计算机程序的思维逻辑 (14) - 类的组合

上节我们通过类Point介绍了类的一些基本概念和语法,类Point中只有基本数据类型,但类中的成员变量的类型也可以是别的类,通过类的组合可以表达更为复杂的概念。

程序是用来解决现实问题的,将现实中的概念映射为程序中的概念,是初学编程过程中的一步跨越。本节通过一些例子来演示,如何将一些现实概念和问题,通过类以及类的组合来表示和处理。

我们先介绍两个基础类String和Date,他们都是Java API中的类,分别表示文本字符串和日期。

基础类

String

String是Java API中的一个类,表示多个字符,即一段文本或字符串,它内部是一个char的数组,它提供了若干方法用于方便操作字符串。

String可以用一个字符串常量初始化,字符串常量用双引号括起来(注意与字符常量区别,字符常量是用单引号),例如,如下语句声明了一个String变量name,并赋值为"老马说编程"

String name = "老马说编程";

String类提供了很多方法,用于操作字符串。在Java中,由于String用的非常普遍,Java对它有一些特殊的处理,本节暂不介绍这些内容,只是把它当做一个表示字符串的类型来看待。

Date

Date也是Java API中的一个类,表示日期和时间,它内部是一个long类型的值,它也提供了若干方法用于操作日期和时间。

用无参的构造方法新建一个Date对象,这个对象就表示当前时间。

Date now = new Date();

日期和时间处理是一个比较长的话题,我们留待后续章节详解,本节我们只是把它当做表示日期和时间的类型来看待。

图形类

扩展 Point

我们先扩展一下Point类,在其中增加一个方法,计算到另一个点的距离,代码如下:

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

线 - Line

在类型Point中,属性x,y都是基本类型,但类的属性也可以是类,我们考虑一个表示线的类,它由两个点组成,有一个实例方法计算线的长度,代码如下:

Line由两个Point组成,在创建Line时这两个Point是必须的,所以只有一个构造方法,且需传递这两个点,length方法计算线的长度,它调用了Point计算距离的方法获取线的长度。可以看出,在设计线时,我们考虑的层次是点,而不考虑点的内部细节。每个类封装其内部细节,对外提供高层次的功能,使其他类在更高层次上考虑和解决问题,是程序设计的一种基本思维方式。

使用这个类的代码如下所示:

这个也很简单。我们再说明一下内存布局,line的两个实例成员都是引用类型,引用实际的point,整体内存布局大概如下图所示:

start, end, line三个引用型变量分配在栈中,保存的是实际内容的地址,实际内容保存在堆中,line的两个实例变量还是引用,同样保存的是实际内容的地址。

电商概念

接下来,我们用类来描述一下电商系统中的一些基本概念,电商系统中最基本的有产品、用户和订单:

* 产品:有产品唯一Id、名称、描述、图片、价格等属性。

* 用户:有用户名、密码等属性。

* 订单:有订单号、下单用户、选购产品列表及数量、下单时间、收货人、收货地址、联系电话、订单状态等属性。

当然,实际情况可能非常复杂,这是一个非常简化的描述。

这是产品类Product的代码:

我们省略了类的构造方法,以及属性的getter/setter方法,下面大部分示例代码也都会省略。

这是用户类User的代码:

一个订单可能会有多个产品,每个产品可能有不同的数量,我们用订单条目OrderItem这个类来描述单个产品及选购的数量,代码如下所示:

OrderItem引用了产品类Product,我们定义了一个构造方法,以及计算该订单条目价格的方法。

下面是订单类Order的代码:

order类引用了用户类User,以及一个订单条目的数组orderItems,它定义了一个计算总价的方法。这里用一个String类表示状态status,更合适的应该是枚举类型,枚举我们后续文章再介绍。

以上类定义是非常简化的了,但是大概演示了将现实概念映射为类以及类组合的过程,这个过程大概就是,想想现实问题有哪些概念,这些概念有哪些属性,哪些行为,概念之间有什么关系,然后定义类、定义属性、定义方法、定义类之间的关系,大概如此。概念的属性和行为可能是非常多的,但定义的类只需要包括哪些与现实问题相关的就行了。

人 - Person

上面介绍的图形类和电商类只会引用别的类,但一个类定义中还可以引用它自己,比如我们要描述人以及人之间的血缘关系,我们用类Person表示一个人,它的实例成员包括其父亲、母亲、和孩子,这些成员也都是Person类型。

下面是代码:

这里同样省略了setter/getter方法。对初学者,初看起来,这是比较难以理解的,有点类似于函数调用中的递归调用,这里面的关键点是,实例变量不需要一开始都有值。我们来看下如何使用。

这段代码先创建了老马(laoma),然后创建了小马(xiaoma),接着调用xiaoma的setFather方法和laoma的setChildren方法设置了父子关系。内存中的布局大概如下图所示:

目录和文件

接下来,我们介绍两个类MyFile和MyFolder,分别表示文件管理中的两个概念,文件和文件夹。文件和文件夹都有名称、创建时间、父文件夹,根文件夹没有父文件夹,文件夹还有子文件列表和子文件夹列表。

下面是文件类MyFile的代码:

下面是MyFolder的代码:

MyFile和MyFolder,我们都省略了构造方法、settter/getter方法,以及关于父子关系维护的代码,主要演示实例变量间的组合关系,两个类之间可以互相引用,MyFile引用了MyFolder,而MyFolder也引用了MyFile,这个是没有问题的,因为正如之前所说,这些属性不需要一开始就设置,也不是必须设置的。另外,演示了一个递归方法totalSize(),返回当前文件夹下所有文件的大小,这是使用递归函数的一个很好的场景。

一些说明

类中定义哪些变量,哪些方法是与要解决的问题密切相关的,本节中并没有特别强调问题是什么,定义的属性和方法主要用于演示基本概念,实际应用中应该根据具体问题进行调整。

类中实例变量的类型可以是当前定义的类型,两个类之间可以互相引用,这些初听起来可能难以理解,但现实世界就是这样的,创建对象的时候这些值不需要一开始都有,也可以没有,所以是没有问题的。

类之间的组合关系,在Java中实现的都是引用,但在逻辑关系上,有两种明显不同的关系,一种是包含,另一种就是单纯引用。比如说,在订单类Order中,Order与User的关系就是单纯引用,User是独立存在的,而Order与OrderItem的关系就是包含,OrderItem总是从属于某一个Order。

小结

对初学编程的人来说,不清楚如何用程序概念表示现实问题,本节通过一些简化的例子来解释,如何将现实中的概念映射为程序中的类。

分解现实问题中涉及的概念,以及概念间的关系,将概念表示为多个类,通过类之间的组合,来表达更为复杂的概念以及概念间的关系,是计算机程序的一种基本思维方式。

正所谓,道生一,一生二,二生三,三生万物,如果将二进制表示和运算看做一,将基本数据类型看做二,基本数据类型形成的类看做三,那么,类的组合以及后续介绍的继承则使得三生万物。

类之间的关系除了组合,还有一种非常重要的关系,那就是继承,让我们下节来探索继承及其本质。

原文发布于微信公众号 - 老马说编程(laoma_shuo)

原文发表时间:2016-05-18

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