面向对象编程中类与类之间的关系(一)

目录

1.引言

2."有一个"关系

3."是一个"关系(继承)

4.“有一个”与“是一个”的区别

5.not-a关系

6.层次结构

7.多重继承

8.混入类

1.引言

        作为程序员，必然会遇到这样的情况：不同的类具有共同的特征，至少看起来彼此有联系。面向对象的语言提供了许多机制来处理类之间的这种关系。最棘手的问题是理解这些关系的实质。类之间的关系主要有两类："有一个"（has a）关系和"是一个"(is a)关系。

2."有一个"关系

        "有一个"关系模式是A有一个B,或者A包含一个B。在此类关系中，可认为某个类是另一个类的一部分。前面定义的组件通常代表"有一个"关系，因为组件表示组成其他类的类。

        动物园和猴子就是这种关系的一个示例。可以说动物园里有一只猴子，或者说动物园包含一只猴子。在代码中用Zoo对象模拟动物园，这个对象有一个Monkey组件。

        考虑用户界面通常有助于理解类之间的关系。尽管并非所有的UI都是（虽然现在大多数都是）以OOP方式实现的，屏幕上的视觉元素也能很好地转换为类。UI关于“有一个”关系的类比就是窗口中包含一个按钮，按钮和窗口是两个明显不同的类，但又明显有某种关系。由于按钮在窗口中，因此窗口中有一个按钮。

        下图显示了实际的“有一个”关系和用户界面的“有一个”关系。

"有一个"关系有如下两种类型：

1）聚合：通过聚合，当聚合器被销毁时，聚合对象（组件）可以继续存在。例如，假如动物园对象包含一组动物对象。当动物园对象因为破产而被销毁时，动物对象(理想情况下) 不会被销毁，他们被转移到另外一个动物园。

2）组合：对于组合，如果由其他对象组成的对象被销毁，那么这些其他对象也会被销毁。例如：如果包含按钮的窗口对象被销毁，则这些按钮对象也将被销毁。

3."是一个"关系(继承)

        “是一个”关系是面向对象编程中非常基本的概念。因此有许多名称，包括派生(deriving)、子类（subclass）、扩展(extending)和继承(inheriting)。类模拟了显示世界包含具有属性和行为的对象这一事实，继承模拟了这些对象通常以层次方式来组织这一事实。“是一个”说明了这种层次关系。

        基本上，继承的模式是：A是一个B,或者A实际上与B非常相似-----这可能比较棘手。再次以简单的动物园为例，但假定动物园里除了猴子之外还有其他动物。这句话本身已经建立了关系-----猴子是一种动物。同样，长颈鹿也是一种动物，袋鼠是一种动物，企鹅也是一种动物。那又怎么样？意识到猴子、长颈鹿、袋鼠和企鹅具有某种共性时，继承的魔力就开始显现了。这些共性就是动物的一般特征。

        对于程序员的启示就是，可定义Animal类，用于封装所有动物的属性（大小、生活区域、食物等）和行为（走动、进食、睡觉）。特定的动物（例如猴子）成为Animal的子类，因为猴子包含动物的所有特征。记住，猴子是动物，并且它还有与众不同的其他特征。动物的继承关系如下图所示：

        就像猴子与长颈鹿是不同类型的动物一样，用户界面中通常也有不同类型的按钮。例如，复选框是一个按钮，按钮只是一个可被单击并执行操作的UI元素，Checkbox类通过添加状态（相应的框是否被选中）扩展了Button类。

        当类之间具有“是一个”关系时，目标之一就是将通用功能放入基类（base class），其它了可扩展基类。如果所有子类都有相似或完全相同的代码，就应该考虑将一些代码或全部代码放入基类。这样，可在一个地方完成所需的改动，将来的子类可“免费”获取这些共享的功能。

        1.继承技术

        前面的示例非正式地讲述了继承中使用的一些技术。当生成子类时，程序员有多种方法将某个类与其父类(也称为基类或超类)区分开。可使用多种方法生成子类，生成子类实际上就是完成语句A is a B that...的过程。

        添加功能
        派生类可在基类的基础上添加功能。例如，猴子是一种可以在树间荡秋千的动物。除了具有动物的所有行为以外，Monkey类还有swingFromTrees0方法，这个行为只存在于Monkey 类中。
         替换功能

        派生类可完全替换或重写父类的行为。例如，大多数动物都步行，因此 Animal类可能拥有模拟步行的 move 行为。但袋鼠是一种通过跳跃而不是步行移动的动物，Animal 基类的其他属性和行为仍然适用，Kangaroo 派生类只需要改变 move 行为的运行方式。当然，如果对基类的所有功能都进行替换，就可能意味着采用继承的方式根本就不正确，除非基类是一个抽象基类。抽象基类会强制每个子类实现未在抽象基类中实现的所有方法。

        添加属性

        除了从基类继承属性以外，派生类还可添加新属性。企鹅具有动物的所有属性，此外还有 beaksize(鸟喙大小)属性。

        替换属性

        与重写方法类似，C++提供了重写属性的方法。然而，这么做通常是不合适的，因为这会隐藏基类的属性。也就是说，基类可为具有特定名称的属性指定一个值，而派生类可用同一个名字为另一个属性指定另一个值。有关“隐藏”的内容，会在后面讲解。不要把替换属性的概念与子类具有不同属性值的概念混淆。例如，所有动物都具有表明它们吃什么的 diet 属性，猴子吃香蕉，企鹅吃鱼，二者都没有替换 diet 属性--只是赋给属性的值不同而已。

        2.多态性

        多态性(Polymorphism)指遵循一套标准属性和方法的对象可互换使用。类定义就像对象和与之交互的代码之间的契约。根据定义，任意一个Monkey 对象必须支持 Monkey 类的属性和行为。

        这个概念也可推广到基类、由于所有猴子都是动物，因此所有Mokey对象都支转属性和行为。
        多态性是面向对象编程的亮点，因为多态性真正利用了继承所提供的能力、在模拟动物园时，可通过编程遍历动物园的所有动物，让每个动物都移动一次。由于所有动物都是Animal类的成员，因此它们都知道如何移动。某些动物重写了移动行为，但这正是亮点所在一一代码只是告诉每个动物移动，而不知道也不关心是哪种动物。所有动物都按自己的方式移动。

4.“有一个”与“是一个”的区别

        在现实中，区分对象之间的“有一个”与“是一个”关系相当容易。没有人会说橘子有一个水果-----橘子是一种水果。在代码中，有时并不会那么明显。

        下面举个例子来说明这个问题。

        假设我们有一个名为AssociativeArray的类，用于高效地将键映射到值。例如，保险公司可以使用AssociativeArray类来将会员ID映射到名字。同时，我们还想要一个可以允许一个键对应多个值的数据结构。这个需求导致了另一个类MultiAssociativeArray的产生。        

        MultiAssociativeArray类在功能上与AssociativeArray非常相似，除了它允许多值与单一键关联。这引出了一个设计问题：MultiAssociativeArray应该是AssociativeArray的派生类（Is-a关系）还是应该包含一个AssociativeArray对象（Has-a关系）？        

        Is-a关系（继承）的代码示例：

// 基类 AssociativeArray
class AssociativeArray {
public:
    void insert(int key, std::string value);
    std::string get(int key);
    // ... 其他方法
};

// 派生类 MultiAssociativeArray
class MultiAssociativeArray : public AssociativeArray {
public:
    void insert(int key, std::string value) override;
    std::string get(int key) override;
    std::vector<std::string> getAll(int key);
    // ... 其他方法
};

        Has-a关系（组合）的代码示例：

// 基类 AssociativeArray
class AssociativeArray {
public:
    void insert(int key, std::string value);
    std::string get(int key);
    // ... 其他方法
};

// 使用组合的 MultiAssociativeArray
class MultiAssociativeArray {
private:
    AssociativeArray internalArray; // 内部对象
public:
    void insert(int key, std::string value);
    std::vector<std::string> getAll(int key);
    // ... 其他方法
};

        LSP建议，派生类对象应该能够替换其基类对象，而不改变程序的正确性。在这个案例中，由于MultiAssociativeArray的insert()方法与AssociativeArray的行为不同（不会删除具有相同键的早期值），因此更倾向于Has-a关系。

        基于上述分析，推荐使用Has-a关系。这样，MultiAssociativeArray可以有自己独立的接口和实现，同时还可以灵活地应对未来需求的变化。

5.not-a关系

        当考虑类之间的关系时，应该考虑类之间是否真的存在关系。不要把对面向对象设计的热情全部转换为许多不必要的类/子类关系。

        当实际事物之间存在明显关系，而代码中没有实际关系时，问题就出现了。OO(面向对象)层次结构需要模拟功能关系，而不是人为的制造关系。下图显示的关系作为概念集或层次结构是有意义的，但是代码中并不能代表有意义的关系。

        避免不必要继承的最好方法是首先给出大概得设计。为每个类和派生类写出计划设置的属性和方法。如果发现某个类没有自己特定的属性或方法，或者某个类的所有属性和方法都被派生类重写，只要这个类不是前面提到的抽象基类，就应该重新考虑设计。

6.层次结构

        正如类A可以是类B的基类一样，B也可以是C的基类。面向对象层次结构可模拟类似的多层关系。一个具有多种动物的动物园模拟程序，可能会将每种动物作为 Animal 类的子类，如下图所示。

        当编写每个派生类的代码时，许多代码可能是相似的。此时，应该考虑让它们拥有共同的父类。Lionhe Panther的移动方式和食物相同，说明可使用BigCat类。还可进一步将 Animal类细分，以包括WaterAnimal和Marsupial，下图展示了利用这种共性的更趋层次化的设计。

        生物学家看到这个层次结构可能会失望----海豚（Dolphin）和企鹅(Ppngui)并不属于同一科。然而，这强调了一个要点----在代码中，需要平衡现实关系和共享功能关系。即使现实中两种事物紧密联系，在代码中也可能没有任何关系，因此它们没有共享功能。可简单地把动物分为哺乳动物和鱼类，但是这会使基类没有任何共同因素。

        另一个要点是可用其他方法创建这个层次结构。前面的设计基本上根据动物的移动方式创建的。如果根据动物吃的食物或身高创建，层次结构可能会大不相同。总之，关键在于如果使用类，需求决定对层次结构的设计。

        优秀的面向对象层次结构能做到以下几点:
        1）使类之间存在有意义的功能联系。
        2）将共同的功能放入基类，从而支持代码重用。
        3）避免子类过多地重写父类的功能，除非父类是一个抽象类。

7.多重继承

        到目前为止，所有示例都只有单一的继承链。换句话说，给定的类最多只有一个直接的父类。事物并非一直如此，在多重继承中，一个类可以有多个基类。

        下图给出了一种多重继承设计。在此任然有一个基类Animal, 根据大小对这个类进行细分。此外根据食物划分了一个独立的层次类别，根据移动方式又划分了一个层次类别；所有类型的动物都是这三个类的子类。

        考虑用户界面环境，假定用户可单击某张图片。这个对象好像既是按钮又是图片，因此其实现同时继承了 Image 类和 Button 类，如下图所示。

        某些情况下多重继承可能很有用，但必须记住它也有很多缺点。许多程序员不喜欢多重继承,C++明确支持这种关系，而Java语言根本不予支持，除非通过多个接口来继承(抽象基类)。多重继承的批评者一般有以下几个原因。
        首先，用图形表示多重维承十分复杂，如上图所示，当存在多重维承和交叉线时，即使简单的类图也会变得非常复系。类层次结构旨在让程序员更方便地理解代码之间的关系。而多种继承中，类可有多个彼此没有关系的父类。将这么多的类加入对象的代码中，能跟踪发生了什么吗？
        其次，多重维承会破坏清晰的层次结构。在动物示例中，使用多重继承方法意味着Animal基类作用降低，因为描述动物的代码现在分成三个独立的层次。尽管上图的设计显示了三个清晰的层次，但不难想象它们会变得如何凌乱。例如，如果发现所有的Jumper不仅以同样的方式移动，还吃同样的食物，该怎么办?由于层次是独立的，因此无法在不添加其他派生类的情况下加入移动和食物的概念。
        最后，多重维承的实现很复杂、如果两个基类以不同方式实现了相同的行为，该怎么办?两个基类本身是同一个基类的子类，可以这样吗?这种可能让实现变得复杂，因为在代码中建立这样复杂的关系会给作者和读者带来挑战。
        其他语言取消多重继承的原因是，通常可以避免使用多重继承。在设计某个项目时，重新考虑层次结构，通常可避免引入多重继承。

8.混入类

        混入(mixin)类代表类之间的另一种关系。在 C++中，混入类的语法类似于多重继承，但语义完全不同，混入类回答“这个类还可以做什么”这个问题，答案经常以“-able”结尾。使用混入类，可向类中添加功能，而不需要保证是完全的“是一个”关系。可将它当作一种分享(share-with)关系。
        回到动物园示例，假定想引入某些动物可以“被抚摸”这一概念。也就是说，动物园的游客可以抚模一些动物，大概率不会被咬伤或伤害。所有可以被抚摸的动物支持“被抚摸”行为。由于可以被抚模的动物没有其他的共性，且不想破坏已经设计好的层次结构，因此Pettable 就是很好的混入类。
        混入类经常在用户界面中使用。可以说 Image 能够点击(Clickable)，而不需要说 PictureButton 类既是 lmage 又是 Button。桌面上的文件夹图标可以是一张可拖动(Draggable)、可点击(Clickable)的图片(lmage)。软件开发人员总是喜欢弄一大堆有趣的形容词。
        混入类和基类之间的区别更多地取决于对类的看法，而不是代码的区别。因为范围有限，混入类通常比多重层次结构容易理解。Pettable混入类只是在已有类中添加了一个行为，Clickable混入类或许仅添加了“按下鼠标”和“释放鼠标”行为。此外，混入类很少会有庞大的层次结构，因此不会出现功能的交叉混乱。

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