Java 基础 001：面向对象

面向对象（OOP）是 Java 的根基。这篇文章梳理三大特性的本质，以及阅读源码、理解设计模式都绕不开的 UML 类图六种类关系。

三大特性

封装

利用抽象数据类型将数据和基于数据的操作封装在一起，使其构成一个不可分割的独立实体。数据被保护在抽象数据类型的内部，尽可能地隐藏内部的细节，只保留一些对外接口使之与外部发生联系。用户无需知道对象内部的细节，但可以通过对象对外提供的接口来访问该对象。

优点：

减少耦合：可以独立地开发、测试、优化、使用、理解和修改
减轻维护的负担：可以更容易被程序员理解，并且在调试的时候可以不影响其他模块
有效地调节性能：可以通过剖析确定哪些模块影响了系统的性能
提高软件的可重用性
降低构建大型系统的风险：即使整个系统不可用，但是这些独立的模块却有可能是可用的

下面的 Person 类封装了 name、gender、age 等属性，外界只能通过 getName()/getGender() 访问，无法获取 age，但 age 可以供 work() 方法使用：

public class Person {
    private String name;
    private int gender;   // 0 表示 man，1 表示 woman
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public String getGender() {
        return gender == 0 ? "man" : "woman";
    }

    public void work() {
        if (18 <= age && age <= 50) {
            System.out.println(name + " is working very hard!");
        } else {
            System.out.println(name + " can't work any more!");
        }
    }
}

注意到 gender 属性使用 int 数据类型进行存储，封装使得用户注意不到这种实现细节。当需要修改 gender 的数据类型时，也可以在不影响客户端代码的情况下进行。

继承

继承实现了 IS-A 关系，例如 Cat 和 Animal 就是一种 IS-A 关系，因此 Cat 可以继承自 Animal，从而获得 Animal 非 private 的属性和方法。

继承应该遵循里氏替换原则，子类对象必须能够替换掉所有父类对象。Cat 可以当做 Animal 来使用，也就是说可以使用 Animal 引用 Cat 对象。父类引用指向子类对象称为向上转型。

多态

多态分为编译时多态和运行时多态：

编译时多态：主要指方法的重载
运行时多态：程序中定义的对象引用所指向的具体类型在运行期间才确定

运行时多态有三个条件：

继承
覆盖（重写）
向上转型

下面的代码中，乐器类 Instrument 有两个子类：Wind 和 Percussion，它们都覆盖了父类的 play() 方法。在 main() 中使用父类 Instrument 来引用子类对象，调用 play() 时会执行实际引用对象所在类的方法，而不是 Instrument 类的方法。

public class Instrument {
    public void play() {
        System.out.println("Instrument is playing...");
    }
}

public class Wind extends Instrument {
    public void play() {
        System.out.println("Wind is playing...");
    }
}

public class Percussion extends Instrument {
    public void play() {
        System.out.println("Percussion is playing...");
    }
}

public class Music {
    public static void main(String[] args) {
        List<Instrument> instruments = new ArrayList<>();
        instruments.add(new Wind());
        instruments.add(new Percussion());
        for (Instrument instrument : instruments) {
            instrument.play();
        }
    }
}

类图：六种类关系

以下类图使用 Mermaid 绘制（原文为 PlantUML，已转换；更多语法参考 mermaid.js.org）。

泛化关系（Generalization）

用来描述继承关系，在 Java 中使用 extends 关键字。

classDiagram
    class Vehicle
    class Car
    class Truck
    Vehicle <|-- Car
    Vehicle <|-- Truck

实现关系（Realization）

用来实现一个接口，在 Java 中使用 implements 关键字。

classDiagram
    class MoveBehavior {
        <<interface>>
    }
    class Fly
    class Run
    MoveBehavior <|.. Fly
    MoveBehavior <|.. Run

聚合关系（Aggregation）

表示整体由部分组成，但整体和部分不是强依赖的——整体不存在了部分还是会存在。

classDiagram
    class Computer
    class Keyboard
    class Mouse
    class Screen
    Computer o-- Keyboard
    Computer o-- Mouse
    Computer o-- Screen

组合关系（Composition）

和聚合不同，组合中整体和部分是强依赖的，整体不存在了部分也不存在了。比如公司和部门，公司没了部门就不存在了；但公司和员工属于聚合关系，公司没了员工还在。

classDiagram
    class Company
    class DepartmentA
    class DepartmentB
    Company *-- DepartmentA
    Company *-- DepartmentB

关联关系（Association）

表示不同类对象之间有关联，这是一种静态关系，与运行过程的状态无关，在最开始就可以确定。也可以用 1 对 1、多对 1、多对多这种关联关系来表示。比如学生和学校就是一种关联关系：一个学校可以有很多学生，但一个学生只属于一个学校，即多对一关系。

classDiagram
    class School
    class Student
    School "1" --> "n" Student

依赖关系（Dependency）

和关联关系不同，依赖关系是在运行过程中起作用的。A 类和 B 类是依赖关系主要有三种形式：

A 类是 B 类中某个方法的局部变量
A 类是 B 类方法中的一个参数
A 类向 B 类发送消息，从而影响 B 类发生变化

classDiagram
    class Vehicle {
        +move(MoveBehavior)
    }
    class MoveBehavior {
        <<interface>>
        +move()
    }
    Vehicle ..> MoveBehavior
    note for MoveBehavior "MoveBehavior.move()"

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参考资料

《Java 编程思想》
《敏捷软件开发：原则、模式与实践》
面向对象设计的 SOLID 原则
看懂 UML 类图和时序图
面向对象编程三大特性——封装、继承、多态

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