Java从零开始系列02：对象与类

学习目标：

• 面向对象程序设计入门
• 如何创建标准Java类库中的对象
• 如何编写自己的类

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一、面向对象程序设计概述

面向对象程序设计（object-oriented programming,OOP）是当今主流的程序设计范型，由于Java是面向对象的，所以必须熟悉OOP才能很好的使用Java。

面向对象的程序是由对象组成的，每个对象包含对用户公开的特定功能部分和隐藏的实现部分。

传统的结构化程序设计通过设计一系列的过程（算法）来求解问题，而OOP却调换了这个顺序，将数据放在第一位，然后再考虑 *** 作数据的算法。

对于一些规模较小的问题，将其分解为过程的开发方式比较理想。面向对象更加适合解决规模较大的问题。

（一）类

类（class）是构造对象的模板或蓝图，由类构造（construct）对象的过程称为创建类的实例（instance）。

封装（encapsulation，有时称为数据隐藏）是处理对象的一个重要概念。从形式上看，封装就是将数据和行为组合在一个包中，并对对象的使用者隐藏具体的实现方式。对象中的数据称为实例字段（instance field）， *** 作数据的过程称为方法（method）。作为一个类的实例，特定对象都有一组特
定的实例字段值。这些值的集合就是这个对象的当前状态（state）。

实现封装的关键在于，绝不能让类中的方法直接访问其他类的实例字段。程序只能通过对象的方法与对象数据进行交互（类似黑盒）。

在Java中，所有的类都源自一个“超类”，它就是Object，所有的类都扩展自这个类。

通过扩展一个类来建立另一个类的过程称为继承（inheritance），有关信息会在后续文章中介绍。

（二）对象

我们对象的三个主要特性：

• 对象的行为（behavior）–可以对对象完成哪些 *** 作，或者可以对对象使用哪些方法？
• 对象的状态（state）–当调用那些方法时，对象会如何响应？
• 对象的标识（identity）–如何区分具有相同行为与状态的不同对象？

同一个类的所有对象实例，由于支持相同的行为而具有家族式的相似性。对象的行为是用可调用的方法来定义的。

每个对象都保存着描述当前状态的信息（状态）。对象状态的改变必须通过调用方法来实现（封装性）。

对象的状态并不能完全描述一个对象。每个对象都有一个唯一的标识（identity）。

对象的这些关键特性会彼此相互影响。

（三）识别类

识别类的一个简单经验是在分析问题的过程中寻找名词，而方法对应着动词。

（四）类之间的关系

在类中，最常见的关系有：

• 依赖（“uses-a“）
• 聚合（”has-a“）
• 继承（“is-a”）

依赖是一种最明显的、最常见的关系。如果一个类的方法使用或 *** 纵另一个类的对象，我们就说一个类依赖于另一个类。应该尽可能地将相互依赖地类减至最少。

聚合即包含关系。

继承表示一个更特殊的类与一个更一般的类之间的关系。

二、使用预定义类 （一）对象与对象变量

在Java中，要使用构造器（constructor，或称构造函数）构造新实例。构造器是一种特殊的方法，用来构造并初始化对象。

构造器的名字应该与类名相同。要想构造一个类对象，需要在构造器前面加上new *** 作符：

new Date();

如果需要的话，也可以将这个对象传递给一个方法：

System.out.println(new Date());

或者也可以对刚刚创建的对象应用一个方法：

String s = new Date();

要注意对象与对象变量之间的区分，对象变量不是一个对象，而它实际上也没有引用任何对象，必须对其进行初始化。有两个选择，一是初始化这个变量，让它引用一个新构造的对象；二是设置这个变量，让它引用一个已有的对象：

Date deadline = new Date();
deadline = birthday;

（二）更改器方法与访问器方法

访问对象且修改对象的方法称为更改器方法（mutator method）；访问对象但不修改对象的方法称为访问器方法（accessor method）。

三、用户自定义类

要想构建一个完整的程序，会结合使用多个类，其中只有一个类有main方法。

（一）定义一个类

在Java中，最简单的类定义形式为：

class ClassName
{
	field1;
	field2;
	...
	constructor1;
	constructor2;
	...
	method1;
	method2;
	...
}

下面看一个非常简单的Employee类。在编写工资管理系统时可能会用到：

class Employee
{
	// instance fields
	private String name;
	private double salary;
	private localDate hireDay;
	
	// constructor
	public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
	{
		name = n;
		salary = s;
		hireDay = localDate.of(year, month, day);
	}

	// a method
	public String getName()
	{
		return name;
	}

	// more method
	...
}

在一个源文件中，只能有一个公共类，但可以有任意数目的非公共类。
下面给出程序源代码：

import java.time.*;

/**
 * This program tests the Employee class.
 * @version 1.13 2018-04-10
 * @author Cay Horstmann
 */
public class EmployeeTest
{
   public static void main(String[] args)
   {
      // fill the staff array with three Employee objects
      Employee[] staff = new Employee[3];

      staff[0] = new Employee("Carl Cracker", 75000, 1987, 12, 15);
      staff[1] = new Employee("Harry Hacker", 50000, 1989, 10, 1);
      staff[2] = new Employee("Tony Tester", 40000, 1990, 3, 15);

      // raise everyone's salary by 5%
      for (Employee e : staff)
         e.raiseSalary(5);

      // print out information about all Employee objects
      for (Employee e : staff)
         System.out.println("name=" + e.getName() + ",salary=" + e.getSalary() + ",hireDay=" 
            + e.getHireDay());
   }
}

class Employee
{
   private String name;
   private double salary;
   private LocalDate hireDay;

   public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
   {
      name = n;
      salary = s;
      hireDay = LocalDate.of(year, month, day);
   }

   public String getName()
   {
      return name;
   }

   public double getSalary()
   {
      return salary;
   }

   public LocalDate getHireDay()
   {
      return hireDay;
   }

   public void raiseSalary(double byPercent)
   {
      double raise = salary * byPercent / 100;
      salary += raise;
   }
}

（二）多个源文件的使用

一个源文件包含多个类，部分程序员喜欢将每一个类存在一个单独的源文件中，如果喜欢这样组织文件，有两种编译源程序的方法。
一是使用通配符调用java编译器：

javac Employee*.java

或者键入以下命令：

javac EmployeeTest.java

（三）剖析Employee类

Employee类中包含一个构造器和4个方法：
public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
public String getName()
public double getSalary()
public LocalDate getHireDay()
public void raiseSalary(double byPercent)
所有方法都被标记为public。关键字public意味着任何类的方法都可以调用这些方法。

同时设置了3个实例字段用来存放要 *** 作的数据：
private String name;
private double salary;
private localDate hireDay;
关键字private确保只有Employee类自身才能访问这些字段，而其他类的方法不能读写这些字段。

类包含的实例字段通常属于某个类类型。

（四）构造器

Employee类的构造器如下：

public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
{
   name = n;
   salary = s;
   hireDay = LocalDate.of(year, month, day);
 }

构造器与类同名，在构造Employee类的对象时，构造器会运行，从而将实例字段初始化为所希望的初始状态。

构造器总是结合new运算符来调用。

以下是构造器的几个特性：

• 构造器与类同名
• 每个类可以有一个以上的构造器
• 构造器可以有0个、1个或多个参数
• 构造器没有返回值
• 构造器总是伴随着new *** 作符一起调用

注：不要在构造器中定义与实例字段同名的局部变量。
同时可以使用var声明局部变量：

var harry = new Employee("Harry Hacker", 50000, 1989, 10, 1);

注意var关键字只能用于方法中的局部变量，参数和字段的类型必须声明。

（五）使用null引用

一个对象变量包含一个对象的引用，或者包含一个特殊值null，后者表示没有引用任何对象。使用null时，必须明确哪些字段可能为null，不然会出错：

localDate birthday = null;
String s = birthday.toString();	// NullPointerException

对此有两种解决方法：

”宽容型“方法是把null参数转换成为一个适当的非null值：

if (n == null) name = "unknown";
else name = n;

在Java9中，Objects类对此提供了一个便利方法：

public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
{
	name = Objects.requireNonNullElse(n, "unknown");
	...
}

”严格型“方法则是干脆拒绝null参数：

public Employee(String n, double s, int year, int month, int day)
{
	Objects requireNonNull(n, "The name can't be null");
	name = n;
	...

（六）隐式参数与显式参数

方法用于 *** 作对象以及存取它们的实例字段。如：

public void raiseSalary(double byPercent)
{
	double raise = salary * byPercent / 100;
	salary += raise;
}

调用这个方法的对象的salary实例字段设置为一个新值。考虑以下调用：

number07.raiseSalary(5);

调用过程如下：

double raise = number07.salary * 5 / 100;
number07.salary += raise;

raiseSalary方法中有两个参数。第一个参数称为隐式（implicit）参数，是出现在方法明前的Employee类型的对象。第二个参数是位于方法名后括号中的数值，称为显式（explicit）参数。

在每一个方法中，关键字this指示隐式参数，如：

public void raiseSalary(double byPercent)
{
	double raise = this.salary * byPercent / 100;
	this.salary += raise;
}

（七）封装的优点

最后再看下getName方法：

   public String getName()
   {
      return name;
   }

这是典型的访问器方法。只返回实例字段值，因此又称为字段访问器。这样可以保护name字段不会受到外界的破坏。

有时，可能想要获得或设置实例字段的值，就需要提供三项内容：

• 一个私有的数据字段
• 一个公共的字段访问器方法
• 一个公共的字段更改器方法

四、静态字段与静态方法 （一）静态字段

如果将一个字段定义为static，每个类只有一个这样的字段。而对于非静态的实例字段，每个对象都有自己的一个副本。如：

class Employee
{
	private static int nextId = 1;
	private int id;
}

每个Employee对象都有一个自己的id字段，但这个类的所有实例共享一个nextId字段。即使没有Employee对象，静态字段nextId也存在。它属于类，而不属于单个的对象。

（二）静态常量

静态变量用的较少，但静态常量比较常用。如Math类中定义一个静态常量：

public class Math
{
	...
	public static final double PI = 3.14159265358979323846;
	...
}

在程序中，可以使用Math.PI来访问这个常量。

若省略关键字static，PI就变成Math类的一个实例字段。

每个类对象都可以修改公共字段，所以，最好不要有公共字段。公共常量（即final字段）却没问题。

（三）静态方法

静态方法是不在对象上执行的方法。如Math类的pow方法：

Math.pow(x,a)

会计算幂 x 2 x^2 x2。在完成运算时，它并不使用任何Math对象，即没有隐式参数。
以下两种情况可以使用静态方法：

• 方法不需要访问对象状态，因此它需要的所有参数都通过显式参数提供
• 方法只需要访问类的静态字段

（四）工厂方法

静态方法还有另一种常见的用途，类似LocalDate和NumberFormat的类使用静态工厂方法（factory method）来构造对象。NumberFormat类如下生成不同风格的格式化对象：

NumberFormat currencyFormatter = NumberFormat.getCurrencyInstance();
NumberFormat percentFormatter = NumberFormat.getPercentInstance();
double x = 0.3;
System.out.println(currencyFormatter.format(x));	// prints System.10
..outprintln(.percentFormatterformat()x);// prints 10%	
无法命名构造器。构造器的名字必须与类名相同。

并不使用构造器主要是由于：

• 使用构造器时，无法改变构造对象的类型。而工厂方法实际上返回DecimalFormat类的对象，这是NumberFormat的一个子类。
public

（五）main方法

可以调用静态方法而不需要对象。main方法也是一个静态方法，该方法不对任何对象进行 *** 作。实际上，在启动程序时还没有任何对象。静态的main方法将执行并构造程序所需要的对象。

五、方法参数

按值调用（call by value）表示方法接收的是调用者提供的值。而按引用调用（call by reference）表示方法接收的是调用者提供的地址。

Java程序设计语言总是按值调用。一个方法不可能修改基本数据类型的参数，但可以修改对象引用作为的参数。如：

static void tripleSalary (Employee) x// works	.
{
	xraiseSalary(200);}
=

harry new Employee (...);tripleSalary
()harry;
方法不能修改基本数据类型的参数（即数值型或布尔型）

实际上，Java对对象采用的也不是引用调用。实际上，对象引用是值传递的。

下面总结下Java中对方法参数能做什么而不能做什么：

• 方法可以改变对象参数的状态
• 方法不能让一个对象参数引用一个新的对象
/** * This program demonstrates parameter passing in Java. * @version 1.01 2018-04-10 * @author Cay Horstmann */

可以尝试运行下列程序进行测试：

public
class ParamTest public
{
   static void main (String[]) args/*
       * Test 1: Methods can't modify numeric parameters
       */
   {
      System
      ..outprintln("Testing tripleValue:");double
      = percent 10 ;System
      ..outprintln("Before: percent="+ ) percent;tripleValue
      ()percent;System
      ..outprintln("After: percent="+ ) percent;/*
       * Test 2: Methods can change the state of object parameters
       */

      System
      ..outprintln("\nTesting tripleSalary:");var
      = harry new Employee ("Harry",50000 );System
      ..outprintln("Before: salary="+ . harrygetSalary());tripleSalary
      ()harry;System
      ..outprintln("After: salary="+ . harrygetSalary());/*
       * Test 3: Methods can't attach new objects to object parameters
       */

      System
      ..outprintln("\nTesting swap:");var
      = a new Employee ("Alice",70000 );var
      = b new Employee ("Bob",60000 );System
      ..outprintln("Before: a="+ . agetName());System
      ..outprintln("Before: b="+ . bgetName());swap
      (,a) b;System
      ..outprintln("After: a="+ . agetName());System
      ..outprintln("After: b="+ . bgetName());}
   public

   static void tripleValue (double) x// doesn't work =
   {
      x 3 * ; xSystem
      ..outprintln("End of method: x="+ ) x;}
   public

   static void tripleSalary (Employee) x// works .
   {
      xraiseSalary(200);System
      ..outprintln("End of method: salary="+ . xgetSalary());}
   public

   static void swap (Employee, xEmployee ) yEmployee
   {
      = temp ; x=
      x ; y=
      y ; tempSystem
      ..outprintln("End of method: x="+ . xgetName());System
      ..outprintln("End of method: y="+ . ygetName());}
   }
class

Employee // simplified Employee class private
{
   String ; nameprivate
   double ; salarypublic

   Employee (String, ndouble ) s=
   {
      name ; n=
      salary ; s}
   public

   String getName ()return
   {
      ; name}
   public

   double getSalary ()return
   {
      ; salary}
   public

   void raiseSalary (double) byPercentdouble
   {
      = raise * salary / byPercent 100 ;+=
      salary ; raise}
   }
var

六、对象构造 （一）重载

有些类有多个构造器。如可以如下构造一个空的StringBuilder对象：

= message new StringBuilder ()var

或者指定一个初始字符串：

= todoList new StringBuilder ("To do:\n");class

这个功能叫做重载（overloading）。如果多个方法有相同的名字、不同的参数，便出现重载。查找匹配的过程称为重载解析（overloading resolution）。

Java允许重载任何方法，而不只是构造器方法。因此，要完整地描述一个方法，需要指定方法名以及参数类型，这叫做方法的签名（signature）。

（二）默认字段初始化

如果构造器中没有显式地为字段设置处值，就会被自动地赋为默认值：数值为0，布尔值为false，对象引用为null。

（三）无参构造器

如果一个类没有编写构造器，就会为你提供一个无参构造器。这个构造器将有所得实例字段设为默认值。

如果类中至少提供了一个构造器，但没有提供无参数的构造器，那么构造对象时如果不提供参数就是不合法的。

（四）显式字段初始化

通过重载类的构造器方法，可以采用多种形式设置类的实例字段的初始状态。

初始值不一定是常量值。如：

Employee private
{
	static int ; nextIdprivate
	int = id assignId ();.
	..private
	static int assignId ()int
	{
		= r ; nextId++
		nextId;return
		; r}
	.
	..}
public

（五）参数名

我们通常喜欢用单个字母作为参数名，但这样做只有阅读代码时才能了解参数的含义，有些程序员在每个参数前加上前缀“a”作为参数名。

还有一种常用技巧：参数变量会遮蔽同名的实例字段。如：

Employee (String, namedouble ) salarythis
{
	.=name ; namethis
	.=salary ; salary}
public

（六）调用另一个构造器

关键字this指示一个方法的隐式参数。不过这个关键字还有另一层含义：
如果构造器的第一个语句形如 this(…) ，这个构造器将调用同一个类中的另一个构造器，如：

Employee (double) s// calls Employee(String, double);
{
	this
	("Employee #"+ , nextId) s;++
	nextId;}
class

这样对公共的构造器代码只需要编写一次即可。

（七）初始化块

Java还有第三种机制，成为初始化块（initialization block）。在一个类的声明中，可以包含任意多个代码块。只要构造这个类的对象，这些块就会被执行。如：

Employee private
{
	static int ; nextIdprivate
	int ; idprivate
	String ; nameprivate
	double ; salary// object initialization block

	=
	{
		id ; nextId++
		nextId;}
	public
	
	Empolyee (String, ndouble ) s=
	{
		name ; n=
		salary ; s}
	public

	Empolyee ()=
	{
		name "" ;=
		salary 0 ;}
	.
	..}
.

无论调用哪个构造器对象，id字段都会在对象初始化块中初始化，首先运行初始化块，然后才运行构造器的主体部分。

这种机制不是必须的，通常会直接将初始化代码放在构造器中。

若在初始化块前加static，则在类第一次加载时，会进行静态字段的初始化。

（八）对象析构与finalize方法

由于Java会完成自动的垃圾回收，因此不支持析构器。

如果对象使用了内存外的其他资源，则需要进行资源的回收和再利用。

finalize方法目前已被废弃，不作介绍。

七、包

Java允许使用包（package）将类组织在一个集合中。

（一）包名

使用包的主要原因是确保类名的唯一性。为了保证包名的绝对唯一性，要用一个因特网名以逆序的形式作为包名，然后对不同的工程使用不同的子包。

（二）类的导入

一个类可以使用所属包中的所有类，以及其他包中的公共类（public class）。

我们可以采用两种方式访问另一个包中的公共类。第一种方式是使用完全限定名（fully qualified name）；就是包名后面跟类名，如：

java.time=localDate today . javat.time.localDatenow()import

更常用的是使用import语句。如：`

. java.time*import

当两个包含有相同的类名时，可以增加一个特定的import语句来解决问题：

. java.util*import
. java.sql*import
. java.utilDate;var

= deadline new . java.util(Date);var
= today new . java.sql(Date...);import

（三）静态导入

有一种import语句允许导入静态方法和静态字段，如：

static . java.langSystem.;*.

就可以使用System类的静态方法和静态字段，而不必加类名前缀：

outprintln("Goodbye, World!");// i.e., System.out	exit
(0);// i.e., System.out;	import

另外可以导入特定的方法或字段：

static . java.langSystem.;outpackage

（四）在包中增加类

想要将类放入包中，就必须将包的名字放在源文件的开头：

. com.horstmann;corejavapublic

class Employee .
{
	..}
-

（五）包访问

标记为public的部分可以由任意类使用，标记为private的部分只能由定义它们的类使用。

（六）类路径

类的路径必须和包名匹配。

另外，类文件也可以存储在JAR（Java归档）文档中。

最好使用 -classpath（或 -cp， 或Java9中的 --class-path）选项指定类路径：

java /classpth /home/user:classdir.://home/user/archives.archiveMyProgjar -
或
java :classpath c;\classdir.:c.\archives\archiveMyprogjar .

八、JAR文件

一个JAR文件可以包含类文件，也可以包含诸如图像和声音等其他类型的文件。此外，JAR文件是压缩的，它使用了我们熟悉的ZIP压缩格式。

（一）创建JAR文件

可以使用jar工具制作JAR文件，创建命令如下：

jar cvf jarFileName file1 file2 ..CalculationClasses

如：

jar cvf .*jar .class. icon.gif

通常jar命令的格式如下：

jar options file1 file2 ...

（二）清单文件

每个JAR文件还包含一个清单文件（manifest），用于描述归档文件的特殊性。

清单文件被命名为MANIFEST.MF，它位于JAR文件一个特殊的META-INF子目录中。

要创建一个包含清单文件的JAR文件，应执行：

jar cfm jarFileName manifestFileName ..MyArchive

如：

jar cfm ..jar manifest/mf com/mycompany/*.class
mypkgMyArchive

要更新已有的JAR文件的清单，则应使用：

jar ufm .-jar manifest.additionsMyProgrammf

（三）可执行JAR文件

可以使用jar命令中的e选项指定程序的入口点，即通常需要在调用java程序启动器时指定的类：

jar cvfe ..jar com.mycompany.mypkgtoMainAppClass files add Main

或者，可以在清单文件中指定程序的主类，包括以下形式的语句：

-Class:. com.mycompany.mypkg-MainAppClass

无论哪种方法，用户都可以通过以下命令启动程序：

java MyProgramjar .MyProgramjar

（四）多版本JAR文件

Java9引入了多版本JAR，可以包含面向不同Java版本的类文件。为保证向后兼容，额外的类文件放在META-INF/versions目录中。

要增加不同版本的类文件，可以使用 --release 标志：

jar uf .--jar 9release Application .classMyProgram

要从头构建一个多版本JAR文件，可以使用 -C 选项：

jar cf .-jar C/ bin8. -- 9release - /c bin9Application .class-

面向不同版本编译时，要使用 --release标志和 -d标志来指定输出目录：

javac /d bin8-- 8release . ..
模块

九、文档注释

JDK包含了一个很有用的工具，叫javadoc，可以有源文件生成一个HTML文档。

javadoc实用工具从下面几项中抽取信息：

• 包
• 公共类与接口
• 公共的和受保护的字段
• 公共的和受保护的构造器及方法
/** * A..... * ... * ... */

每个/**…*/文档注释包含标记以及之后紧跟着的自由格式文本，如：

	public
	class Card .
	{
		..}
	
一定要保证数据私有

注释有类注释、方法注释、字段注释、通用注释、包注释等，这里不一一介绍

十、类设计技巧

这里介绍了一些简单的类设计技巧：

• 一定要对数据进行初始化
• 不要在类中使用过多的基本类型
• 不是所有的字段都需要单独的字段访问器和字段更改器
• 分解有过多职责的类
• 类名和方法名要能够体现它们的职责
• 优先使用不可变的类

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参考资料：

狂神说Java
Java核心技术 卷I（第11版）

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