Java™ 教程（面向对象编程概念）

如果你以前从未使用过面向对象的编程语言，那么在开始编写任何代码之前，你需要学习一些基本概念，本课将向你介绍对象、类、继承、接口和包，每个讨论都关注这些概念如何与现实世界相关，同时介绍Java编程语言的语法。

对象是理解面向对象技术的关键，环顾四周，你会发现许多现实世界中的东西：你的狗，你的桌子，你的电视机，你的自行车。

真实世界的对象有两个特征：它们都有状态和行为，狗有状态（名字，颜色，品种，饥饿）和行为（吠叫，挑逗，摇尾巴），自行车也有状态（当前齿轮，当前踏板节奏，当前速度）和行为（换档，改变踏板节奏，踩刹车），识别真实对象的状态和行为是开始考虑面向对象编程的好方法。

现在花一分钟观察你周围的真实世界，对于你看到的每一个物体，问自己两个问题：“这个对象可能处于什么状态?”和“这个对象可能执行什么行为?”，一定要写下你的观察结果，正如你所做的，你会注意到现实世界中的对象在复杂性上是不同的；你的台灯可能只有两个可能的状态（打开和关闭）和两个可能的行为（打开和关闭），但是你的桌面收音机可能有其他状态（打开、关闭、当前音量、当前站）和行为（打开、关闭、增加音量、减少音量、查找、扫描和调优）。你可能还注意到，一些对象反过来也将包含其他对象，这些实际的观察结果都转化为面向对象编程的世界。

软件对象在概念上与真实世界的对象相似：它们也包括状态和相关的行为，对象将其状态存储在字段中（某些编程语言中的变量），并通过方法（某些编程语言中的函数）公开其行为，方法对对象的内部状态进行操作，并作为对象到对象通信的主要机制，隐藏内部状态并要求通过对象的方法执行所有交互称为数据封装 — 面向对象编程的基本原则。

以自行车为例：

通过归因于状态（当前速度，当前踏板节奏和当前档位）并提供改变该状态的方法，该对象仍然控制外部世界如何被允许使用它，例如，如果自行车仅具有6个档位，则换档的方法可以拒绝小于1或大于6的任何值。

将代码打包到多带带的软件对象中可以带来很多好处，包括：

模块化：对象的源代码可以独立于其他对象的源代码编写和维护，一旦创建，对象可以很容易地在系统内部传递。

信息隐藏：通过只与对象的方法交互，其内部实现的细节仍然隐藏在外部世界之外。

代码重用：如果一个对象已经存在（可能由另一个软件开发人员编写），你可以在程序中使用该对象，这允许专门实现/测试/调试复杂的、特定于任务的对象，然后你可以信任这些对象在你自己的代码中运行。

可插入性和调试方便：如果某个特定对象出现问题，你可以简单地从应用程序中删除它，并将另一个对象插入替换，这类似于在现实世界中解决机械问题，如果螺栓断裂，你要更换它，而不是整个机器。

在现实世界中，你经常会发现许多多带带的物体都是一样的，可能还有成千上万的其他自行车存在，所有的制造和模型都是一样的，每一辆自行车都是用同样一套蓝图建造的，因此包含了同样的部件，在面向对象的术语中，我们说你的自行车是称为自行车的对象类的实例，类是创建单个对象的蓝图。

下面的Bicycle类是自行车的一种可能实现：

class Bicycle {

    int cadence = 0;
    int speed = 0;
    int gear = 1;

    void changeCadence(int newValue) {
         cadence = newValue;
    }

    void changeGear(int newValue) {
         gear = newValue;
    }

    void speedUp(int increment) {
         speed = speed + increment;   
    }

    void applyBrakes(int decrement) {
         speed = speed - decrement;
    }

    void printStates() {
         System.out.println("cadence:" +
             cadence + " speed:" + 
             speed + " gear:" + gear);
    }
}

Java编程语言的语法对你来说是全新的，但是这个类的设计是基于之前对自行车对象的讨论，字段cadence、speed以及gear表示对象的状态，方法（changeCadence、changeGear、speedUp等）定义了它与外部世界的交互。

你可能已经注意到，Bicycle类不包含main方法，那是因为它不是一个完整的应用程序；这只是在应用程序中使用的自行车的蓝图，创建和使用新的Bicycle对象的职责属于应用程序中的其他类。

这里有一个BicycleDemo类，它创建两个独立的Bicycle对象并调用它们的方法：

class BicycleDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // Create two different 
        // Bicycle objects
        Bicycle bike1 = new Bicycle();
        Bicycle bike2 = new Bicycle();

        // Invoke methods on 
        // those objects
        bike1.changeCadence(50);
        bike1.speedUp(10);
        bike1.changeGear(2);
        bike1.printStates();

        bike2.changeCadence(50);
        bike2.speedUp(10);
        bike2.changeGear(2);
        bike2.changeCadence(40);
        bike2.speedUp(10);
        bike2.changeGear(3);
        bike2.printStates();
    }
}

此测试的输出打印两辆自行车的cadence，speed和gear：

cadence:50 speed:10 gear:2
cadence:40 speed:20 gear:3

不同种类的物体之间往往有一定的共同之处，例如山地自行车、公路自行车和双人自行车，都有自行车的特点（目前的速度，目前的踏板节奏，目前的档位），然而，每个还定义了使它们不同的其他功能：双人自行车有两个座位和两套车把；公路自行车有弯车把；一些山地自行车有一个额外的链环，使它们的齿轮比更低。

面向对象编程允许类从其他类继承共同的状态和行为，在这个例子中，Bicycle现在成为了MountainBike、RoadBike和TandemBike的超类，在Java编程语言中，每个类都允许有一个直接的超类，每个超类都可能有无限数量的子类：

创建子类的语法很简单，在类声明的开头，使用extend关键字，后跟要继承的类的名称：

class MountainBike extends Bicycle {

    // new fields and methods defining 
    // a mountain bike would go here

}

这使MountainBike拥有与Bicycle相同的字段和方法，但它的代码却只关注使它独一无二的特性，这使得子类的代码易于阅读，但是，莫必须注意正确记录每个超类定义的状态和行为，因为该代码不会出现在每个子类的源文件中。

正如你已经了解的，对象通过它们公开的方法定义它们与外部世界的交互，方法形成对象与外界的接口；例如，电视机前的按钮是你和塑料外壳另一面的电线之间的接口，你按下“电源”按钮，打开和关闭电视。

在最常见的形式中，接口是一组具有空体的相关方法，自行车的行为（如果指定为接口）可能如下所示：

interface Bicycle {

    //  wheel revolutions per minute
    void changeCadence(int newValue);

    void changeGear(int newValue);

    void speedUp(int increment);

    void applyBrakes(int decrement);
}

要实现这个接口，你的类的名称将会改变（例如，对特定品牌的自行车，例如ACMEBicycle），并且你将在类声明中使用implements关键字：

class ACMEBicycle implements Bicycle {

    int cadence = 0;
    int speed = 0;
    int gear = 1;

   // The compiler will now require that methods
   // changeCadence, changeGear, speedUp, and applyBrakes
   // all be implemented. Compilation will fail if those
   // methods are missing from this class.

    void changeCadence(int newValue) {
         cadence = newValue;
    }

    void changeGear(int newValue) {
         gear = newValue;
    }

    void speedUp(int increment) {
         speed = speed + increment;   
    }

    void applyBrakes(int decrement) {
         speed = speed - decrement;
    }

    void printStates() {
         System.out.println("cadence:" +
             cadence + " speed:" + 
             speed + " gear:" + gear);
    }
}

实现接口允许类对其承诺提供的行为变得更加正式，接口在类和外部世界之间形成契约，并且该契约在构建时由编译器强制执行，如果你的类声称实现了一个接口，那么在该类成功编译之前，该接口定义的所有方法必须出现在其源代码中。

要实际编译ACMEBicycle类，你需要将public关键字添加到已实现的接口方法的开头，稍后你将在有关类和对象以及接口和继承的课程中了解相关原因。

包是组织一组相关类和接口的命名空间，从概念上来说，你可以将包看作类似于计算机上的不同文件夹，你可以将HTML页面保存在一个文件夹中，将图像保存在另一个文件夹中，将脚本或应用程序保存在另一个文件夹中。因为用Java编程语言编写的软件可以由数百或数千个多带带的类组成，所以通过将相关的类和接口放置到包中来组织事情是有意义的。

Java平台提供了一个庞大的类库（一组包），可以在你自己的应用程序中使用，这个库被称为“应用程序编程接口”，简称为“API”，它的包代表了最常用于通用编程的工作。例如，String对象包含字符串的状态和行为；File对象允许程序员轻松地在文件系统上创建、删除、检查、比较或修改文件；Socket对象允许创建和使用网络sockets；各种GUI对象控制按钮和复选框以及与图形用户界面相关的任何其他内容。实际上有成千上万个类可供选择，这允许程序员关注特定应用程序的设计，而不是使其工作所需的基础设施。

Java平台API规范包含Java SE平台提供的所有包、接口、类、字段和方法的完整清单，在浏览器中加载该页面并将其添加到书签，作为程序员，它将成为你最重要的参考文档。