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面向对象软件编程——OOP入门实践

news 来源：原创 2024/9/20 22:39:04

工作一段时间了，工作内容趋向于算法模型的复现，就是复现论文算法然后结合业务逻辑开发软件。但是在设计和开发软件时，发现对于OOP理念和软件的设计原则等在实战中还是非常缺乏。于是开始补习，基础软件开发技术。

书籍：《深入浅出WPF》

作者：刘铁猛

序：WPF（Windows Presentation Foundation）编写程序表示层的技术与工具。

程序架构： 表示层（View）<-->业务逻辑层（ViewModel）<-->数据层（Model）。也就是一般常说的MVVM。

数据模型：现实世界中事物和逻辑的抽象。

业务逻辑：数据模型之间的关系与交互。

用户界面：由控件构成的、与用户进行交互的界面，用于把数据展示给用户并响应用户的输入。

好，序结束了，本书可以暂告一段落了。先插入OOP，再来WPF的具体开发。

OOP（Object-Oriented Programming）实践：（以下代码示例由ChatGPT给出）

目录

1. 对象组合

1.1 一对一对象组合：两种典型的对象组合方式

1.1.1 方式一： 完全包容

1.1.2 方式二：独立方式

1.2 一对多

​编辑

1.2.1 方式一：完全包含

1.2.2 方式二：独立方式

1.3 延时动态对象组合

1.4 对象组合的特殊形式——自引用类

示例：链表中的自引用

自引用类的应用场景：

自引用类的特点：

1. 对象组合

假设我们有一个 Engine 类和一个 Wheels 类，通过组合它们，我们可以创建一个 Car 类，而不必通过继承的方式来实现。

class Engine:def start(self):print("Engine started")class Wheels:def roll(self):print("Wheels rolling")class Car:def __init__(self, engine, wheels):self.engine = engineself.wheels = wheelsdef drive(self):self.engine.start()self.wheels.roll()# 使用对象组合
engine = Engine()
wheels = Wheels()
car = Car(engine, wheels)
car.drive()

1.1 一对一对象组合：两种典型的对象组合方式

1.1.1 方式一： 完全包容

在面向对象编程中，如果对象 A 完全包容对象 B，并且容器对象 A 管理被包容对象 B 的生命周期，这种关系通常被称为 组合（Composition）。

下面是一个使用 C# 语言的例子，

  • Engine 类 定义了引擎的启动和停止行为。

  • Car 类 内部包含一个 Engine 对象，并在 Car 对象的构造函数中创建该对象。

  • Car 类 通过 Drive 和 Stop 方法来操作其内部的 Engine 对象。

  • 当 Car 对象被销毁时，Engine 对象也随之被销毁。这种关系说明 Car 对象完全控制了 Engine 对象的生命周期。

在这个例子中，Car 对象是容器对象，它负责创建和销毁 Engine 对象，展示了组合关系中的生命周期管理。

using System;class Engine
{public void Start(){Console.WriteLine("Engine started");}public void Stop(){Console.WriteLine("Engine stopped");}
}class Car
{private Engine _engine;public Car(){_engine = new Engine();  // Car对象创建时，同时创建Engine对象}public void Drive(){_engine.Start();Console.WriteLine("Car is driving...");}public void Stop(){_engine.Stop();Console.WriteLine("Car has stopped.");}~Car(){// 在Car对象销毁时，同时销毁Engine对象Console.WriteLine("Car is being destroyed, so is the engine.");_engine = null;}
}class Program
{static void Main(){Car car = new Car();car.Drive();car.Stop();// Car对象出作用域时，垃圾回收器将最终销毁Car对象和它包含的Engine对象}
}

1.1.2 方式二：独立方式

在面向对象编程中，如果对象 B 是独立的，并且对象 A 只是引用一个现成的 B 对象，而不负责管理 B 对象的生命周期，这种关系通常被称为 聚合（Aggregation）。在聚合关系中，被引用的对象可以被多个其他对象共享，它的生命周期独立于引用它的对象。

  • Engine 类 定义了引擎的启动和停止行为，与前面的例子相同。

  • Car 类 在其构造函数中接受一个 Engine 对象的引用，但并不创建或销毁该对象。

  • 在 Main 方法中，sharedEngine 是一个独立的 Engine 对象，它的生命周期独立于任何 Car 对象。

  • Car1 和 Car2 都引用同一个 sharedEngine 对象，这表明它们之间存在聚合关系。

在这个例子中，Car 对象和 Engine 对象之间的关系是聚合关系，因为 Car 对象只引用现成的 Engine 对象，而不管理它的生命周期。

using System;class Engine
{public void Start(){Console.WriteLine("Engine started");}public void Stop(){Console.WriteLine("Engine stopped");}
}class Car
{private Engine _engine;// 构造函数接受一个现成的 Engine 对象public Car(Engine engine){_engine = engine;}public void Drive(){_engine.Start();Console.WriteLine("Car is driving...");}public void Stop(){_engine.Stop();Console.WriteLine("Car has stopped.");}
}class Program
{static void Main(){Engine sharedEngine = new Engine();  // 创建一个独立的 Engine 对象Car car1 = new Car(sharedEngine);  // 引用现成的 Engine 对象Car car2 = new Car(sharedEngine);  // 另一个 Car 对象也引用同一个 Engine 对象car1.Drive();car1.Stop();car2.Drive();car2.Stop();// sharedEngine 对象的生命周期独立于 car1 和 car2}
}

1.2 一对多

1.2.1 方式一：完全包含

一对多完全包容的特点：

  • 生命周期管理：容器对象（如 Team）负责管理所有子对象（如 Player）的生命周期。一旦容器对象销毁，所有子对象也会被销毁。

  • 封装性：所有子对象都被容器对象内部管理，外部不需要直接处理这些子对象。

  • 统一管理：通过使用集合类型（如 List<Player>），可以方便地对多个子对象进行统一管理和操作。

一对多组合关系的例子，其中一个 Team 对象完全包容并管理多个 Player 对象：

using System;
using System.Collections.Generic;class Player
{public string Name { get; }public Player(string name){Name = name;}public void Play(){Console.WriteLine($"{Name} is playing.");}
}class Team
{private List<Player> _players;public Team(){_players = new List<Player>();  // 初始化列表以管理多个Player对象}public void AddPlayer(string playerName){Player player = new Player(playerName);  // 创建并添加新Player对象_players.Add(player);}public void PlayGame(){Console.WriteLine("The team is playing the game:");foreach (var player in _players){player.Play();}}~Team(){// 在Team对象销毁时，Player对象会随之销毁Console.WriteLine("Team is being destroyed, so are the players.");_players.Clear();}
}class Program
{static void Main(){Team team = new Team();team.AddPlayer("Alice");team.AddPlayer("Bob");team.AddPlayer("Charlie");team.PlayGame();// 当 team 对象出作用域并被垃圾回收时，Player 对象也会被销毁}
}

1.2.2 方式二：独立方式

一对多独立关系的特点：

  • 独立的生命周期：Student 对象的生命周期独立于 School 对象，即使 School 对象被销毁，Student 对象依然可以存在并被其他对象引用。

  • 共享性：多个 School 对象可以共享同一个 Student 对象，或者 Student 对象可以被其他地方使用，而不仅仅是被某个特定的 School 对象引用。

  • 低耦合性：School 对象和 Student 对象之间的关系是低耦合的，School 仅仅是引用和使用 Student，而不负责其生命周期管理。

一对多聚合关系的例子，其中一个 School 对象引用多个独立的 Student 对象：

using System;
using System.Collections.Generic;class Student
{public string Name { get; }public Student(string name){Name = name;}public void Study(){Console.WriteLine($"{Name} is studying.");}
}class School
{private List<Student> _students;public School(){_students = new List<Student>();  // 初始化列表用于引用多个Student对象}public void AddStudent(Student student){_students.Add(student);  // 将独立的Student对象添加到School中}public void StartClasses(){Console.WriteLine("School is starting classes:");foreach (var student in _students){student.Study();}}
}class Program
{static void Main(){// 创建独立的Student对象Student student1 = new Student("Alice");Student student2 = new Student("Bob");Student student3 = new Student("Charlie");// 创建School对象School school = new School();// 将Student对象添加到School中school.AddStudent(student1);school.AddStudent(student2);school.AddStudent(student3);// 开始上课，所有学生都参与学习school.StartClasses();// Student对象的生命周期独立于School对象// 即使School对象销毁，Student对象仍然存在并可以被其他对象引用}
}

1.3 延时动态对象组合

延时动态对象组合是一种设计模式，其中对象的组合并不是在对象创建时立即完成，而是在需要时动态地完成。这种模式通常用于延迟初始化，资源管理，或者当组合的对象在创建时不一定存在时。通过延时组合，可以提高系统的灵活性和性能，特别是在对象的创建和初始化成本较高的情况下。

延时动态对象组合的优势：

  • 性能优化：对象只在需要时才会被创建，节省了系统资源，特别是当对象创建代价高或对象不一定总是需要时。

  • 提高灵活性：延迟初始化允许系统在不同的时间点根据需要动态组合对象，从而可以灵活地响应运行时的需求。

  • 资源管理：避免在程序启动时创建不必要的对象，减少内存占用和初始化时间。

一个 Document 对象，其中包含一个 Printer 对象。Printer 对象只有在需要时才会被创建和初始化：

using System;class Printer
{public Printer(){Console.WriteLine("Printer is initialized.");}public void Print(string content){Console.WriteLine($"Printing: {content}");}
}class Document
{private Printer _printer;// 延时初始化 Printer 对象public Printer Printer{get{if (_printer == null){_printer = new Printer();  // 在需要时才初始化 Printer 对象}return _printer;}}public void PrintDocument(string content){Console.WriteLine("Preparing to print document...");Printer.Print(content);  // 使用延时初始化的 Printer 对象进行打印}
}class Program
{static void Main(){Document doc = new Document();// Document 对象创建时，Printer 对象尚未初始化Console.WriteLine("Document created.");// 只有在需要打印时，Printer 对象才会被初始化doc.PrintDocument("Hello, World!");// 如果不需要打印，Printer 对象将不会被创建}
}
Document created.
Preparing to print document...
Printer is initialized.
Printing: Hello, World!

解释：

  • Printer 类：定义了一个 Printer 对象，它有一个 Print 方法用于打印内容。在创建 Printer 对象时会输出初始化信息。

  • Document 类：

    • 包含一个私有的 Printer 字段 _printer，初始值为 null。

    • 通过一个 Printer 属性进行延时初始化。只有在第一次访问 Printer 属性时，_printer 才会被创建和初始化。

    • PrintDocument 方法中使用了 Printer 属性。当需要打印文档时，Printer 对象才会被动态创建和使用。

  • Main 方法：

    • 创建了一个 Document 对象时，并没有立即创建 Printer 对象。

    • 只有在调用 PrintDocument 方法时，Printer 对象才会被初始化和使用。

    • 上述两种非延时动态对象组合的方式，在Main中将所有独立的对象都进行了初始化，或者通过对象A的初始化是，对象B也在对象A的类内部进行了初始化。

1.4 对象组合的特殊形式——自引用类

自引用类是一种特殊形式的对象组合，其中一个类包含一个对同类对象的引用。自引用类常用于构建递归结构或树形结构，如链表、树、图等数据结构。通过自引用，一个对象可以引用另一个同类型的对象，形成层次化或递归的结构。

示例：链表中的自引用

链表是一个常见的自引用结构。每个节点（Node）都包含一个数据部分以及一个指向下一个节点的引用。这种结构允许创建一个动态大小的序列。

使用 C# 实现的单向链表，其中 Node 类是一个自引用类：

using System;class Node
{public int Data { get; set; }public Node Next { get; set; }  // 自引用，指向同类型的下一个节点public Node(int data){Data = data;Next = null;}
}class LinkedList
{private Node head;public LinkedList(){head = null;}// 添加节点到链表末尾public void Add(int data){Node newNode = new Node(data);if (head == null){head = newNode;  // 链表为空时，设置新节点为头节点}else{Node current = head;while (current.Next != null){current = current.Next;  // 找到链表的最后一个节点}current.Next = newNode;  // 将新节点连接到链表末尾}}// 打印链表中的所有节点public void PrintAllNodes(){Node current = head;while (current != null){Console.WriteLine(current.Data);current = current.Next;}}
}class Program
{static void Main(){LinkedList list = new LinkedList();list.Add(1);list.Add(2);list.Add(3);list.PrintAllNodes();  // 输出链表中的所有节点值}
}

自引用类的应用场景：

  • 链表：如示例中的单向链表、双向链表、循环链表等。

  • 树结构：如二叉树、B 树、红黑树等，每个节点包含对子节点的引用。

  • 图结构：节点间包含相互引用，形成复杂的网络关系。

  • 递归结构：支持递归定义和操作的复杂数据结构。

自引用类的特点：

  • 递归结构：自引用类可以自然地表达递归结构，适用于分层或递归数据的表示和操作。

  • 动态结构：通过自引用，可以构建动态大小和深度的数据结构，如链表和树。

  • 灵活性：自引用允许对象在运行时动态地链接和操作其他同类对象，提供灵活的数据管理能力。

自引用类的设计模式在构建动态、递归或分层结构时非常有用，广泛应用于各种数据结构和算法中。

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