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面向对象程序设计设施

面向对象程序设计设施. 提要. 面向对象程序设计支持要点 一些对象式语言的相关设施. 三个世界. 客观世界 DVD 播放机 What is reality? 复杂性 认识的主观性 问题世界 抽象！ Tell me not what you are but what you have A model of a subset of the reality DVD 播放机 计算机（软件）世界 A model of a model of a subset of the reality. Reality. 现实世界.

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面向对象程序设计设施

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Presentation Transcript

  1. 面向对象程序设计设施

  2. 提要 • 面向对象程序设计支持要点 • 一些对象式语言的相关设施

  3. 三个世界 • 客观世界 DVD播放机 • What is reality? • 复杂性 认识的主观性 • 问题世界 • 抽象！Tell me not what you are but what you have • A model of a subset of the reality DVD播放机 • 计算机（软件）世界 • A model of a model of a subset of the reality Institute of Computer Software Nanjing University

  4. Reality 现实世界 Abstract 问题世界 软件世界 Institute of Computer Software Nanjing University

  5. An object is a machine

  6. Abastracted object Model: Price: Manufacture: Size: start item index forth before after put_right

  7. start forth put_right before after item index An object has an implementation

  8. start forth put_right before after item index Information hidding

  9. 面向对象程序设计 • “面向对象”是一种“世界观”，是一种“方法论” • 面向对象程序设计乃是基于ADT • 主流的面向对象式语言乃是基于“类”Class

  10. 如何完整地理解“类” ？ • 两个侧面：类型 vs. 模块 • 类是抽象数据类型的实现 • 类是对象式程序的基本组成单元 • 基于类的面向对象的语言机制的强有力之处在于“类”统一了类型和模块

  11. Class • 一般说类是抽象数据类型的实现 • 抽象数据类型乃是一种规约； • 类是OOPL实现这种类型的设施； • 但是Meyer说：“A class is an abstract data type equipped with a possibly partial implementation.” • Meyer在Eiffel中强调将ADT规约作为类的一部分 • 强调从规约到实现的一致表达和平滑过度 • 类可能只是部分实现 • Deferred and effective class • But why? Institute of Computer Software Nanjing University

  12. Class • Mold and instance • 类自身也能被当作对象么？ Institute of Computer Software Nanjing University

  13. 模块与类型的统一 • 模块是软件分解的单元，是语法概念 • 类型是某些动态对象的静态描述，是语义概念 • 传统语言模块类型分离 • 对象语言 统一模块与类型 Institute of Computer Software Nanjing University

  14. The module-type merge • A class is both: • A module • A type • From the module viewpoint: • Set of available services (features or methods). • From the type viewpoint: • Description of set of possible run-time objects (its instances). Institute of Computer Software Nanjing University

  15. 模块与类型的统一 • But How? • Every object is an instance of some class. • Connection: The services of the class, viewed as a module, are the operations applicable to the instances of the class, viewed as a type. • 结合继承，威力更增 • Extension of the modular 模块的扩展 • Specialization of the type 类型的特化 Institute of Computer Software Nanjing University

  16. 面向对象程序设计支持 • 封装 ADT 类 • 继承子类型开闭原则 • 多态动态绑定

  17. 继承 • 继承 作为模块扩展机制，体现开闭原则，较好地支持软件的复用。 • 继承 作为类型特化机制，体现分类方法，更合理地支持子类型实现。 • 继承也是多态和动态绑定机制的基础。

  18. 子类对父类的扩展与特化 • 继承表达的是一种分类演绎的认识方法 • “To program is to understand.” • 特化：包含范围变小，行为特殊化 • 扩展：增加新的操作 • 重定义：改变行为 Institute of Computer Software Nanjing University

  19. The Open-Closed Principle • Modules should be open and closed. • Definitions: • Open module: May be extended. • Closed module: Usable by clients. May be approved, baselined and (if program unit) compiled. • The rationales are complementary: • For closing a module (manager’s perspective): Clients need it now. • For keeping modules open (developer’s perspective): One frequently overlooks aspects of the problem. Institute of Computer Software Nanjing University

  20. The Open-Closed Principle (1) B A C E D Institute of Computer Software Nanjing University

  21. The Open-Closed Principle (2) B A C E D F A’ H I G Institute of Computer Software Nanjing University

  22. The Open-Closed Principle (3) B A C E D F A’ H I G Institute of Computer Software Nanjing University

  23. 继承与类型 • 子类型 • 可替换性：Let q(x) be a property provable about objects x of type T. Then q(y) should be true for objects y of type S where S is a subtype of T. (Liskov substitution principle) • 对于面向对象的计算来说 • 子类型对象须能接收所有父类型对象能接收的消息 • 当然这个问题不总是那么简单。 Institute of Computer Software Nanjing University

  24. 继承与类型 • Are Cows Animals? －By David L. Shang class Animal proc eat (food: AnyFood); end; ---------------------------------------------------------- class Cow is Animal proc eat (food: PlantFood); end; Institute of Computer Software Nanjing University

  25. 多态与动态绑定 • 通过类继承机制实现子类型，允许子类重定义父类的操作。 • 这样父类型变量（对象引用）及其上的的操作必然是多态的。 • 这就在实现上要求动态绑定机制

  26. The dangers of static binding createa.make (…) S1 • For every creation procedure cp: {precp} docp {postcp and INV} • For every exported routine r: {INV and prer} dor {INV and postr} • The worst possible erroneous run-time situation in object-oriented software development: • Producing an object that does not satisfy the invariant of its class. a.f (…) S2 a.g (…) S3 a.f (…) S4

  27. The dangers of static binding (cont’d) • {INVA} dorA {INVA} • {INVB} dorB {INVB} • Consider a call of the form a1.r where a1 is polymorphic: • No guarantee on the effect of dorA on an instance of B! rA A rB++ B

  28. 于是 • 考虑 o.m() • 静态类型检查确保o所代表的对象可以接收消息m (至少可找到一个方法m) • 动态绑定找到“那一个”最合适的m

  29. 以下PPT直接引自东南大学陈林老师的主页下的 http://cse.seu.edu.cn/people/lchen/resource/ 该处有对Sebesta原英文ppt的中文翻译。 感谢翻译整理者。 对面向对象程序设计的支持

  30. 目录 • 引言 • 面向对象程序设计 • 面向对象语言的设计问题 • Smalltalk对OOP的支持 • C++对OOP的支持 • Java对OOP的支持 • C#对OOP的支持 • Ada 95对OOP的支持 • JavaScript的对象模型 • 面向对象构造的实现

  31. 引言 • OOPL • 有些支持过程式和面向数据的程序设计，如Ada和C++ • 有些支持函数式程序设计 • 有些新的语言一般不支持其他范型(paradigm)，但可以使用命令式结构，如Java、C# • 有些是纯的OOPL，如Smalltalk

  32. 面向对象程序设计 • 抽象数据类型(封装) • 继承 • 继承是OOP和OOPL的中心议题 • 多态

  33. 继承 • 重用提供了生产力的提升 • ADT难于重用 • 所有的ADT是独立的，且处于相同层次 • 继承允许在现存类基础上定义新的类，从而继承公共部分 • 继承涉及了上述两个问题：通过少量修改重用ADT；以层次结构的方式定义类

  34. 面向对象概念 • 在OOL中，ADT称为类 • 类实例称为对象 • derived class/subclass（派生类/子类） • parent class/superclass（父类/超类） • 定义操作的子程序称为方法

  35. 面向对象概念（续） • 对方法的调用称为消息传递 • 某个对象的所有方法集合称为消息协议或消息接口 • 消息有两个部分：方法名、目标对象 • 最简单的情况是：一个类继承其父类的所有实体

  36. 面向对象概念（续） • 继承关系在对封装实体使用访问控制时变得更复杂 • 类可以对其子类隐藏所有实体 • 类可以对其客户隐藏所有实体 • 类可以对客户隐藏所有实体，而对子类开放 • 除了直接继承方法，类也可以调整继承的方法 • Override（方法覆盖）

  37. 面向对象概念（续） • 类中两种类型的变量 • 类变量 • 实例变量 • 类中两种方法 • 类方法 • 实例方法 • 单继承 vs. 多继承 • 用继承实现重用的一个缺点 • 在类间产生了交互依赖，提高了维护的复杂度

  38. 动态绑定 • 多态变量：用某个类定义一个变量，该变量能引用该类对象及其任意子类的对象 • 当类层次中包含覆盖方法，且通过多态变量调用，对方法的正确绑定是动态的 • 使软件系统在开发和维护中都更易于扩展

  39. 动态绑定概念 • 抽象方法：不包含定义的方法（仅定义了协议） • 抽象类：至少包含一个虚方法 • 抽象类不能实例化

  40. OOPL的设计问题 • 纯对象？ • 子类 vs. 子类型？ • 类型检查和多态？ • 单继承 vs. 多继承？ • 对象分配和释放？ • 动态绑定 vs. 静态绑定？ • 嵌套类？

  41. 纯对象 • Everything is an object • 优点：优雅纯粹 • 缺点：对单个对象操作的效率低 • 在一个完整的命令式类型系统中增加对象 • 优点：简单对象操作效率高 • 缺点：类型系统的不一致性 • 基本数据类型使用命令式语言的类型系统，而其他都是对象 • 优点：提高简单对象操作效率；类型系统更简单 • 缺点：类型系统的不一致性

  42. 子类 vs. 子类型 • 父类对象和子类对象是一种“is-a”关系？ • 如果子类is-a父类，则子类对象的行为必须和父类对象的行为完全一致 • 如果子类和父类存在”is-a”关系，则子类是一个子类型 • 子类仅能以“兼容”的方式增加变量、方法和覆盖继承的方法（所谓兼容：不能改变行为）

  43. 类型检查和多态 • 多态可能需要对参数和返回值的动态类型检查 • 动态类型检查开销大，且将错误侦测延迟至运行时 • 如果方法覆盖限制为必须有相同的参数类型和返回类型，则可以使用静态类型检查

  44. 单继承 vs. 多继承 • 多继承允许一个类继承自多个类 • 多继承的缺点 • 语言实现复杂（名冲突） • 潜在的低效率：动态绑定开销变大 • 优点： • 带来某些便利

  45. 对象分配和释放 • 对象从哪个空间分配？ • 如果和ADT一样，则可以从任意地方分配 • 从运行时栈分配 • 显式的从堆分配 • 如果都是堆动态的，可以统一使用引用或指针变量 • 简化赋值：解引用可以是隐式的 • 如果对象是栈动态的，对于子类型存在一个问题 • 释放是显式的还是隐式的？

  46. 动态绑定 vs. 静态绑定 • 消息的所有绑定都是动态的？ • 如果全是静态的，则丧失了动态绑定的优点 • 如果全是动态的，效率低 • 允许用户指定

  47. 嵌套类 • 如果某个类只对一个一个类可见，则没有必要将其定义为对其他类也可见 • 将其嵌套在使用它的类中 • 某些情况下，类嵌套在子程序中比嵌套在另一个类中更好

  48. Smalltalk对OOP的支持 • Smalltalk是一个纯的OOPL • Everything is an object • 所有对象拥有自己的局部内存空间 • 所有计算都通过消息传递 • 没有命令式语言的外观 • 所有对象从堆中分配 • 所有对象释放是隐式的

  49. Smalltalk对OOP的支持（续） • 类型检查和多态 • 所有消息绑定都是动态的 • 消息绑定的过程：搜索消息接受的对象；没找到，则搜索父类，直到系统定义的类（没有父类） • 类型检查是动态的，仅当接受消息的对象没有匹配方法时出现类型错误

  50. Smalltalk对OOP的支持（续） • 继承 • 子类继承了所有实例变量、实例方法和类方法 • 所有子类都是子类型 • 所有继承都是实现继承（ implementation inheritance ，与接口继承的区别interface inheritance ） • 没有多继承

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