抽象过程外文翻译资料

 2022-04-26 22:48:01

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抽象过程

所有编程语言都提供抽象机制。可以认为,人们所能够解决的问题的复杂性直接取决于抽象的类型和质量。所谓的“类型”是指“所抽象的是什么?”汇编语言是对底层机器的轻微抽象。接着出现的许多所谓“命令式”语言(如FORTRAN、BASIC、C等)都是对汇编语言的抽象。这些语言在汇编语言基础上有了大幅的改进,但是它们所作的主要抽象仍要求在解决问题时要基于计算机的结构,而不是基于所要解决的问题的结构来考虑。程序员必须建立起在机器模型(位于“解空间”内,这是你对问题建模的地方,例如计算机)和实际待解决问题的模型(位于“问题空间”内,这是问题存在的地方,例如一项业务)之间的关联。建立这种映射是费力的,而且这不属于编程语言所固有的功能,这使得程序难以编写,并且维护代价高昂,同时也产生了作为副产品的整个“编程方法”行业。

另一种对机器建模的方式就是只针对待解决问题建模。早期的编程语言,如LISP和APL,都选择考虑世界的某些特定视图(分别对应于“所有问题最终都是列表”或者“所有问题都是算法形式的”)。Prolog则所有问题都转换成决策链。此外还产生了基于约束条件编程的语言和专门通过对图形符号操作来实现编程的语言(后者被证明限制性过强)。这些方式对于它们所要解决的特定类型的问题都是不错的解决方案,但是一旦超出其特定领域,它们就力不从心了。

面向对象方式通过向程序员提供表示问题空间中的元素的工具而更进了一步。这种表示方式非常通用,使得程序员不会受限于任何特定类型的问题。我们将问题空间中的元素及其在解空间中的表示称为“对象”。(你还需要一些无法类比为问题空间元素的对象。)这种思想的实质是:程序可以通过添加新类型的对象使自身适用于某个特定问题。因此,当你在阅读描述解决方案的代码的同时,也是在阅读问题的表述。相比以前我们所使用的语言,这是一种更灵活和更强有力的语言抽象。所以,OPP允许根据问题来描述问题,而不是根据运行解决方案的计算机来描述问题。但是它仍然与计算机有联系:每个对象看起来都有点像一台微型计算机——它具有状态,还具有操作,用户可以要求对象执行这些操作。如果要对现实世界中的对象作类比,那么说它们都具有特性和行为似乎不错。

Alan Kay 曾经总结了第一个成功的面向对象语言、同时也是Java所基于的语言之一的Smalltalk的五个基本特性,这些特性表现了一种纯粹的面向对象程序设计方式:

1、万物皆为对象。将对象视为奇特的变量,它可以存储数据,除此之外,你还可以要求它在自身上执行操作。理论上讲,你可以抽取待求解问题的任何概念化构件(狗、建筑物、服务等),将其表示为程序中的对象。

2、程序是对象的集合,它们通过发送消息来告知彼此所要做的。要想请求一个对象,就必须对该对象发送一条消息。更具体地说,可以把消息想象为对某个特定对象的方法的调用请求。

3、每个对象都有自己的由其他对象所构成的存储。换句话说,可以通过创建包含现有对象的包的方式来创建新类型的对象。因此,可以在程序中构建复杂的体系,同时将其复杂性隐藏在对象的简单性背后。

4、每个对象都拥有其类型。按照通用的说法,“每个对象都是某个类的一个实例”,这里“类”就是“类型”的同义词。每个类最重要的区别于其他类的特性就是“可以发送什么样的消息给它”。

5、某一特定类型的所有对象都可以接受同样的消息。这是一句意味深长的表述,你在稍后便会看到。因为“圆形”类型的对象同时也是“几何形”类型的对象,所以一个“圆形”对象必定能够接受发送给“几何形”对象的消息。这意味着可以编写与“几何形”交互并自动处理所有与几何形性质相关的事物的代码。这种可替代性是OOP中最强有力的概念之一。

Booch对对象提出了一个更加简洁的描述:对象具有状态、行为和标识。这意味着每一个对象都可以拥有内部数据(它们给出了该对象的状态)和方法(它们产生行为),并且每一个对象都可以唯一地与其他对象区分开来,具体说来,就是每一个对象在内存中都有一个唯一的地址。

每个对象都有一个接口

亚里士多德大概是第一个深入研究类型的哲学家,他曾提出过鱼类和鸟类这样的概念。所有的对象都是唯一的,但同时也是具有相同的特性和行为的对象所归属的类的一部分。这种思想被直接应用于第一个面向对象语言Simula-67,它在程序中基本关键字class来引入新的类型。

Simula,就像其名字一样,是为了开发诸如经典的“银行出纳员问题”这样的仿真程序而创建的。在银行出纳员问题中,有出纳、客户、账户、交易和货币单位等许多“对象”。在程序执行期间具有不同的状态而其他方面都相似的对象会被分组到对象的类中,这就是关键字class的由来。创建抽象数据类型(类)是面向对象程序设计的基本概念之一。抽象数据类型的运行方式与内置类型几乎完全一致:你可以创建某一类型的变量(按照面向对象的说法,称其为对象或实例),然后操作这些变量(称其为发送消息或请求,发送消息,对象就知道要做什么)。每个类的成员或元素都具有某种共性:每个账户都有结余金额,每个出纳都可以处理存款请求等。同时,每个成员都有其自身的状态:每个账户都有不同的结余金额,每个出纳都有自己的姓名。因此,出纳、客户、账户、交易等都可以在计算机程序中被表示成唯一的实体。这些实体就是对象,每一个对象都属于定义了特性和行为的某个特定的类。

所以,尽管我们在面向对象程序设计中实际上进行的是创建新的数据类型,但事实上所有的面向对象程序设计语言都使用class这个关键词来表示数据类型。当看到类型一词时,可将其作为类来考虑,反之亦然。

因为类描述了具有相同特性(数据元素)和行为(功能)的对象集合,所以一个类实际上就是一个数据类型,例如所有浮点型数字具有相同的特性和行为集合。二者的差异在于,程序员通过定义类来适应问题,而不再被迫只能使用现有的用来表示机器中的存储单元的数据类型。可以根据需要,通过添加新的数据类型来扩展编程语言。编程系统欣然接受新的类,并且像对待内置类型一样地照管它们和进行类型检查。

面向对象方法并不是仅局限于构建仿真程序。无论你是否赞成一下观点,即任何程序都是你所设计的系统的一种仿真,面向对象技术的应用确实可以将大量的问题很容易地降解为一个简单的解决方案。

一旦类被建立,就可以随心所欲地创建类的任意个对象,然后去操作它们,就像它们是存在于你的待求解问题中的元素一样。事实上,面向对象程序设计的挑战之一,就是在问题空间的元素和解空间的对象之间创建一对一的映射。

但是,怎样才能获得有用的对象呢?必须有某种方式产生对对象的请求,使对象完成各种任务,如完成一笔交易、在屏幕上画图、打开开关等等。每个对象都只能满足某些请求,这些请求由对象的接口所定义,决定接口的便是类型。以电灯泡为例来做一个简单的比喻:

Light It = new Light();

It.on();

接口确定了对某一特定对象所能发出的请求。但是,在程序中必须有满足这些请求的代买码。这些代码与隐藏的数据一起构成了实现。从过程型编程的观点来看,这并不太复杂。在类型中,每一个可能的请求都有一个方法与之相关联,当向对象发送请求时,与之相关联的方法就会被调用。此过程通常被概括为:向某个对象“发送消息”(产生请求),这个对象便知道此消息的目的,然后执行对应的程序代码。

上例中,类型/类的名称是Light,特定的Light对象的名称是It,可以向Light对象发出的请求时:打开它、关闭它、将他调亮、将它调暗。你以下列方式创建了一个Light对象:定义这个对象的“引用”(It),然后调用new方法来创建该类型的新对象。为了向对象发送消息,需要声明对象的名称,并以圆点符号连接一个消息请求。从预定义类的用户观点来看,这些差不多就是用对象来进行设计的全部。

前面的图是UML(Unified Modelling Language,统一建模语言)形式的图,每个类都用一个方框表示,类名在方框的顶部,你所关心的任何数据成员都描述在方框的中间部分,方法(隶属于此对象的、用来接收你发给此对象的消息函数)在方框的底部。通常,只有类名和公共方法被示于UML设计图中,因此,方框的中部就像本例一样并未给出。如果只对类型感兴趣,那么方框的底部甚至也不需要给出。

每个对象都提供服务

当正在试图开发或理解一个程序设计时,最好的方法之一就是将对象想象为“服务提供者”。程序本身将向用户提供服务,它将通过调用其他对象提供的服务来实现这一目的。你的目标就是去创建(或者最好是在现有代码库中寻找)能够提供理想的服务来解决问题的一系列对象。

着手从事这件事的一种方式就是问一下自己:“如果我可以将问题从表象中抽取出来,那么什么样的对象可以马上解决我的问题呢?”例如,假设你正在创建一个薄记系统,那么可以想象,系统应该具有某些包括了预定义的薄记输入屏幕的对象,一个执行薄记计算的对象集合,以及一个处理在不同的打印机上打印支票和开发票的对象。也许上述对象中的某些已经存在了,但是对于那些并不存在的对象,它们看起来像什么样子?它们能够提供哪些服务?它们需要哪些对象才能履行它们的义务?如果持续这样做,那么最终你会说“那个对象看起来很简单,可以坐下来写代码了”,或者会说“我肯定那个对象已经存在了”。这是将问题分解为对象集合的一种合理方式。

将对象看作是服务提供者还有一个附带的好处:它有助于提高对象的内聚性。高内聚是软件设计的基本质量要求之一:这意味着一个软件构建(例如一个对象,当然它也有可能是指一个方法或一个对象库)的各个方面“组合”得很好。人们在设计对象时所面临的一个问题是,将过多的功能都塞在一个对象中。例如,在检查打印模式的模块中,你可以这样设计一个对象,让它了解所有的格式和打印技术。你可能会发现,这些功能对于一个对象来说太多了,你需要的是三个甚至更多个对象,其中,一个对象可以是所有可能的支票排版的目录,它可以被用来查询有关如何打印一张支票的信息;另一个对象(或对象集合)可以是一个通用的打印接口,它知道有关所有不同类型的打印机的信息(但是不包含任何有关薄记的内容,它更应该是一个需要购买而不是自己编写的对象);第三个对象通过调用另外两个对象的服务来完成打印任务。这样,每个对象都有一个它所能提供服务的内聚的集合。在良好的面向对象设计中,每个对象都可以很好地完成一项任务,但是它并不试图做更多的事。就像在这里看到的,不仅允许通过购买获得某些对象(打印机接口对象),而且还可以创建能够在别处复用的新对象(支票排版目录对象)。

将对象作为服务提供者看待是一件伟大的简化工具,这不仅在设计过程中非常有用,而且当其他试图理解你的代码或重用某个对象时,如果他们看出了这个对象所能提供的服务的价值,它会使调节对象以适应其设计的过程变得简单得多。

被隐藏的具体实现

将程序开发人员按照角色分为类创建者(那些创建新数据类型的程序员)和客户端程序员(那些在其应用中使用数据类型的类消费者)是大有裨益的。客户端程序员的目标是收集各种用来实现快速应用开发的类。类创建者的目标是构建类,这种类只向客户端程序员暴露必需的部分,而隐藏其他部分。为什么要这样呢?因为如果加以隐藏,那么客户端程序员将不能够访问它,这意味着类创建者可以任意修改被隐藏的部分,而不用担心对其他任何人造成影响。被隐藏的部分通常代表对象内部脆弱的部分,它们很容易被粗心的或不知情的客户端程序员所毁坏,因此将实现隐藏起来可以减少程序bug。

在任何相互关系中,具有关系所涉及的各方都遵守的边界是十分重要的事情。当创建一个类库时,就建立了与客户端程序员之间的关系,他们同样也是程序员,但是他们是使用你的类库来构建应用、或者构建更大的类库的程序员。如果所有的类成员对任何人都是可用的,那么客户端程序员就可以对类做任何事情,而不受任何约束。即使你希望客户端程序员不要直接操作你的类中的某些成员,但是如果没有任何访问控制,将无法阻止此事发生。所有东西都将赤裸裸地暴露于世人面前。

因此,访问控制的第一个存在原因就是让客户端程序员无法触及他们不应该触及的部分——这些部分对数据类型的内部操作来说是必需的,但并不是用户解决特定问题所需要的接口的一部分。这对客户端程序员来说其实是一项服务,因为他们可以很容易地看出哪些东西对他们来说很重要,而哪些东西可以忽略。

访问控制的第二个存在原因就是允许库设计者可以改变类内部的工作方式而不用担心会影响到客户端程序员。例如,你可能为了减轻开发任务而以某种简单的方式实现了某个特定类,但稍后发现你必须改写它才能使其运行得更快。如果接口和实现可以清晰地分离并得以保护,那么你就可以轻而易举地完成这项工作。Java用三个关键字在类的内部设定边界:public、private、protected。这些访问指定词决定了紧跟其后被定义的东西可以被谁使用。public表示紧随其后的元素对任何人都是可用的,而private这个关键字表示除类型创建者和类型的内部方法之外的任何人都不能访问的元素。private就像你与客户端程序员之间的一堵砖墙,如果有人试图访问private成员,就会在编译时得到错误信息。protected关键字与private作用相当,差别仅在于继承的类可以访问protected成员,但是不能访问private成员。稍后将会对继承进行介绍。

Java还有一种默认的访问权限,当没有使用前面提到的任何访问指定词时,它将发挥作用。这种权限通常被称为包访问权限,因为在这种权限下,因为在这种权限下,类可以访问在同一个包(库构建)中的其他类的成员,但是在包之外,这些成员如同指定了private一样。

复用具体实现

一旦类被创建并被测试完,那么它就应该(在理想情况下)代表一个有用的代码单元。事实证明,这种复用性并不容易达到我们所希望的那种程度,产生一个可复用的对象设计需要丰富的经验和敏锐的洞察力。但是一旦你有了这样的设计,它就可供复用。代码复用是面向对象程序设计语言所提供的最了不起的有点之一。

最简单地复用某个类的方式就是直接使用该类的一

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