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面向对象编程的三大特性

article 2025/2/7 8:00:34

引言

在软件开发的世界里，面向对象编程（Object - Oriented Programming，简称 OOP）是一种被广泛采用的编程范式。它模拟了现实世界中事物的行为和关系，使得代码更易于理解、维护和扩展。面向对象编程有三大核心特性：封装、继承和多态。这三大特性就像是构建软件大厦的基石，支撑着整个面向对象编程的体系。接下来，我们将深入探讨这三大特性。

封装

概念

封装是指将数据（属性）和操作数据的方法（行为）捆绑在一起，形成一个独立的单元，同时对外部隐藏对象的内部实现细节。通过封装，我们可以控制对对象属性的访问，确保数据的安全性和完整性。

实现方式

在 Java 中，我们通常使用访问修饰符（如 private、protected、public）来实现封装。例如，下面是一个简单的 Person 类：

class Person {
    // 使用 private 修饰符将 name 和 age 属性封装起来
    private String name;
    private int age;

    // 提供公共的访问方法（getter 和 setter）来访问和修改属性
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        if (age > 0 && age < 150) {
            this.age = age;
        } else {
            System.out.println("Invalid age");
        }
    }
}

优点

数据安全性：通过将属性设置为私有，外部代码无法直接访问和修改这些属性，只能通过我们提供的公共方法来操作。这样可以避免非法数据的输入，保护数据的安全。
代码可维护性：封装使得类的内部实现细节对外部隐藏，当类的内部实现发生变化时，只要公共接口保持不变，外部代码就不需要进行修改，从而提高了代码的可维护性。

继承

概念

继承是指一个类（子类）可以继承另一个类（父类）的属性和方法，从而实现代码的复用。子类可以在继承父类的基础上添加新的属性和方法，或者重写父类的方法，以满足特定的需求。

实现方式

在 Java 中，使用 extends 关键字来实现继承。

例如，一款简单的角色扮演游戏，游戏中有多种不同类型的角色，如战士、法师等。这些角色有一些共同的属性（如姓名、生命值）和行为（如显示信息、攻击），但也有各自独特的属性和技能。

// 定义游戏角色的父类
class GameCharacter {
    // 角色的姓名
    protected String name;
    // 角色的生命值
    protected int health;

    // 构造方法，用于初始化角色的姓名和生命值
    public GameCharacter(String name, int health) {
        this.name = name;
        this.health = health;
    }

    // 显示角色信息的方法
    public void displayInfo() {
        System.out.println("Name: " + name + ", Health: " + health);
    }

    // 角色攻击的方法
    public void attack() {
        System.out.println(name + " attacks!");
    }
}

在这个父类中，我们定义了角色的通用属性 name 和 health，并提供了相应的构造方法进行初始化。同时，还定义了通用的行为方法 displayInfo 和 attack。

战士

战士模板上，新增了攻击属性

// 定义战士类，继承自 GameCharacter
class Warrior extends GameCharacter {
    // 战士特有的属性：攻击力
    private int attackPower;

    // 构造方法，用于初始化战士的姓名、生命值和攻击力
    public Warrior(String name, int health, int attackPower) {
        // 调用父类的构造方法初始化姓名和生命值
        super(name, health);
        this.attackPower = attackPower;
    }

    // 重写父类的 attack 方法，实现战士独特的攻击方式
    @Override
    public void attack() {
        System.out.println(name + " uses a sword to attack with " + attackPower + " power!");
    }

    // 战士特有的技能：防御姿态
    public void defend() {
        System.out.println(name + " enters a defensive stance!");
    }
}

法师

法师模板上我们新增加了魔法值

// 定义法师类，继承自 GameCharacter
class Mage extends GameCharacter {
    // 法师特有的属性：魔法值
    private int mana;

    // 构造方法，用于初始化法师的姓名、生命值和魔法值
    public Mage(String name, int health, int mana) {
        // 调用父类的构造方法初始化姓名和生命值
        super(name, health);
        this.mana = mana;
    }

    // 重写父类的 attack 方法，实现法师独特的攻击方式
    @Override
    public void attack() {
        if (mana >= 10) {
            System.out.println(name + " casts a fireball spell!");
            mana -= 10;
        } else {
            System.out.println(name + " doesn't have enough mana to attack.");
        }
    }

    // 法师特有的技能：魔法恢复
    public void restoreMana() {
        mana += 20;
        System.out.println(name + " restores 20 mana. Current mana: " + mana);
    }
}

测试代码

public class GameCharacterTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建战士对象
        Warrior warrior = new Warrior("Warrior Bob", 100, 20);
        // 调用从父类继承的方法显示信息
        warrior.displayInfo();
        // 调用重写后的攻击方法
        warrior.attack();
        // 调用战士特有的防御方法
        warrior.defend();

        System.out.println();

        // 创建法师对象
        Mage mage = new Mage("Mage Alice", 80, 50);
        // 调用从父类继承的方法显示信息
        mage.displayInfo();
        // 调用重写后的攻击方法
        mage.attack();
        // 调用法师特有的魔法恢复方法
        mage.restoreMana();
    }
}

优点

代码复用：子类可以直接继承父类的属性和方法，避免了重复编写相同的代码，提高了开发效率。
- Warrior 和 Mage 类通过继承 GameCharacter 类，直接复用了父类的 name、health 属性以及 displayInfo、attack 方法。这样，我们无需在每个子类中重复编写这些通用的代码，减少了代码冗余，提高了开发效率。
可扩展性：子类可以在继承父类的基础上添加新的属性和方法，使得系统具有更好的扩展性。同时，通过重写父类的方法，子类可以实现自己独特的行为。
- 子类可以在继承父类的基础上添加新的属性和方法。例如，Warrior 类添加了 attackPower 属性和 defend 方法，Mage 类添加了 mana 属性和 restoreMana 方法，使得每个角色都具有独特的特性，满足了游戏多样化的需求。
方法重写：子类可以重写父类的方法，实现自己独特的行为。
- 在这个案例中，Warrior 和 Mage 类都重写了 attack 方法，分别实现了战士用剑攻击和法师用魔法攻击的不同效果，体现了多态性，增强了代码的灵活性。

注意事项

单继承限制：在 Java 中，一个类只能直接继承自一个父类，这是为了避免多重继承带来的复杂性。
访问权限：子类可以访问父类中 public 和 protected 修饰的成员，但不能直接访问 private 修饰的成员。

多态

概念

多态是指同一个方法调用可以根据对象的不同类型而表现出不同的行为。多态性允许我们以统一的方式处理不同类型的对象，提高了代码的灵活性和可扩展性。

实现方式

在 Java 中，多态主要通过两种方式实现：方法重载和方法重写。

方法重载：在同一个类中，多个方法可以具有相同的名称，但参数列表不同。例如：

class Calculator {
    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public double add(double a, double b) {
        return a + b;
    }
}