向就是指向e1的指针，的指针，this的类型是的类型是Employee*，对其引用，对其引用*this就应该是变量就应该是变量e1。3.3 3.3 构造函数构造函数构造函数是一种特殊的方法，主要用来在创建对象时初始化构造函数是一种特殊的方法，主要用来在创建对象时初始化对象。本节将对构造函数的概念做详细介绍。对象。本节将对构造函数的概念做详细介绍。3.3.1 3.3.1 使用构造函数的原因使用构造函数的原因前面提到，在类体中不允许对所定义的成员变量进行初始化，前面提到，在类体中不允许对所定义的成员变量进行初始化，那怎么办？那怎么办？C+中提供了一个好的办法：在类中用一个构中提供了一个好的办法：在类中用一个构造函数来初始化需要的成员变量。造函数来初始化需要的成员变量。在在C+中，构造函数是一个在构建对象的时候自动调用的特中，构造函数是一个在构建对象的时候自动调用的特殊的成员函数。使用构造函数的目的就是对对象进行初始殊的成员函数。使用构造函数的目的就是对对象进行初始化的工作，从而使对象被使用之前可以处于一种合理的状化的工作，从而使对象被使用之前可以处于一种合理的状态。态。3.3.2 3.3.2 构造函数的使用构造函数的使用构造函数的一般格式如下图。构造函数的一般格式如下图。3.3.3 3.3.3 重载构造函数重载构造函数构造函数可以重载，即可以定义多个参数个数不同的函数。构造函数可以重载，即可以定义多个参数个数不同的函数。以下面的例子说明构造函数是如何重载的。重载构造构造以下面的例子说明构造函数是如何重载的。重载构造构造函数的使用示例。函数的使用示例。3.3.4 3.3.4 析构函数析构函数在构造函数中可以始化在构造函数中可以始化对象的某些成员变量，对象的某些成员变量，系统为其分配了资源，系统为其分配了资源，当这个对象生存周期当这个对象生存周期结束时，就需要回收结束时，就需要回收对象中无用的资源，对象中无用的资源，这就用到了析构函数。这就用到了析构函数。析构函数的功能就是析构函数的功能就是回收对象的无用资源。回收对象的无用资源。构造函数是被自动调构造函数是被自动调用的。用的。3.4 3.4 继承继承继承是面向对象编程的重要特征，继承的机制使得一个新类继承是面向对象编程的重要特征，继承的机制使得一个新类可以获得现有类的属性和方法，这就使得在软件的实际开可以获得现有类的属性和方法，这就使得在软件的实际开发过程中代码的复用率得到提高，软件开发人员可以根据发过程中代码的复用率得到提高，软件开发人员可以根据需求对现有类进行修改，最大限度地重复现有的软件。需求对现有类进行修改，最大限度地重复现有的软件。3.4.1 3.4.1 继承的概念继承的概念在日常的生活中，关于继承的概念并不陌生，例如子女继承在日常的生活中，关于继承的概念并不陌生，例如子女继承了父母的部分特征、新产品拥有以前产品的优点，也就是了父母的部分特征、新产品拥有以前产品的优点，也就是某个具体的人或事物从另一个人或事物中派生出的一些属某个具体的人或事物从另一个人或事物中派生出的一些属性。同理，在性。同理，在C+语言中，一个类可以从一个类中继承它语言中，一个类可以从一个类中继承它的属性和方法。从一个现有类派生出另一个新类的机制叫的属性和方法。从一个现有类派生出另一个新类的机制叫做继承。做继承。3.4.2 3.4.2 继承的工作机制继承的工作机制在在C+语言中，继承机制使一个新类可以拥有来自被继承类语言中，继承机制使一个新类可以拥有来自被继承类的成员变量和成员函数，而这一过程是通过派生完成的。的成员变量和成员函数，而这一过程是通过派生完成的。一个类可以派生出另一个类，则派生出新类的类称为基类，一个类可以派生出另一个类，则派生出新类的类称为基类，被派生的类称为派生类。基类和派生类的关系可以描述为：被派生的类称为派生类。基类和派生类的关系可以描述为：基类是所有派生类的抽象，而派生类就是基类的具体化。基类是所有派生类的抽象，而派生类就是基类的具体化。例如定义了两个类例如定义了两个类A和和B，类，类B是从类是从类A中派生出来的，那中派生出来的，那么类么类A就是基类，类就是基类，类B就是派生类。就是派生类。1单重继承单重继承2多重继承多重继承3.4.3 3.4.3 公有继承公有继承当类的继承方式为公有继承时，基类的当类的继承方式为公有继承时，基类的public和和protected成成员分别成为派生类的员分别成为派生类的public和和protected成员，派生类的其成员，派生类的其他成员可以直接访问它们，但是派生类外部只能通过派生他成员可以直接访问它们，但是派生类外部只能通过派生类的对象访问继承来的类的对象访问继承来的public对象。基类的对象。基类的private成员在成员在派生类内部和外部都是不可访问的。公有继承在实际应用派生类内部和外部都是不可访问的。公有继承在实际应用中是最常见的一种继承方式。中是最常见的一种继承方式。3.4.4 3.4.4 私有继承私有继承当类的继承方式为私有继承时，基类的当类的继承方式为私有继承时，基类的public和和protected成成员都成为派生类的员都成为派生类的private成员，派生类的其他成员可以成员，派生类的其他成员可以直接访问它们，但是派生类外部无法通过派生类的对象访直接访问它们，但是派生类外部无法通过派生类的对象访问继承来的对象。基类的问继承来的对象。基类的private成员在派生类内部和外成员在派生类内部和外部都是不可访问的。部都是不可访问的。3.4.5 3.4.5 保护继承保护继承保保护继承：承：当类的继承方式为保护继承时，基类的当类的继承方式为保护继承时，基类的public和和protected成员都成为派生类的成员都成为派生类的protected成员，派生类的成员，派生类的其他成员可以直接访问它们，但是派生类外部无法通过派其他成员可以直接访问它们，但是派生类外部无法通过派生类的对象访问继承来的对象。基类的生类的对象访问继承来的对象。基类的private成员在派成员在派生类内部和外部都是不可访问的。生类内部和外部都是不可访问的。3.4.6 3.4.6 多重继承多重继承单重继承机制可以描述现实世界中大多数客观事物的关系，单重继承机制可以描述现实世界中大多数客观事物的关系，在面向对象编程中，只从一个基类中派生新类，但是现实在面向对象编程中，只从一个基类中派生新类，但是现实世界中也存在从多个基类中派生新类的情况，如图所示。世界中也存在从多个基类中派生新类的情况，如图所示。3.5 3.5 异常处理异常处理任何一个应用程序都需要反复的修改、调试，务求做的尽善任何一个应用程序都需要反复的修改、调试，务求做的尽善尽美，但在程序在运行的过程中不可避免地会出现一些异尽美，但在程序在运行的过程中不可避免地会出现一些异常情况，这些异常情况会影响程序的正常运行。为了处理常情况，这些异常情况会影响程序的正常运行。为了处理这些异常，开发出稳定、可靠的程序，这些异常，开发出稳定、可靠的程序，C+中提供了非常中提供了非常强大的异常处理机制。强大的异常处理机制。3.5.1 3.5.1 异常的概念异常的概念本章节将介绍异常的基础知识。异常就是在程序执行过程中本章节将介绍异常的基础知识。异常就是在程序执行过程中出现的错误，这些错误有些是可预见的，有些不可预见。出现的错误，这些错误有些是可预见的，有些不可预见。常见的异常有很多，例如错误的函数定义、类定义时遗忘常见的异常有很多，例如错误的函数定义、类定义时遗忘了了“”后的分号、数组下标溢出、自定义异常等。后的分号、数组下标溢出、自定义异常等。3.5.2 3.5.2 异常处理机制异常处理机制在在C+语言中，使用异常处理机制来发现和处理异常，通常语言中，使用异常处理机制来发现和处理异常，通常的做法是先抛出异常在，再处理异常，即当程序中出现异的做法是先抛出异常在，再处理异常，即当程序中出现异常时抛出异常，通知系统发生异常，然后系统捕捉发生的常时抛出异常，通知系统发生异常，然后系统捕捉发生的异常，并交给异常处理模块来处理异常。异常，并交给异常处理模块来处理异常。C+语言中的异语言中的异常处理包括三个关键步骤：抛出异常、捕获异常和处理异常处理包括三个关键步骤：抛出异常、捕获异常和处理异常。常。1抛出异常抛出异常2捕获异常捕获异常3处理异常处理异常3.5.3 3.5.3 基本的异常的方法基本的异常的方法下面通过一个例子说明基本的异常处理的方法。下面通过一个例子说明基本的异常处理的方法。3.5.4 3.5.4 多个异常处理方法多个异常处理方法在上面的例子中，只有一个异常发生的情况，但在实际程序在上面的例子中，只有一个异常发生的情况，但在实际程序开发中，往往存在有多种异常的情况。此时可以一次使用开发中，往往存在有多种异常的情况。此时可以一次使用多条多条catch语句处理。关键字语句处理。关键字try关键字可用来圈定只有一关键字可用来圈定只有一种异常的情况，也可以用来圈定存在多种异常的情况。种异常的情况，也可以用来圈定存在多种异常的情况。3.6 3.6 小结小结本章主要介绍面向对象编程及程序异常处理的基础知识。面本章主要介绍面向对象编程及程序异常处理的基础知识。面向对象编程具有抽象、封装、继承和多态四个主要特征。向对象编程具有抽象、封装、继承和多态四个主要特征。面向对象程序设计围绕现实世界的概念来组织模块，采用面向对象程序设计围绕现实世界的概念来组织模块，采用对象来描述问题空间的实体，用程序代码模拟现实世界中对象来描述问题空间的实体，用程序代码模拟现实世界中真实或抽象的对象。真实或抽象的对象。面向对象程序设计把一个复杂的问题面向对象程序设计把一个复杂的问题分解成多个能够独立的功能对象，然后把这些对象组合起分解成多个能够独立的功能对象，然后把这些对象组合起来去完成复杂问题，每一个对象可以由许多更小的对象组来去完成复杂问题，每一个对象可以由许多更小的对象组成。成。