111 - Lecture 6 - Objects and Classes

Motivation

动机

1.基本数据类型的局限性：
• int、double等基本数据类型只能存储单一的值，功能非常有限，只能回答“你存储的是什么值？”这一问题。

2.数组的局限性：
• 数组是一种线性数据结构，存储在连续的(contiguous)内存位置，能够快速访问和操作数据，但只能存储同一种数据类型。
• 现实中的数据（例如学生记录、银行账户、地址簿）通常由不同类型(homogeneous/same/single)的数据组成，无法用简单的数组表示。
3.现实世界中的数据：
• 现实中的数据由不同类型的变量组成。例如：
• 学生记录：学号、姓名、专业、入学年份等。
• 银行账户：账号、账户名、货币类型、余额等。
• 通讯录：姓名、地址、联系电话等。
在数据库应用中，这些结构称为记录（Records）。

Example: Temperature

温度转换的例子

•	问题描述：
•	编写一个程序，输入一个温度值（华氏Fahrenheit、摄氏Celsius或开尔文Kelvin），并显示该温度在其他两个单位的转换结果。
•	使用 double degree = 0.0; 和 char scale = 'F'; 来存储温度和温标(scale)。
•	使用函数 f(degree, scale); 来转换温度，并用 System.out.println(degree + " " + scale); 来显示温度。

改进建议：
• 如何将温度和温标组合成一个对象？这个对象是否能够自动在不同温标之间转换，并能自己打印结果？

Object Oriented Solution

面向对象的解决方案

	Java中的类和对象：
(类和对象是面向对象编程（OOP）的基本概念，用来表示现实世界中的概念和实体(entities)。)
•	类是对象的蓝图或模型，定义了对象的属性和行为。

•	通过类可以构建“智能对象”，这些对象不仅可以存储数据，还可以回答各种问题并执行操作，例如：
•	你的温度是多少？
•	你的华氏温度是多少？
•	打印你的开尔文温度。

Objects

什么是对象？

•	对象：是一种数据抽象(data abstraction)，包含两部分：
1.	内部表示(internal representation)：通过数据成员（又称属性properties/attributes）来存储对象的状态。
2.	接口(interface)：通过方法（又称过程或函数）与其他对象交互，定义对象的行为并隐藏实现细节(hide implementations)。

Example

现实生活中的例子

•	电梯：
•	属性：长度、宽度、高度、最大容量、当前楼层。
•	功能：移动到不同楼层、添加人、移除人。

•	学生：
•	属性：学号、姓名、出生日期、学习项目、学习年限、学习的模块。
•	功能：添加新模块、移除模块、更新学习进度(study progress update)。

•	打印队列(queue)：
•	属性：打印作业列表。
•	功能：添加新的打印作业、移除已完成的打印作业。

•	煎饼堆(stack of pancakes)：
•	属性：每个煎饼可以表示为一个字符串。
•	功能：添加(append)煎饼到堆的顶部，移除堆顶的煎饼。

Object oriented programming

面向对象编程(OOP)的优势

• 数据封装(Bundle data)：将数据和操作封装在对象中，通过定义良好的接口与外界交互。
• 模块化开发(Divide-and-conquer)：可以单独实现和测试每个类的行为，降低系统复杂性。
• 代码复用：类的定义可以被重复使用，Java模块可以通过定义新类来扩展功能。
• 继承(inheritance)：子类可以重写或扩展父类的行为，例如“车辆”类的子类可以是“汽车”、“公交车”、“自行车”。

Declaring and Defining a class

类的声明与定义

•	类的定义：类似于定义一个函数，告诉Java虚拟机（JVM）这个类包含的数据成员和操作。
•	数据成员：定义对象需要存储的数据。
•	成员函数：定义对象的功能（如方法）。
•	实例化对象(instances of objects)：类似于调用函数时传递不同的参数，通过类创建对象实例。

Example: a point in a coordinate type system

类定义示例：坐标系统中的点

•	类声明：public class Point {} 用来声明一个名为 Point 的类。
•	数据成员(properties)：private double x; private double y; 用来存储点的坐标。
•	成员函数(method/capability)：例如计算两点之间的距离，可以使用 public double distance(Point p) 方法。

Each class goes in its own file, where name of file must match name of class
▶ E.g., Point class is contained in file “Point.java”

Classes and instances

实例化（Instantiation）
实例化意味着在程序中创建新的对象实例。

•	例如：Point pt = new Point(); 或 Point pt; pt = new Point();。
•	这表示 pt 是一个通过 Point 类的蓝图创建的特定实例。

	内存结构：
•	在开始时，Point 类只是内存中的一个类定义。
•	当创建了 pt 这个实例时，一个“对象”就从内存中创建出来。

	例如：
•	创建另一个对象：Point ptB = new Point();
•	这些都是存储在内存中的对象。

如何设置 x 和 y 的值？

•	默认情况下，创建的 Point 对象的 x 和 y 均为 0。接下来需要讨论如何设置这些私有属性的值。

设置/更改私有属性的值

几种修改私有属性的方式

1.	修改属性修饰符为 public：
•	这样做会允许用户直接访问或修改属性值（没有任何控制），因此 不推荐 这种做法。

2.	定义方法(Defines methode) 来获取和设置属性值：
•	通过getter和setter方法提供受控访问，允许用户间接访问或修改私有属性。

3.	定义构造函数(constructor) 来在对象创建时为数据成员赋值：
•	构造函数可以在创建对象时自动设置属性的初始值。

• 重点讨论第二种和第三种方式，即通过方法和构造函数来控制属性的访问和修改。

Constructor

构造函数

•	构造函数：是一种特殊的成员函数，其名称与类名相同，用于初始化对象的数据成员。

当一个对象被声明时，构造函数会自动被调用,用于初始化（initializes)对象的数据成员,执行初始化任务

1. 默认构造函数(Default-Value Constrctor/default constructors)：不接受任何参数，创建对象时赋予默认值(default values)。

To create new instances of a point using default constructor:

Point pt = new Point();

You can only have ONE default-value constructor

2. 显式值构造函数(Explicit-Value Constructor)：接受参数，用于设置对象的初始值。

To create new instance of a point with explicit-value constructor:

Point pt = new Point(3,4);

You can have as many explicit-value constructors as are necessary

Remark

构造函数的必要性

•	每个类必须有一个构造函数（constructor）：每个类在创建对象时都需要一个构造函数，用于初始化对象的属性。
•	自动调用（automatically called)：构造函数在对象创建时会自动调用，因此它是对象“出生”时必须执行的操作。
•	构造函数没有返回类型：构造函数不允许有返回类型，甚至不能写 void。构造函数的唯一功能是初始化对象。

默认构造函数的生成

•	如果程序员没有显式定义任何构造函数，编译器将自动生成(generated)一个“默认空构造函数(default empty constrctor)”。这个构造函数不会执行任何操作，但它可以确保对象的正确创建。

示例：

public Point() {
}

•	这个默认构造函数允许创建 Point 对象，而不设置任何初始值。

Get/Set data member values with methods

数据成员的获取与设置

检查器函数（Inspector functions）

Getter函数

•	概念：在Java中，检查器函数通常称为getter函数。它们允许程序员读取类的数据成员，但不允许修改它们。
•	作用：getter函数的主要功能是读取私有属性的值，而不允许直接修改。
•	代码示例：获取 Point 类中的 x 和 y 值的getter函数如下：

public double getX() {
  return x;
}

public double getY() {
  return y;
}

•	命名约定：在Java中，getter函数的名称通常以 get 开头，后跟属性名称。例如，getX() 用于获取 x 值，这就是为什么这些函数被称为getter函数。

修改器函数（Mutator functions）

Setter函数

•	概念：在Java中，修改器函数通常称为setter函数。它们允许程序员修改类的数据成员的值。
•	作用：setter函数用于设置或更新私有属性的值。
•	代码示例：设置 Point 类中的 x 和 y 值的setter函数如下：

public void setX(double newX) {
  x = newX;
}

public void setY(double newY) {
  y = newY;
}

•	命名约定：在Java中，setter函数的名称通常以 set 开头，后跟属性名称。例如，setX() 用于设置 x 值，这就是为什么这些函数被称为setter函数。
•	改进代码可读性：图片中提到，我们每次为setter提供新变量名（如newX）时，可以通过优化代码来提高可读性。

this 对象实例变量

this 关键字的概念

•	定义：this 是“当前实例”的缩写，表示类的当前实例，当前实例可以调用它自身的方法。
•	作用：this 关键字允许一个实例（如 pt）在它自己上调用自己的方法（on itself)。
•	使用场景：我们可以使用 this 来引用或调用类中已经存在的成员变量或方法。通过 this，可以避免变量名冲突。

代码示例

•	以下是使用 this 关键字的setter函数：

public void setX(double x) {
  this.x = x;
}

public void setY(double y) {
  this.y = y;
}

•	在这些代码中，this.x 表示当前对象的 x 值，x 是传入的参数。这避免了参数名与成员变量名相同导致的混淆。
•	this 的应用范围：this 可以在类的所有方法中使用，包括构造函数。

TopHat Question

关于 this.getX(); 在 Point 类中的作用
1.其他对象不能调用 getX() 方法

•	分析：这个说法是错误的。getX() 是一个公共（public）的getter方法，其他对象是可以调用它的。只要该方法的访问修饰符为 public，其他类的对象就可以访问它。

2.当前 Point 类的实例正在调用另一个 Point 实例的 getX() 方法

•	分析：这个说法也是错误的。this.getX(); 只在当前对象的上下文中使用，表示调用当前对象本身的 getX() 方法，而不是调用其他对象的方法。

3.当前 Point 类的实例调用了它自身的 getX() 方法

•	分析：这是正确的。this.getX(); 的作用是让当前的 Point 实例调用它自身的 getX() 方法。这是 this 关键字的典型用途，用于引用当前实例的属性或方法。

4.this.getX(); 的调用不会出现在 Point 类的其他地方

•	分析：这个说法也是错误的。this.getX(); 可能会出现在 Point 类的多个方法中，特别是在需要获取当前对象的 x 值时。没有任何限制规定 this.getX(); 只能出现在一个地方。

Interacting with other objects

对象之间的交互

•	使用方法与其他对象交互：一个对象的方法可以接受其他对象作为输入并进行操作。例如，计算两点之间的距离：

public double distance(Point p) {
return Math.sqrt(Math.pow(x - p.x, 2) + Math.pow(y - p.y, 2));
}

面向对象程序设计的基本概念

定义：
• 面向对象程序设计是一种通过定义和实现对象类（Object Classes）来开发程序的方法。
• 程序由对象组成，这些对象通过彼此之间的交互来完成特定任务。

核心概念：
1. 对象类的定义和实现：

• 对象类可以相互关联并交互。
• 例如，一个 Polygon（多边形）类的对象可以通过调用 Pen（画笔）类的对象的方法，在屏幕上绘制多边形。

2. 程序的作用：

•	创建、管理和销毁对象：
	程序的核心在于管理对象的生命周期。
	Java 中的自动内存管理： 对象的销毁由 JVM 的垃圾回收器（Garbage Collector）自动完成。

•	调用对象方法（方法调用）：
	通过对象的方法，解决问题或完成任务。

面向对象程序设计

•	高层设计（High-Level Design）：
1.	分析并确定解决问题所需的数据和操作。
2.	定义对象类。
3.	设计程序结构和顶层算法。
•	低层设计（Low-Level Design）：专注于每个对象类的内部实现细节和算法。

数据封装

•	封装性：
•	将数据和操作数据的方法绑定在一起，同时隐藏实现细节。
•	用户只能通过特定的接口（方法）访问数据。

访问修饰符：public、private 和 protected 用来控制类的成员对外的可见性。
• Getter 方法： 用于安全地读取私有数据。
• Setter 方法： 用于安全地更新私有数据，可以添加校验逻辑。
信息隐藏：
• 只暴露必要的接口，其余部分保持隐藏，避免外部依赖内部实现。

总结

•	类：类是对象的蓝图，定义了对象的属性和行为。
•	实例：实例是类的具体化，可以调用类中的方法。
•	方法声明与定义：方法是类的功能实现，包含访问修饰符、返回类型、方法名和参数列表。
•	面向对象程序设计：通过数据封装和信息隐藏来构建复杂系统，减少系统复杂度。