设计模式之"你低估了的面向对象"编程

目录：

• 三大编程范式
  • 函数式编程
  • 面向过程编程
  • 面向对象编程
• 面向对象编程的优点
  • 适合大规模复杂项目
  • 模块化组织代码
  • 封装、抽象、继承、多态
  • 面向对象语言丰富
  • 指导落地案例丰富
• 封装、继承、多态、抽象
  • 封装
  • 抽象
  • 继承
  • 多态
• 写这个的原因

三大编程范式

函数式编程

编程范式

这张图我总结了面向对象编程、面向过程编程、以及函数式编程最核心的内容点，看完差不多就能明白他们三者之间的核心内容了。

鉴于上面的概念性总结还是有点抽象，这里我想给出例子，最直接的感受下面向对象编程风格和面向对象编程风格的不同：

举个栗子：假设我们有一个记录了用户信息的文本文件 users.txt，每行文本的格式是 name&age&gender（比如，小曾&24&女）。我们希望写一个程序，从 users.txt 文件中逐行读取用户信息，然后格式化成 "name"\t"age"\t"gender"（其中，\t 是分隔符）这种文本格式，并且按照 age 从小到大排序之后，重新写入到另一个文本文件 formatted_users.txt 中。

面向过程编程

「C语言实现的面向过程编程风格」

struct User {
  char name[64];
  int age;
  char gender[16];
};

struct User parse_to_user(char* text) {
  // 将text(“小曾&24&女”)解析成结构体struct User
}

char* format_to_text(struct User user) {
  // 将结构体struct User格式化成文本（"小曾\t24\t女"）
}

void sort_users_by_age(struct User users[]) {
  // 按照年龄从小到大排序users
}

void format_user_file(char* origin_file_path, char* new_file_path) {
  // open files...
  struct User users[1024]; // 假设最大1024个用户
  int count = 0;
  while(1) { // read until the file is empty
    struct User user = parse_to_user(line);
    users[count++] = user;
  }
  
  sort_users_by_age(users);
  
  for (int i = 0; i < count; ++i) {
    char* formatted_user_text = format_to_text(users[i]);
    // write to new file...
  }
  // close files...
}

int main(char** args, int argv) {
  format_user_file("/home/zeng/user.txt", "/home/zeng/formatted_users.txt");
}

面向过程风格的代码被组织成了一组方法集合及其数据结构（struct User）

面向对象编程

「Java语言实现的面向对象编程风格」

// 实体类
 public class User {
  private String name;
  private int age;
  private String gender;
  
  public User(String name, int age, String gender) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.gender = gender;
  }
  
  public static User praseFrom(String userInfoText) {
    // 将text(“小曾&24&女”)解析成类User
  }
  
  public String formatToText() {
    // 将类User格式化成文本（"小曾\t24\t女"）
  }
}

// 用户文件解析类
public class UserFileFormatter {
  public void format(String userFile, String formattedUserFile) {
    // Open files...
    List users = new ArrayList<>();
    while (1) { // read until file is empty 
      // read from file into userText...
      User user = User.parseFrom(userText);
      users.add(user);
    }
    // sort users by age...
    for (int i = 0; i < users.size(); ++i) {
      String formattedUserText = user.formatToText();
      // write to new file...
    }
    // close files...
  }
}

public class MainApplication {
  public static void main(String[] args) {
    UserFileFormatter userFileFormatter = new UserFileFormatter();
    userFileFormatter.format("/home/zeng/users.txt", "/home/zeng/formatted_users.txt");
  }
}

需要三个类，一个是实体类，一个用户文件解析类，一个主类。

面向对象风格的代码被组织成一组类，方法和数据结构被绑定一起，定义在类中。

面向对象编程的优点

他们从外观看上去，只有代码组织方式不同的感觉，面向对象的价值在哪里？

适合大规模复杂项目

1. 面向对象编程更加适合大规模复杂项目开发。

对于大规模复杂程序的开发，程序的处理流程并非简单的一条流水线，而是错综复杂的网状结构。

面向对象编程之前会先面向对象分析和面向设计，分析如何给业务建模，如何将需求翻译为类，如何给类之间建立交互关系，而完成这些工作完全不需要考虑错综复杂的处理流程。

当我们有了类的设计之后，然后再像搭积木一样，按照处理流程，将类组装起来形成整个程序。这种开发模式、思考问题的方式，能让我们在应对复杂程序开发的时候，思路更加清晰。

模块化组织代码

1. 面向对象编程提供了一种更加清晰的、更加模块化的代码组织方式--类。

比如，我们开发一个电商交易系统，业务逻辑复杂，代码量很大，可能要定义数百个函数、数百个数据结构，那如何分门别类地组织这些函数和数据结构，才能不至于看起来比较凌乱呢？

类就是一种非常好的组织这些函数和数据结构的方式，是一种将代码模块化的有效手段。

当然，像 C 语言这种面向过程的编程语言，我们也可以按照功能的不同，把函数和数据结构放到不同的文件里，以达到给函数和数据结构分类的目的，照样可以实现代码的模块化。是这样！

只不过面向对象编程本身提供了类的概念，强制你做这件事情，而面向过程编程并不强求。不强求的话，每个程序员就可以放飞自我自由发挥了，试想下如果有上百万行代码的项目，这结果......有时候太多的自由反而不利于建议标准，这也算是面向对象编程相对于面向过程编程的一个微创新吧。

封装、抽象、继承、多态

1. 面向对象编程相比面向过程编程，具有更加丰富的特性（封装、抽象、继承、多态）。利用这些特性编写出来的代码，更加易扩展、易复用、易维护。

这一点可能有点抽象，下面我会依次展开。

面向对象语言丰富

1. 面向对象编程语言丰富，语言越高级使用方式就越低级，程序员的学习门槛越低，面向对象编程语言比起面向过程编程语言，更加人性化、更加高级、更加智能。

这一点，从我上图中，面向对象编程代表语言：Java、C++、Go、Python、C#、Ruby、JavaScript、Objective-C、Scala、PHP、Perl 就可看出。

指导落地案例丰富

1. 无数成熟落地项目证明，面向对象编程是可以指导落地、并且能抗住长期需求迭代的编程方式。

封装、继承、多态、抽象

封装、继承、多态、抽象，这四个就是面向对象编程的四驾马车，是指导面向对象语言发展的指导思想，是语言无关的，大多数的高级语言几乎都实现了这四个特性，就算没有直接写语法支持，也可以间接支持。

我想强调一点的是，这四驾马车的语言产品，虽然不同语言语法不同，但是这四个特性是都可以实现的。先有面向对象编程的四大特性，再有语言产品。

封装

封装也叫作信息隐藏或者数据访问保护。类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方式（或者叫函数）来访问内部信息或者数据。

对于封装这个特性，我们需要编程语言本身提供一定的语法机制来支持。这个语法机制就是访问权限控制。private、public 等关键字就是 Java 语言中的访问权限控制语法。

封装价值自由也意味着不可控，如果属性可以随意被以各种奇葩的方式修改，而且修改逻辑可能散落在代码中的各个角落，势必影响代码的可读性、可维护性。不满足设计模式提倡的高内聚。

抽象

封装主要讲的是如何隐藏信息、保护数据，而抽象讲的是如何隐藏方法的具体实现，让调用者只需要关心方法提供了哪些功能，并不需要知道这些功能是如何实现的。

就好比，客户买电子产品，只需要提供一个使用说明书即可，没必要将电子产品具体的实现原理，底层知识告知，用户只关心功能使用，有时候知道的越多对使用者反而是一种负担。

在面向对象编程中，我们常借助编程语言提供的接口类（比如 Java 中的 interface 关键字语法）或者抽象类（比如 Java 中的 abstract 关键字语法）这两种语法机制，来实现抽象这一特性。

❝ps:抽象有时候会被排除在面向对象的四大特性之外，是因为抽象这个概念是一个非常通用的设计思想，并不单单用在面向对象编程中，也可以用来指导架构设计等。而且这个特性也并不需要编程语言提供特殊的语法机制来支持，只需要提供“函数”这一非常基础的语法机制，就可以实现抽象特性、所以，它没有很强的“特异性”，有时候并不被看作面向对象编程的特性之一。 ❞

抽象价值很多设计原则都体现了抽象这种设计思想，比如基于接口而非实现编程、开闭原则（对扩展开放、对修改关闭）、代码解耦（降低代码的耦合性）等。用好了这些设计原则，我们的代码会变得非常灵活。

继承

继承最大的一个好处就是代码复用。假如两个类有一些相同的属性和方法，我们就可以将这些相同的部分，抽取到父类中，让两个子类继承父类。这样，两个子类就可以重用父类中的代码，避免代码重复写多遍。

不过，过度使用继承，继承层次过深过复杂，就会导致代码可读性、可维护性变差。为了了解一个类的功能，我们不仅需要查看这个类的代码，还需要按照继承关系一层一层地往上查看“父类、父类的父类……”的代码。因此你可能听说过”多用组合少用继承“ 这种说法，有机会再展开说说。

多态

「多态是指子类可以替换父类，在实际的代码运行过程中，调用子类的方法实现。」 多态这种特性也需要编程语言提供特殊的语法机制来实现，比如继承、接口类。多态可以提高代码的扩展性和复用性，是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础。

利用“继承加方法重写”方式实现多态

个人觉得这个是最难理解的，我学生期间对于这个理解一直是半懂状态。网上最多的栗子是通过继承的方式，子类继承父类，重写父类方法，然后父类引用指向子类对象，执行时实际上运行子类的实现，达到一个同一个方法在执行时候表现出来不同的形态的效果，巧妙的将子类替换成了父类。这种实现需要语言满足三个特性：1. 继承 2. 重写 3.父类引用指向子类对象。这个例子我不写实现，网上几乎都是这种例子

利用"接口类"来实现多态特性

public interface Iterator {
  boolean hasNext();
  String next();
  String remove();
}

public class Array implements Iterator {
  private String[] data;
  
  public boolean hasNext() { ... }
  public String next() { ... }
  public String remove() { ... }
  //...省略其他方法...
}

public class LinkedList implements Iterator {
  private LinkedListNode head;
  
  public boolean hasNext() { ... }
  public String next() { ... }
  public String remove() { ... }
  //...省略其他方法... 
}

public class Demo {
  private static void print(Iterator iterator) {
    while (iterator.hasNext()) {
      System.out.println(iterator.next());
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    Iterator arrayIterator = new Array();
    print(arrayIterator);
    
    Iterator linkedListIterator = new LinkedList();
    print(linkedListIterator);
  }
}

我们利用多态的特性，仅用一个 print() 函数就可以实现遍历打印不同类型（Array、LinkedList）集合的数据。当再增加一种要遍历打印的类型的时候，比如 HashMap，我们只需让 HashMap 实现 Iterator 接口，重新实现自己的 hasNext()、next() 等方法就可以了，完全不需要改动 print() 函数的代码。所以说，多态提高了代码的可扩展性。

如果我们不使用多态特性，我们就无法将不同的集合类型（Array、LinkedList）传递给相同的函数（print(Iterator iterator) 函数）。我们需要针对每种要遍历打印的集合，分别实现不同的 print() 函数，比如针对 Array，我们要实现 print(Array array) 函数，针对 LinkedList，我们要实现 print(LinkedList linkedList) 函数。而利用多态特性，我们只需要实现一个 print() 函数的打印逻辑，就能应对各种集合数据的打印操作，这显然提高了代码的复用性。

除此之外，多态也是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础，比如策略模式、基于接口而非实现编程、依赖倒置原则、里式替换原则、利用多态去掉冗长的 if-else 语句等等。

总之，封装隐藏属性，抽象隐藏方法，继承支持复用，多态支持扩展

写这个的原因

评判代码好坏的标准有哪些? 除了少些bug，还有灵活性、可扩展性、可维护性、可读性、可理解性、易修改性、可复用、可测试性、模块化、高内聚低耦合、高效、高性能、安全性、兼容性、易用性、整洁、清晰、简单、健壮性、鲁棒性......大多数人还停留在"代码和我，有一个能跑就行"的阶段......

最近的工作，使得我阅读了大量代码，发现有些代码设计的真实精妙，自己肯定写不来这种代码，让我设计，我应该怎么写？然后脑海中又浮现出一句主管经常说的话"不要在这里生产垃圾"，内心甚是惶恐，于是学习设计模式的优先级从学习列表排期中跃然成为第一位。

理解面向对象是理解设计模式的第一位，毕竟设计模式都是前辈们在面向对象编程中总结出来的设计方式，在无数代码中提炼出来的精华。因此今年自己的输出将会侧重在设计模式相关的内容，打算写一个系列，欢迎持续关注。

参考：王争老师设计模式之美，《设计模式之禅》

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