[理学]02_02_面向对象及类的概述1

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1、第八章 类和数据抽象（1）C+属于混合型面向对象程序设计语言，所 谓混合，意即在面向过程语言的基础上增加面向 对象的描述和处理机制，例如增加类类型，以支 持封装、继承和多态等面向对象基本要素的实现 。本课程的前面部分主要讲述C+的过程化部 分，该部分除了个别功能（例如I/O操作）之外 ，绝大部分内容与C语言是基本兼容的。下面我们将进入C+的面向对象处理部分， 主要讨论：面向对象的基本概念，类类型的定义 、对象的声明，构造函数与析构函数，继承，运 算符重载，面向对象程序设计范例，I/O流与文 件处理等。 主要内容： 面向对象的基本概念（面向对象的含义、对象 和类的定义）。 面向对象的基本要素（封

2、装、继承、多态等） 。 类类型定义和对象声明。 成员函数的声明和调用 成员的保护。 屏蔽类的内部实现、类的封装。 重点：课堂时数：4-5学时 面向对象的基本概念。 类类型定义和对象声明的语法 。 成员函数及其调用。 上机时数：1-2学时课外上机时数：3-4学时8.1 面向对象的基本概念 把软件系统看成是一系列离散对象的集合。1. 面向对象的基本含义 在强调实体封装性和相对独立性的同时，还 必须充分考虑存在于同一系统中的各个实体之 间的有机联系，也即实体关系。 强调刻画对象性质的数据及行为的紧密联系。也即将对象作为系统的基本单元。即指数据和行为的封装技术。 例8-1 学籍管理系统是由学生、教师、

3、课程、各种 规章制度等多个对象集合而成的。学生、教师、 课程等实体之间存在着各种关联， 例如学生选择 课程，老师讲授课程等等。研究生、本科生、专 科生和学生之间的关系是“一般化”关系。 例8-2 窗体以及其上的各种操作构件，这些“离散” 对象集合在一起就构成窗口系统。 主要的实体关系有：一般化、聚合、关联。 一般化：一般类和特殊类之间存在的关系，形 成静态层次结构继承、多态的应用环境。 聚合：部分到整体的关系。 关联：反应对象间的相互作用。 2. 面向对象的本质 面向对象的本质是：确定动作的主体在先， 而执行动作在后，这种面向对象的模式称为“主体 动作”模式。 例如：数据是对象的主体，因此分析

4、一个实体总 是先分析其数据性质，也即实体的属性，然后才 去考虑对数据所施加的操作。该模式的特点是：将对象作为软件系统结构 的基本组成单元，以主体数据为中心，对数据和 作用在数据上的操作进行封装，以标准接口规范 对外提供服务。因此面向对象已经成为一种风范、一种观察 问题、分析问题解决的方法论。 3 对象对象是现实世界中一个实际存在的事物，它 可以是有形的（比如一辆汽车），也可以是无形 的（比如一项计划）。对象具有自己的静态特征和动态特征。1）什么叫对象 静态特征是可以用某种数据来描述的特征，例 如人的姓名、性别等等。 动态特征即对象所表现的行为或对象所具有的 功能，例如人具有思维能力和行动能力等

5、等。 2）对象的定义系统中的一个对象对应于客观世界中的一个 事物或实体，它是构成系统的一个基本单位。一个对象是由一组属性和对这组属性进行 操作的一组服务构成的。 属性是用来描述对象静态特征的一个数据项 ，也叫对象特性，一个对象通常具有多个属性 ； 服务是用来描述对象动态特征（行为）的一 个操作，一个对象通常具有多种操作 ； 4. 对象类 对象的属性和操作称为对象的性质。 1）类是对象的抽象把具有共性的一些事物归为一类，这是认 识客观世界和分析问题的一般方法。这里的共性是指事物的本质特征，分类实 际上是一种抓住事物的本质而忽略一些无关紧 要的细节的抽象过程，请看以下一些例子： 注意：抽象是分类的

6、依据，也即分类一定要满足“ 一般化”这一基本要求 。例8-3 从各种自行车到自行车类的抽象。 抽象2）类的定义 所谓一般化是对形形色色的事物进行高度概括 所获取的共性，反过来能适应于类中的所有对象。 一组具有相同性质（属性和操作）的对象的 抽象。 或者说：类是具有相同属性和服务的一组对象 的集合，它为属于该类的全部对象提供统一的抽 象描述，其内部包括属性和服务两个主要部分。注意 ：（2）被归类的一组对象必须具有一般特性、行 为，一般关系（对象之间）和一般语义。 （1）类的全称是对象类； 3）类和对象的关系 “类与对象的关系如同模具与用这个模具铸 造出来的铸件之间的关系”，模具只有一个，而相 同

7、的铸件可以成千上万；类是抽象的，而对象则 是类的具体存在，概括起来有以下三种关系： 每个对象都是其所属类的一个实例（ instance），称为对象实例。 类是对象实例的可能的无限集合，同一个 类的所有对象都具有相同的属性描述和操作集， 不同的对象标识符。 在面向对象程序设计语言中，通常用类作 为样板（数据类型）来定义对象。8.2 对象类的主要性质 对象类具有抽象、封装、多态和共享（继承 ）等诸多性质和特点，其中封装性是对象类独具 的，因此封装性就成了面向对象的基本要素。 例8-5 C+允许程序员先自定义类类型（Class类 型）然后用它来声明对象，并利用构造方法这一 特殊成员函数自动给类的某些

8、属性赋初值，就产 生一个对象实例。 1. 抽象 所谓抽象是指在分析问题时，强调实体的本 质、内在属性而忽略一些无关紧要的细节。 类就是由对象抽象而成的。2. 封装 1) 封装的涵义（1）强调对象的不可分割性，也即把一个客观 实体的内在属性和服务（操作）结合在一起，形 成一个不可分割的独立单位对象； （2）强调信息的隐蔽，也即隐蔽对象的内部实 现细节 。具体而言，就是将主体数据和和处理细节隐 蔽在数据容许操作的界面下，使得对象的外部功 能与内部实现细节相分离。信息隐蔽使得访问者（外部对象）无须知道 被访问者的内部特性及构造，就可以直接使用之 。 2）定义 封装是指将对象的属性和服务结合成一个独

9、立的系统单位，并尽可能隐蔽其内部细节。 注意：封装是对象的一个非常重要的性质，也是 面向对象必须提供的机制。 3）封装的实际意义（作用） 保证对象的界面清晰、简单。 防止由于模块之间的相互依赖所带来的变动的 相互影响 ，也即降低对象模块之间的耦合度，以 提高对象的相对独立性。 封装使得一个对象可以像一个可插接的部件一 样用在各种程序中 。3. 继承 1) 继承的基本条件继承发生在类的一般化层次结构上，特殊类 （子类）享有一般类（父类）的所有性质（属性 和操作），例如： 教师和教辅人员都是教职工的子类，它们都继 承教职工的性质：2）定义 包括：姓名、性别、出生年月等基本属性以及工 作、进修、晋升

10、、退休等基本操作。 特殊类拥有一般类的全部属性和服务（操作 ），称作特殊类对一般类的继承。概念上，继承是一种子类对父类性质的隐式 自动拥有，也即逻辑上是必然的；实现上必须通 过OO系统的继承机制来保证。 3）继承的实际意义（作用） 实现代码重用以及增强系统的可扩充性。 简化了人们对事物的认识和描述，这是继承所 具有的最最重要的意义。 4. 多态性 1) 如何理解多态性 其一、操作的多态性，即指同一个操作在不 同的类中有不同的实现方法和不同的执行结果； 多态有两个涵义：其二、属性的多态性，即允许同一个属性在 不同的类中具有不同的数据类型。 例如：在下图所给的图形类的一般化层次结 构中，各个特殊类

11、都有Display操作，各自的实现 方法却是不一样的。这就是Display这一操作体现 出来的多态性。其特点是源于继承而并非简单地继承，必须 有不同的表现。 2）多态性的定义在一般类中定义的属性或操作被特殊类继承 之后，可以具有不同的数据类型或表现出不同的 行为。3）多态性的实际意义 减少消息的信息量，统一消息的书写格式； 在应用程序中调用操作不必每次都重复选择程 序分支； 在增加新的特殊类时，不会影响到其它相关类 （不必修改调用码和请求服务的消息）。 其实质是同一属性或操作在一般类和各个特 殊类中具有不同的语义。 8.2 定义类和对象定义一个类就是定义一种新的、十分独特的 数据类型，其独特之

12、处在于它既包含有数据成员 也包含函数成员（内部操作）。 C+隐蔽了类的内部细节，外部只有通过公 有成员函数才能使用类的数据。所以类的构造使 数据抽象和封装的实现成为可能，并且促进了模 块化。 1. 实例 例8-6 将文件定义成C+类。在任何数据处理系统中，文件都是十分重 要的实体，一个文件由以下两部分组成： 操作部分 ，文件这一实体所具有的内在的行 为，例如打开、读、写等等，这些行为所对应 的实现方法称为成员函数。 数据部分（文件对象的属性）：例如文件号 、文件操作模式、文件缓冲区起始位置等；我们可以将这样的实体抽象为“文件类”， 并定义成C+的class类型。 class File FILE

13、 *fp; public:File(const char *name, const char *open_mode);File(); size_t read(const size_t howmany, const size_t elem_size, void *buffer); size_t write(const size_t howmany, const size_t elem_size, const void *buffer); /其它成员函数/文件指针（主要属性）/其它属性构造函数析构函数类型名（类名）2类的语法 解释： class class-name : /private|prot

14、ected|public ：data members;: /public|protected|public:member-functions; ; class：保留字，表示所定义的类型是类类型； class-name：类名，用标识符命名，但首字符一 般用大写； data members：数据成员表，定义类的属性； 3. 访问说明符 member-functions：成员函数集，定义类的操作 。 public: 表示成员是公有的，既可以被本类的成 员函数访问，也可以被程序的其它部分直接访问 。C+给出public、private、protected等三个说明 符（也称为限制符，用来指明对类的成员

15、访问上 的限定。被限定的成员可以是属性也可以是操作 （成员函数）。该函数集所包含的成员函数可以是内联的，也 可以只是函数原型，而函数定义则出现在类的外 部（本源文件或其它源文件中)。 注意：通常将类定义放在头文件中。 protected：界于public 和private之间，只允许被 基类和派生类的成员函数和友元函数访问。 private：表示成员是私有的，只允许本类（基 类）的成员函数和友元访问。private通常用来限定数据成员 ，以确保数据的 对外隐蔽封装。派生类就是该类的子类。 4类和结构的比较两点说明： （1） 类和结构类型有相似之处，但结构中无法 定义成员函数，而类则可以定义成员函数； （2） 结构的成员其访问限制是public，也即可 以被结构的外部处理所访问；类的数据成员，其 默认访问方式是 Private，也即不允许被外部处理 所访问；5. 类的封装概念的进一步阐述 数据和操作构成一个不可分割的整体，在这一 整体中有既有私有的和受保护的成员（主要指数 据成员），也有公共成员（成员函数的默认形式 就是公共的）。 保护部分数据成员的目的在于将它们有效地屏 蔽，以防外界的干扰和误操作，增强适应性。 公共成员作为类的接口提供给外部使用。 例8-8 定义时间类（Time）。6. 实例分析：Time包括以下属性和操作：