设计模式学习笔记 - 面向对象 - 2.封装、抽象、继承、多态分别用来解决哪些问题？

1.封装

封装也叫作信息隐藏或者数据访问保护。类通过暴露有限的访问接口，授权外部仅能通过类提供的方法（或者叫作函数）来访问内部信息或数据。

下面这段代码是一个简化版的虚拟钱包的代码实现。在金融系统中，我们会给每个用户创建一个虚拟钱包，用来记录用户在我们系统中的虚拟货币量。

public class Wallet {private String id;private long createTime;private long balance;private long balanceLastModifiedTime;//...public Wallet() {this.id = IdGenerator.getInstance().generate();this.createTime = System.currentTimeMillis();this.balance = 0L;this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();}// 下面对 get 方法做了代码折叠，是为了减少代码所占的篇幅public String getId() { return this.id; }public long getCreateTime() { return this.createTime; }public long getBalance() { return this.balance; }public long getBalanceLastModifiedTime() { return this.balanceLastModifiedTime; }public void increaseBalance(long increasedAmount) {if (increasedAmount < 0L) {throw new InvalidAmountException("...");}this.balance += increasedAmount;this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();}public void decreaseBalance(long decreasedAmount) {if (decreasedAmount < 0L) {throw new InvalidAmountException("...");}if (decreasedAmount > this.balance) {throw new InsufficientAmountException("...");}this.balance -= increasedAmount;this.balanceLastModifiedTime = System.currentTimeMillis();}
}

从代码中可以发现，Wallet 类主要有四个属性（也就做成员变量），就是我们前面定义中提到的信息或数据。

id 表示钱包的唯一编号
createTime 表示钱包的创建时间
balance 表示钱包中的余额
balanceLastModifiedTime 表示上次余额变更时间

按照封装特性，对钱包的四个属性的访问进行了限制。调用者只允许通过下面的方法来访问或者修改钱包里的数据。

getId()
getCreateTime()
getBalance()
getBalanceLastModifiedTime()
increaseBalance()
decreaseBalance()

之所以这样设计，是因为从业务角度来说，id、createTime 在创建钱包时就确定好了，之后不应该在改动，所以并没有提供修改这两个属性的方法，比如 set 方法。

对于钱包余额 balance 来说，只能增加或者减少，不会被重新设置，所以，只提供了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 方法，并没有暴露 set 方法。

对于 balanceLastModifiedTime 这个属性，它完全是根balance 这个属性的修改绑定在一起的。只有在 balance 修改时，这个属性才会被修改。所以，我们把 balanceLastModifiedTime 这个属性的修改操作完全封装在了 increaseBalance() 和 decreaseBalance() 方法中，不对外暴露任何修改这个属性的方法和细节。这样也可以保证 balance 和 balanceLastModifiedTime 两个数据的一致性。

对于封装这个特性，需要编程语言本身提供一定的语法机制来支持，这个机制就是访问权限控制。例子中的 private、public 等关键字就是 Java 语言中的访问权限控制语法。

private 关键之修饰的熟悉只能类本身访问，可以保护其不被类之外的代码直接访问。
public 则是所有的代码都可以访问。

上面讲了封装的定义，那么封装的意义是什么？他能解决什么编程问题呢？

如果我们对类中属性的访问不做任何限制，那任何代码都可以访问、修改属性，虽然这样看起来很灵活，但是也意味着不可控，属性可能被以各种奇葩的方式修改，而修改的逻辑可能散落在代码的各个角落，势必影响代码的可读性、可维护性。

除此之外，类通过有限的方法暴露必要的操作，能提高类的易用性。如果我们把类属性都暴露给类的调用者，调用者想要正确地操作这些属性，就势必对业务细节有足够的了解。而这对于调用者来说也是一种负担。而我们把属性封装起来，暴露少许几个必要的方法给调用者，调用者就不需要了解太多背后的业务细节，用错的概率就减少很多。

2.抽象

封装主要讲的是如何隐藏信息、保护数据，而抽象讲的是如何隐藏方法的具体实现，让调用者只关心方法提供了哪些功能，并不需要知道这些功能是如何实现的。

在面向对象编程中，我们长借助编程语言提供的接口类（比如 Java 中的 interface 关键字）或者抽象类（比如 Java 中的 abstract 关键字）这两种语法机制，来实现抽象这一特性。

举一个例子来解释下。

public interface IPictureStorage {void savePicture(Picture picture);Image getPicture(String pictureId);void deletePicture(String pictureId);void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo);
}public class PictureStorage implements IPictureStorage {// ...@Overridepublic void savePicture(Picture picture) {...}@Overridepublic Image getPicture(String pictureId) {...}@Overridepublic void deletePicture(String pictureId) {...}@Overridepublic void modifyMetaInfo(String pictureId, PictureMetaInfo metaInfo) {...}}

上面的代码，使用了 Java 中的 interface 接口语法来实现抽象特性。调用者在使用图片存储功能时，只要了解 IPictureStorage 这个接口暴露了哪些方法就可以了，不需要去查看 PictureStorage 类里面的具体实现。

抽象的意义是什么？它能解决什么问题？

其实，抽象以及封装都是人类处理复杂问题的有效手段。在面对复杂系统的时候，人脑能承受的复杂度时有限的，所以我们必须忽略掉一些非关键性的实现细节。而抽象作为一种只关注功能点不关注实现的设计思路，正好帮我们的大脑过滤掉许多非必要的信息。

此外，抽象作为一个非常宽泛的设计思路，在代码设计中，起到非常重要的指导作用。很多设计原则都体现了抽象这种设计思想，比如基于接口而非实现编程、开闭原则（对扩展开发、对修改关闭）、代码解耦等。

换一个角度劳考虑，我们在定义类的方法时，也要有抽象思维，不要在方法定义中，暴露太多细节，以保证在某个时间点需要改变方法的实现逻辑时，不用去修改其定义。举个简单例子，比如 getAliyunPictureUrl() 就不是一个具有抽象思维的命名，因为如果哪天我们不再把图片存储在阿里云上，而是存储在私有云上，那这个命名也要随之修改。相反，如果我们定义一个比较抽象的函数，比如叫做 getPictureUrl() ，那几遍内部存储方式修改了，也不需要修改命名。

3.继承

如果你熟悉 Java、C++ 这样的面向对象编程语言，那你对继承这一特性应该不陌生了。继承是用来表示类之间的 is-a 关系，比如猫是一种哺乳动物。从继承关系上来讲，继承可以分为单继承和多继承模式。

单继承表示一个子类只继承一个父类
多继承表示一个子类可以继承多个父类，比如脑既是哺乳动物，又是爬行动物。

编程语言需要提供特殊的语法来支持继承这个特性，比如 Java 使用 extends 关键字来实现继承，C++ 使用冒号（class B : public A）等等。另外，有些编程语言支持单继承，有些编程语言支持多重继承。

继承存在的意义是什么？它能解决什么问题？

继承最大的好处就是代码复用。比如，两个类有相同的属性和方法，我们可以把相同的部分抽取到父类中，让两个子类继承父类。这样，两个子类就可以重用父类中的代码，避免代码重复写多遍。

不过，我们可以使用其他方式来解决代码复用这个问题，比如利用组合关系。

不过，过度使用继承，继承层次过深，就会导致代码可读性、可维护下变差。为了了解一个类的功能，我们不仅需要查看这个类的代码，还要按照继承关系一层层地网上查看“父类、父类的父类、…” 代码。还有，子类和父类高度耦合，修改父类的代码，会直接影响到子类。

4.多态

多态是指，子类可以替换父类，在实际的代码运行过程中，调用子类的方法实现。对于多态，纯文字不好解释，我们结合例子来看一下。

public class DynamicArray {private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;protected int size = 0;protected int capacity = DEFAULT_CAPACITY;protected Integer elements = new Integer[DEFAULT_CAPACITY];public int size() { return this.size; }public Integer get(int index) { return elements[index]; }//...public void add (Integer e) {ensureCapacity();elements[size++] = e;}protected void ensureCapacity() {// ...如果数组满了就扩容...}
}public class StortedDynamicArray extends DynamicArray {@Overridepublic  void add (Integer e) {ensureCapacity();int i;for (i = this.size - 1; i >= 0; i--) { // 保证数组中的数据有序if (elements[i] > e) {elements[i+1] = elements[i];} else {break;}}elements[i+1] = e;++size;}
}public class Example {public static void main(String args[]) {DynamicArray dynamicArray = new StortedDynamicArray();dynamicArray.add(5);dynamicArray.add(1);dynamicArray.add(3);for (int i = 0; i < dynamicArray.size; i++) {System.out.println(dynamicArray.get(i));}}
}

多态这种特性要和需要编程语言提供特殊的语法机制来实现。在上面的例子中，使用到了三个语法机制来实现多态。

第一个语法机制，是编程语言要支持父类对象可以引用子类对象，就是将 StortedDynamicArray 传递给 DynamicArray。
第二个语法机制，是编程语言要支持继承，也就是 StortedDynamicArray 继承了 DynamicArray。
第三个语法机制，是编程语言要支持子类可以重写（Override）父类中的方法，也就是 StortedDynamicArray 重写了 DynamicArray 的 add() 方法。

通过这三种语法机制配合在一起，就实现了在 test() 方法中，子类 StortedDynamicArray 替换父类 DynamicArray，执行 StortedDynamicArray 的 add() 方法。

对于多态这种特性，除了使用“继承家方法重写”这种方式之外，还可以利用接口类语法以及 duck-typing 语法。

接下来，先看下如何利用接口类来实现多态特性。

public interface Iterator {boolean hasNext();String next();String remove();
}public class Array implements Iterator {private String[] data;public boolean hasNext() { ... } public String next() { ... } public String remove() { ... }//...省略其他方法...
}public class LinkedList implements Iterator {private LinkedListNode head;public boolean hasNext() { ... } public String next() { ... } public String remove() { ... } //...省略其他方法...
}public class Demo {private static void print(Iterator iterator) { while (iterator.hasNext()) { System.out.println(iterator.next());}}public static void main(String[] args) {Iterator arrayIterator = new Array();print(arrayIterator);Iterator linkedListIterator = new LinkedList();print(linkedListIterator);}
}

在这段代码中，Iterator 是一个接口类，定义了一个可以遍历集合数据的迭代器。Array 和 LinkedList 都实现了 Iterator 接口。我们通过传递不同的实现类到 print(Iterator iterator) 函数中，支持动态地调用不同的 next()、hasNext() 实现。

刚刚讲的是用接口类来实现多态。现在，我们在看下，如何用 duck-typing 来实现多态特性。下面是一段 python 代码例子。

class Logger:def record(selt):print("I write a log into file.")class DB:def record(selt):print("I insert a log into db.")def test(recorder):recorder.record()def demo():logger = Logger()db = DB()test(logger)test(db)

从这段代码，我们发现，duck-typing 实现多态的方式非常灵活。Logger 和 DB 两个类没有任何关系，既不是继承关系，也不是接口和实现关系，但是只要它们都定义了 record() 方法，就可以被传递到 test() 方法中，在实际运行的时候，执行对应的方法。

也就是说，只要两个类具有相同的方法，就可以实现多态，并不要求两个类之间有任何关系，这就是所谓的 duck-typing，它是一些动态语言所特有的语法机制。而像 Java 这样的静态语言，通过继承实现多态特性，必须要求两个类之间有继承关系或者是接口-实现的关系。

多态存在的意义是什么？它能解决什么问题？

多态可提供代码的可扩展性和复用性。可以回头看看刚刚举的第二个例子（Iterator 的例子）。

在那个例子中，利用多态的特性，仅用一个 print() 函数就可以实现遍历打印不同类型集合的数据。当再增加一种要遍历打印类型的时候，比如 HashMap，我们只要让它实现 Iterator 接口，重新实现自己的 hasNext()、next() 等方法就可以了，完全不需要改动 print() 函数的代码。所以说，多态提高了代码的可扩展性。

如果不使用多态，就无法将不同的集合类型传递给相同的函数，需要针对每种集合，都要实现打印函数。

此外，多态也是很多设计模式、设计原则、编程技巧的代码实现基础，比如策略模式、基于接口而非实现编程、依赖倒置原则、里氏替换原则、利用多态去掉冗长的 if-else 语句等等。