第2章 物件導向技術導論 2-1 程式設計方法 2-2 抽象資料型態 2-3 物件導向的思維 2-4 物件導向技術的三大觀念

Presentation on theme: "第2章 物件導向技術導論 2-1 程式設計方法 2-2 抽象資料型態 2-3 物件導向的思維 2-4 物件導向技術的三大觀念"— Presentation transcript:

1 第2章 物件導向技術導論 2-1 程式設計方法 2-2 抽象資料型態 2-3 物件導向的思維 2-4 物件導向技術的三大觀念
2-5 物件導向程式語言

2 2-1 程式設計方法 2-1-1 非結構化程式設計 2-1-2 程序式與結構化程式設計 2-1-3 模組化程式設計
2-1-4 物件導向程式設計

3 2-1 程式設計方法-說明 一般來說，初學程式設計者在逐漸建立深厚的程式設計功力前，學習程式設計通常都會經歷數個學習過程，即四種「程式設計技術」（Programming Techniques），或稱為「程式設計風格」（Programming Styles），如下所示： 非結構化程式設計（Unstructured Programming）。 程序式程式設計（Procedural Programming）與結構化程式設計（Structured Programming）。 模組化程式設計（Modular Programming）。 物件導向程式設計（Object-Oriented Programming）。

4 2-1-1 非結構化程式設計 早期BASIC、機器語言或組合語言建立的程式，很多仍然是使用非結構化程式設計來建立程式碼。
對於C、C++或Java語言來說，所謂非結構化程式設計是指初學程式設計時，不論幾列的小程式或數百列程式碼的大程式，都只有一個main()主程式且不包含任何流程控制敘述的情況。非結構化程式設計的程式碼是使用線性方式來依序的執行，如右圖所示：

5 2-1-2 程序式與結構化程式設計 程序式程式設計是將程式中重複的程式片斷抽出成為程序（Procedures，或稱為Subroutine、Routine）或函數（Functions），也就是一段執行特定功能的程式區塊。 程式因為已經分割成程序，所以在main()主程式的程式碼只是依序呼叫不同程序或函數的程序呼叫（Procedure Call）。程式是使用流程控制連接程序，即目前程式設計最常使用的結構化程式設計，屬於程序式程式設計的子集，如右圖所示：

6 2-1-3 模組化程式設計 模組化程式設計是程序式程式設計的下一個階段，為了能夠重複使用程序式程式設計分割建立的程序，我們可以將相同功能的程序或函數結合在一起建立成獨立的「模組」（Modules），模組是處理指定功能的子程式，如下圖所示：

7 2-1-4 物件導向程式設計 模組化程式設計是物件導向程式設計的前身，只是沒有提供繼承和多形等物件導向觀念。物件導向程式設計是一種更符合人性化的程式設計方法，將原來專注於問題的分解，轉換成了解問題本質參與的東西，也就是「物件」（Object），如下圖所示：

8 2-2 抽象資料型態 2-2-1 程序或函數抽象化 2-2-2 資料抽象化 2-2-3 抽象資料型態 2-2-4 抽象資料型態與物件導向

9 2-2 抽象資料型態 物件導向程式設計的精神是資料抽象化，透過抽象資料型態建立電腦與真實世界之間的橋樑，描述和模擬真實世界的實體，即東西，簡單的說，物件導向程式設計就是一種抽象資料型態的程式設計。 「抽象化」（Abstraction）的主要目的是定義問題的二個屬性，如下所示： 資料（Data）：問題影響的資料。 操作（Operators）：問題產生的操作。

10 2-2-1 程序或函數抽象化-由上而下的設計方法
程序或函數抽象化（Procedure Abstraction or Function Abstraction）主要是針對傳統由上而下的設計方法，將問題分割成一個個子工作。 由上而下的設計方法（Top-down Design）是以程序為單位來切割工作，也就是所謂的「程序式程式設計」（Procedural Design）。 由上而下的設計方法是一種循序漸進了解問題的方法。筆者準備使用一個實例來說明分割工作的過程。

11 2-2-1 程序或函數抽象化-範例 例如：目前有一個工作是繪出房屋的圖形，房屋圖形的繪圖工作不是一筆畫就可以完成，所以，我們可以分割成多個小工作來分別處理，以由上而下的設計方法來了解整個繪圖工作的問題。

12 2-2-1 程序或函數抽象化-步驟一 從房屋繪圖工作可以粗分為三個小工作，如下所示：
繪出屋頂和外框。 繪出窗戶。 繪出門。 依據上述工作分割，可以建立各分割小工作之間的模組架構，如下圖所示： Call Draw Outline Call Draw Windows Call Draw Door

13 2-2-1 程序或函數抽象化-步驟二 將第一個小工作【繪出屋頂和外框】（Draw Outline）再次進行分割成二個小工作，如下所示：
繪出屋頂。 繪出房屋的外框。 Call Draw Roof Call Draw House Frame

14 2-2-1 程序或函數抽象化-其他步驟 現在，我們只需重複上述分析，一步一步向下進行分割工作，例如：因為窗戶有2個，所以【繪出窗戶】可以分為【繪出窗戶1】和【繪出窗戶2】；【繪出門】可以分為【繪出門框】和【繪出門把】。 最後，將問題分割成一個個小問題後，每一個小問題就是一個程序或函數，只需完成這些程序或函數就可以解決繪出房屋的問題。

15 2-2-1 程序或函數抽象化- 程序或函數抽象化(說明)
在由上而下設計方法分割的程序或函數之中，我們並不用考量實作的程式碼，只需定義好程序或函數使用介面的參數和傳回值，將它視為一個黑盒子，換句話說，程式可以使用任何符合介面的程序或函數來取代，稱為程序或函數抽象化。

16 2-2-1 程序或函數抽象化- 程序或函數抽象化(圖例)
例如：前述繪出房屋問題，我們可以將問題分解成一個個繪圖操作的程序，其最後結果如下圖所示：

17 2-2-2 資料抽象化 「資料抽象化」（Data Abstraction）是一種方法將基本資料型態的變數組合成複合資料（Compound Data），使用相關函數來處理複合資料，以便隱藏實際複合資料的儲存方式。 一般來說，程式語言如果沒有支援下一節的抽象資料型態，通常就是使用模組化程式設計來建立資料抽象化。例如：使用模組化程式設計建立「堆疊」（Stacks）資料結構，如下圖所示：

18 2-2-3 抽象資料型態-說明 「抽象資料型態」（Abstract Data Type，ADT）是使用資料抽象化的方法建立的自訂資料型態，抽象資料型態包含資料和相關操作，將資料和處理資料的操作一起思考，結合在一起，操作就是對外的使用介面，如下圖所示：

19 2-2-3 抽象資料型態-範例 我們可以將個人基本資料問題抽象化成Person模型，用來模擬真實世界的「人」實體，內含姓名name、地址address和電話號碼phone等資料，setPerson()指定個人資料，getName()、getAddress()和getPhone()取出個人資料的操作。Person抽象資料型態，如下圖所示：

20 2-2-4 抽象資料型態與物件導向-說明 物件導向程式設計的精神是資料抽象化的抽象資料型態，即類別，物件導向是將問題的資料屬性和資料本身的相關操作一起思考，不用考量其他資料或不相關操作，以便建立一個個完善定義的物件（Object）。 如果將第2-2-1節的繪出房屋範例看成堆積木遊戲，房屋可以使用一個個積木來堆出，著重於組成房屋元件的資料抽象化，即房屋是由房頂、窗戶、門和外框等物件組成。

21 2-2-4 抽象資料型態與物件導向-圖例

22 2-2-4 抽象資料型態與物件導向-模擬真實世界
簡單的說，物件導向程式設計就是在模擬真實世界，以便找出解決問題所需的物件集合和其關係，在物件之間是使用訊息建立互動，透過物件集合之間的合作來解決程式問題，如下所示： 程式 = 物件 + 訊息 如同車輛是由成千上萬個零件所組裝，物件導向程式設計可以視為是一種組裝工作，將眾多現成或擴充功能的物件結合起來。

23 2-3 物件導向的思維 2-3-1 物件 2-3-2 類別

24 2-3 物件導向的思維 物件導向技術源於1960年代的Simula程式語言，它是Simulation Language的簡稱，這是一種模擬語言，希望使用電腦程式來模擬真實世界的各種處理過程。 物件導向的思維就是我們現實生活的思維方式，人類自然的思考方式，其實各位讀者早已經知道，而且一直使用它來思考問題。

25 2-3-1 物件-說明 物件的英文是Object，在此筆者討論的是現實生活中的物件，並不是程式中的物件，物件的英文原意有物體、東西、對象和目的。 換句話說，物件不見的是一種看得到或摸得到的實體，它可能只是一個概念，一種我們可以認知的東西，如下圖所示：

26 2-3-1 物件-認知的東西 物件是一種可以認知的東西。例如：我們認知一輛車，是因為聯想到： 車子是紅色。 車子有四個門。 車子有四個輪胎。

27 2-3-2 類別-說明 當識別出物件後，物件導向技術的抽象化（Abstraction）就是從物件中抽出共通部分的特徵，排除其詳細部分，以物件導向技術來說，就是將物件抽象化成為類別（Class）。

28 2-3-2 類別-範例 例如：紅色汽車、白色貨車和銀色休旅車抽象化成陸上交通工具的車輛，然後進一步抽象化成交通工具，如下圖所示：

29 2-4 物件導向技術的三大觀念 2-4-1 物件觀念 2-4-2 訊息觀念 2-4-3 類別觀念

30 2-4 物件導向技術的三大觀念 物件導向技術有三大重要觀念：物件、訊息和類別，其簡單說明如下所示： 物件：提供資料和處理資料程序的封裝。
訊息：在物件之間的溝通方式，可以建立互動和支援多形。 類別：物件的分類，可以實作類別架構的繼承。

31 2-4-1 物件觀念-物件簡介 物件（Object）是物件導向技術的關鍵，以程式角度來說，它是電腦用來模擬現實生活的東西或事件，也是組成應用程式的元素。 物件是資料與相關處理資料的程序和函數結合在一起的組合體。資料是變數，程序和函數稱為方法（Methods），如下圖所示：

32 2-4-1 物件觀念-物件的三種特性 物件導向技術的物件是對應到現實生活的實體或事件，擁有三種特性，如下所示：
狀態（State）：物件所有「屬性」（Attributes）目前的狀態值，屬性是儲存物件的狀態，可以簡單到只是一個布林值變數，也可能是另一個物件。例如：車子的車型、排氣量、色彩和自排或手排等屬性，以程式來說，也就是資料部分的變數。 行為（Behavior）：行為是物件可見部分提供的服務，也就是塑模所抽象化的操作，可以做什麼事？程式語言是使用程序或函數來實作行為，稱為方法，例如：車子可以發動、停車、加速和換擋等。 識別字（Identity）：每一個物件都擁有獨一無二的識別字來識別它是不同的物件。例如：使用物件參考（Reference）作為物件的識別字，即物件實際儲存的記憶體位址。

33 2-4-1 物件觀念-物件的範例 物件可以模擬真實生活的東西，例如：Car1物件模擬一輛1800cc紅色四門的Sentra車子。Car1是物件的識別字，使用Car1識別字就可以在眾多模擬其他車輛的Car2、Car3、Car4….物件中，識別出是哪一輛車輛物件。

34 2-4-1 物件觀念-組合物件 「組合物件」（Composite Object）是指物件的屬性是另一個物件，例如：上述Car1物件door是整數的車門數，如果是車門Door物件時，Car1物件就是組合物件。

35 2-4-2 訊息觀念-訊息簡介 物件可以模擬現實生活的東西，但是現實生活中的東西會彼此互動。例如：學生要求成績（學生與成績物件）、約同學看電影（同學與同學物件）和學生彈鋼琴（學生與鋼琴物件）等互動。所以，我們建立的物件之間也需要互動，使用的媒介就是訊息（Messages）。 物件是使用訊息來模擬彼此之間的互動，換句話說，訊息是物件之間的溝通橋樑，可以啟動另一個物件來執行指定的行為。

36 2-4-2 訊息觀念-訊息範例 例如：Student學生物件需要查詢成績，學生成績是儲存在StudentStatus物件，此時Student物件可以送一個訊息給StudentStatus物件，告訴它需要查詢學生的成績，如下圖所示：

37 2-4-2 訊息觀念-訊息傳回值 在接收物件接到訊息後，就會執行指定方法，然後將回應訊息送回給發送物件（也可能沒有回應），稱為「傳回值」（Return Value）或回傳值，即查詢結果的學生成績，如下圖所示：

38 2-4-2 訊息觀念-循序操作(說明) 物件送出的訊息，有可能在接收物件執行方法後就產生回應訊息，也有可能是觸發另一個訊息，操作會繼續送出一系列訊息給其他物件，以便依序執行各物件的指定方法來完成整個操作，稱為「循序操作」（Sequential Operation）。

39 2-4-2 訊息觀念-循序操作(範例) 例如：學生平均成績的查詢是送訊息到Teacher物件執行average()方法，Teacher物件再觸發另一個訊息到StudentStatus物件查詢學生的三科成績，如下圖所示：

40 2-4-2 訊息觀念-名稱再用：過載 在程序式程式設計的程序或函數名稱是識別字，如同變數一般，需要與其他程序或函數擁有不同的名稱。例如：分別取得2個和3個參數最大值的函數，我們需要建立2個不同名稱的maxTwo(a1, a2)和maxThree(a1, a2, a3)函數。 對於物件導向技術來說，物件是依接收的訊息來執行方法，訊息內容有三種資訊，只需有差異就足以讓物件辨識出是不同的方法，所以，方法同名也沒有關係。例如：執行Utility物件max()方法的訊息，如下所示： Utility.max(23, 45); Utility.max(23, 45, 87); Utility.max(‘a’, ‘z’);

41 2-4-2 訊息觀念-名稱再用：多形 「多形」（Polymorphism）屬於另一種名稱再用，針對同一個訊息，不同的物件擁有不同的反應，也就是同一個名稱擁有不同的操作。因為在人類的思維中，對於同一種工作，就算對象不同，也會使用相同名稱的操作，如右圖所示：

42 2-4-3 類別觀念-類別簡介 在第2-4-1節我們模擬不同車輛的Car1、Car2、Car3、Car4…物件，因為物件都擁有相同的屬性和行為，只是狀態不同。簡單的說，這些物件屬於同一類物件，所以可以建立名為Car的範本來建立這些物件，如同工廠依照藍圖製造車輛，此範本就是類別，屬於同一類別的物件即該類別的「實例」（Instance），也稱為副本。 類別也可以想像成扮演的角色。例如：模擬教室上課，在同一間教室共有30人，其中1位是老師，其他是學生。換句話說，如果每一個人是一個物件，30個物件可以進一步分類成屬於Teacher類別和Student類別的物件集合，也就是哪些物件扮演老師；哪些物件是學生。

43 2-4-3 類別觀念-類別是物件的藍圖 類別是一種抽象資料型態，其目的是建立物件，使用類別建立的物件稱為類別的實例（Instance）。例如：使用Student類別建立29位Student物件，這些物件和類別擁有相同的屬性和行為，只是狀態值不同，即物件的變數值不同。例如：一位學生的姓名name是【陳會安】，另一位是【江小魚】，如下圖所示：

44 2-4-3 類別觀念-類別架構：繼承 在前面的例子中，學生和老師都是人，換言之，我們可以先定義Person類別來模擬人類，然後擴充Person類別建立Student和Teacher類別模擬學生和老師，稱為「繼承」（Inheritance），如右圖所示：

45 2-4-3 類別觀念-多重繼承 如果父類別不只一個，即同時繼承多個父類別，稱為「多重繼承」（Multiple Inheritance），如下圖所示：

46 2-4-3 類別觀念-類別關係(說明) 類別關係（Relationships）是指不同類別之間的關係。例如：繼承是一種Is-a的類別關係，UML稱為「一般關係」（Gereralization）。 結合關係（Association）是在建立類別之間互通訊息的管道，一種類別真正擁有指標指向其他物件的類別關係，其他物件為其屬性。另外還有強度更強的結合關係，稱為「成品和零件」（Whole-Part），即Part-of和Has-a關係。

47 2-4-3 類別觀念-類別關係(圖例)

48 2-4-3 類別觀念-類別關係(圖例說明) Part-of和Has-a關係的說明，如下所示：
Part-of關係：指此類別是其他類別的零件，以上圖為例Wheel車輪和Driving Computer行車電腦是Car車類別的零件。 Has-a關係：相反於Part-of關係，Car類別Has-a擁有Wheel和Driving Computer類別。

49 2-4-3 類別觀念-抽象類別 「抽象類別」（Abstract Class）是一種不能完全代表物件的類別，抽象類別並不能建立實例，只是擁有眾多類別的共同部分，其主要目的是作為其他類別的父類別。例如：哺乳類動物的分類，如右圖所示：

50 2-5 物件導向程式語言 2-5-1 物件導向程式語言的特點 2-5-2 常用的物件導向程式語言

51 2-5-1 物件導向程式語言的特點-封裝 封裝 封裝（Encapsulation）是將資料和處理資料的程序與函數組合起來建立物件。在C++、C#和Java語言定義物件是使用「類別」（Class），內含屬性和方法，屬於一種抽象資料型態（Abstract Data Type），換句話說，就是替程式語言定義新的資料型態。

52 2-5-1 物件導向程式語言的特點-繼承 繼承 繼承（Inheritance）是物件的再利用，當定義一個類別後，其他類別可以繼承這個類別的資料和方法，並且新增或取代繼承物件的資料和方法。

53 2-5-1 物件導向程式語言的特點-多形 多形 多形（Polymorphism）屬於物件導向最複雜的特性，類別如果需要處理各種不同資料型態時，並不需要針對不同資料型態來建立不同的類別，可以直接繼承基礎類別，也就是繼承此類別建立同名方法來處理不同的資料型態，因為方法的名稱相同，只是程式碼不同，所以也稱為「同名異式」。

54 2-5-2 常用的物件導向程式語言 最早的物件導向程式語言是Simula，這是在1960年代末期Norweigian Computing Center開發的程式語言，接著是1970年代由Xerox Palo Alto研發中心開發的Smalltalk語言，目前比較重要的物件導向程式語言有： Java C++ .NET的C# .NET的Visual Basic

55 End