面向对象编程的五大原则，你了解吗？

面向对象编程的五大原则，你了解吗？

一、面向对象编程的概念

面向对象编程，是一种程序设计范式，也是一种编程语言的分类。它以对象作为程序的基本单元，将算法和数据封装其中，程序可以访问和修改对象关联的数据。这就像我们在真实世界中操作各种物体一样，比如我们可以打开电视、调整音量、切换频道，而不需要知道电视的内部如何工作。同样，在面向对象编程中，我们可以操作对象，而不需要关心对象的内部结构和实现。

面向对象编程的主要组成部分是类和对象。类是一组具有相同属性和功能的对象的抽象，就好比我们说的“汽车”这个概念，它具有颜色、型号、速度等属性，有启动、加速、刹车等功能。而对象则是类的实例，它是具体的，就像你家那辆红色的奔驰车，它就是汽车这个类的一个实例。

二、面向对象编程的特性

面向对象编程有三大特性，封装、继承和多态。

1. 封装

封装是把客观事物封装成抽象的类，并隐藏实现细节，使得代码模块化。比如，我们可以把“汽车”这个客观事物封装成一个类，这个类有颜色、型号等属性，有启动、加速、刹车等方法，而这些属性和方法的具体实现则被隐藏起来，使用者只需要知道这个类有哪些属性和方法，不需要知道这些方法是如何实现的。

2. 继承

继承是面向对象编程的另一个重要特性，它提供了一种无需重新编写，使用现有类的所有功能并进行扩展的能力。比如，我们可以定义一个“电动车”类，它继承了“汽车”类，就自动拥有了“汽车”类的所有属性和方法，比如颜色、型号等属性，启动、加速、刹车等方法，然后我们还可以在“电动车”类上增加一些新的属性和方法，比如电池容量、充电方法等。

3. 多态

多态是指同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。比如，我们定义了一个“汽车”类，它有一个“启动”方法，然后我们又定义了一个“电动车”类，它继承了“汽车”类，也有一个“启动”方法，但是“电动车”类的“启动”方法的实现可能与“汽车”类的不同，这就是多态。

三、面向对象编程的理念

面向对象编程有两个主要的理念，基于接口编程和组合优于继承。

1. 基于接口编程

基于接口编程的理念是，使用者不需要知道数据类型、结构和算法的细节，只需要知道调用接口能够实现功能。这就像我们使用电视遥控器一样，我们不需要知道遥控器内部的电路设计和工作原理，只需要知道按哪个按钮可以打开电视，按哪个按钮可以调节音量。

基于接口编程有很多好处，这里简单列几条。

首先，基于接口编程可以提高代码的灵活性。因为我们的代码不依赖于具体的实现，所以当实现变化时，我们的调用代码不需要做任何修改。比如有一个程序需要读取数据，数据可能来自于数据库、文件或者网络，无论数据来自哪里，调用方只访问“数据读取”接口，实现可以根据场景任意调整。

其次，基于接口编程可以提高代码的可测试性。因为接口只是一个规范，没有具体的实现，所以我们可以方便地为接口创建模拟对象（Mock Object），这样就可以在没有实际环境的情况下进行单元测试。比如说，我们可以创建一个模拟的“数据读取”接口，让它返回一些预设的数据，然后我们就可以在没有数据库或者文件的情况下测试我们的代码。

最后，基于接口编程也可以提高代码的可读性。因为接口清晰地定义了功能，所以只要看接口，就可以知道代码应该做什么，而不需要关心代码是怎么做的。这就像我们使用电视遥控器，我们不需要知道遥控器是怎么工作的，只需要知道按这个按钮可以换台，按那个按钮可以调节音量。

使用接口有利于抽象、封装和多态。

2. 组合优于继承

尽管继承可以使我们更容易地重用和扩展代码，但是如果继承层次过深、继承关系过于复杂，就会严重影响代码的可读性和可维护性。比如我们修改了基类，就可能影响到继承它的子类，这会增加迭代的风险。因此，我们更倾向于使用组合而不是继承。比如，我们可以定义一个“电动车”类，它包含“电池系统”、“制动系统”、“车身系统”、“转向系统”等组件，而不是继承“汽车”类。

这里我们再列举下组合的几个好处:

首先，组合可以让我们的代码更加灵活。因为我们可以随时添加、删除或者替换组件，而不需要修改组件的内部实现。比如，如果我们想要改变汽车的发动机，只需要换掉发动机这个组件就可以了，而不需要修改汽车或者发动机的代码。

其次，组合可以让我们的代码更容易理解。因为每个组件都是独立的，有明确的功能，所以我们可以分别理解和测试每个组件，而不需要理解整个系统。

最后，组合可以减少代码的复杂性。因为我们不需要创建复杂的类层次结构，所以我们的代码会更简单，更易于维护。

总的来说，“组合优于继承”是一种编程实践，它鼓励我们使用更简单、更灵活的组合，而不是更复杂、更脆弱的继承。这并不是说继承是坏的，而是说在许多情况下，组合可能是一个更好的选择。

3.控制反转代码示例

具体到编程中，很多同学可能使用过控制反转或者依赖注入，控制反转就是一种基于接口的组合编程思想。在传统的编程模式中，我们通常是在需要的地方创建对象，然后调用对象的方法来完成一些任务。但是在使用了控制反转之后，对象的创建和管理工作不再由我们自己控制，而是交给了一个外部的容器（也就是所谓的平台），我们只需要在需要的地方声明我们需要什么，然后容器会自动为我们创建和注入需要的对象。这就是所谓的依赖注入（Dependency Injection，简称DI），它是实现控制反转的一种方法。

为了让大家更好理解依赖注入，我这里贴一个Java的例子，程序基于 Spring Boot 框架。

在这个例子中，我们有一个 MessageService 接口和一个实现类 EmailService。然后我们有一个MessageClient类，它依赖于MessageService来发送消息。

首先，定义一个MessageService接口：

public interface MessageService {
    void sendMessage(String message, String receiver);
}

然后，创建实现类，在Spring Boot中，我们可以使用@Component或@Service等注解来让Spring自动创建Bean。然后在需要注入的地方，使用@Autowired注解来自动注入Bean。

我们将MessageService的实现类标记为@Service：

@Service
public class EmailService implements MessageService {
    public void sendMessage(String message, String receiver) {
        System.out.println("Email sent to " + receiver + " with Message=" + message);
    }
}

我们在MessageClient中使用@Autowired来注入MessageService：

@Component
public class MessageClient {
    private MessageService messageService;

    @Autowired
    public MessageClient(MessageService messageService) {
        this.messageService = messageService;
    }

    public void processMessage(String message, String receiver){
        this.messageService.sendMessage(message, receiver);
    }
}

最后，在主程序中，我们可以直接获取MessageClient的Bean，而不需要手动创建：

@SpringBootApplication
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ConfigurableApplicationContext context = SpringApplication.run(Main.class, args);
        MessageClient emailClient = context.getBean(MessageClient.class);
        emailClient.processMessage("Hello", "test@example.com");
    }
}

在这个例子中，Spring Boot会自动扫描@Service和@Component注解的类，并创建对应的Bean。然后在需要注入的地方，Spring Boot会自动找到对应的Bean并注入。

控制反转是一种非常强大的设计原则，它可以帮助我们写出更灵活、更易于维护和测试的代码。如果你还没有尝试过，我强烈建议你试试！

四、面向对象编程的原则

面向对象编程有五个基本原则，也被称为SOLID原则。

1. 单一原则

单一原则是指一个类应该仅具有只与他职责相关的东西，这样可以降低类的复杂度，提高可读性和可维护性。

这个原则就像是你在厨房里做饭，你有各种各样的厨具，每个厨具都有它特定的用途，比如刀用来切菜，锅用来煮食物，勺子用来搅拌。你不会用刀去搅拌，也不会用勺子去切菜。这样每个厨具都只负责一项任务，使得厨房的运作更加顺畅。

2. 开闭原则

开闭原则是指软件中的类、属性和函数对扩展是开放的，对修改是封闭的。这样可以避免对原有代码的修改导致的很多工程工作。

这个原则就像是你的房子，你可以在房子里面添加更多的家具，比如椅子、桌子、床等，但你不会去改变房子的结构，比如拆掉墙壁或者增加门窗。这样你的房子对于添加家具是开放的，对于修改结构是关闭的。

在计算机体系中，最符合开闭原则的就是冯诺依曼体系架构，在这个架构中，CPU是封闭的、稳定的，然后通过IO操作对外开放，支持各种无穷无尽的输入输出设备。这是开闭原则的最好最基础的体现。

3. 里氏替换原则

里氏替换原则是指子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法。这样可以让高层次模块能够依赖抽象类，而不是具体的实现。

这个原则就像是你的电视遥控器，无论你的电视是老款的CRT电视，还是新款的LED电视，你都可以用同一个遥控器来控制。这是因为所有的电视都遵循了同样的接口，即遥控器可以发送的信号。所以你可以用新的电视来替换老的电视，而不需要改变遥控器。

4. 接口隔离原则

接口隔离原则是指类间的依赖关系应该建立在最小的接口之上，这样可以减少类间的耦合度。

举个例子，假设我们有一个Animal接口，它包含了eat(), sleep(), fly()等方法。现在我们要设计一个Dog类来实现这个接口，但是狗并不能飞，所以fly()方法对于Dog类来说是不需要的。如果我们按照接口隔离原则来设计，那么我们可以将Animal接口拆分为AnimalBasic（包含eat()和sleep()方法）和AnimalFly（包含fly()方法）两个接口，然后让Dog类只实现AnimalBasic接口，这样就避免了实现不需要的方法。

5. 依赖反转原则

依赖反转原则是指高层次模块不应该依赖于低层次模块的具体实现，两者都应该依赖其抽象。这样可以提高代码的可扩展性。

举个例子，假设我们有一个高级模块HighLevelModule和一个低级模块LowLevelModule。HighLevelModule直接依赖于LowLevelModule的具体实现。现在，如果我们遵循依赖反转原则，我们可以定义一个抽象的接口AbstractModule，然后让HighLevelModule依赖于AbstractModule，同时让LowLevelModule也实现AbstractModule。这样，无论是HighLevelModule还是LowLevelModule，它们都只依赖于抽象，而不再直接依赖于对方的具体实现。这样就可以提高代码的可扩展性和可维护性。

五、面向对象编程的优缺点

面向对象编程的优点主要有两个：

• 一是能和真实的世界交相呼应，符合人的直觉。对象是基于真实世界实体的抽象，比如学生、书籍、车辆等，这些对象都有其属性（如学生的名字、年龄）和行为（如学生的学习、阅读）。这样的设计方式使得我们能够更直观地理解和操作代码，因为它与我们日常生活中的理解方式是一致的。
• 二是代码的可重用性、可扩展性和灵活性很好。这主要得益于OOP的几个主要特性，包括封装、继承和多态。封装可以隐藏对象的内部实现，只暴露出必要的接口，这样可以防止外部的不恰当操作。继承允许我们创建子类来复用和扩展父类的功能，这大大提高了代码的可重用性。多态则允许我们使用同一个接口来操作不同的对象，这提高了代码的灵活性。

然而，面向对象编程也并非完美，它也有一些缺点，比如：

• 首先，由于代码需要通过对象来抽象，这就增加了一层“代码粘合层”，也就是我们需要创建对象、管理对象的生命周期、处理对象之间的关系等，这使得代码变得更加复杂。对于一些简单的问题，使用面向对象编程可能会有点“杀鸡用牛刀”。
• 其次，面向对象编程中的对象通常都有一些内部状态，而这些状态在并发环境下需要被正确地管理，否则就可能会出现数据不一致、死锁等问题。比如，如果两个线程同时操作同一个对象，而这个对象的状态没有被正确地保护，那么就可能会出现数据不一致的问题。

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总的来说，面向对象编程是一种强大而灵活的编程范式，它可以帮助我们更好地组织和管理代码，提高代码的可读性和可维护性，这使得它特别适合用在大型工程项目中。然而，我们也需要注意其可能带来的问题，尤其是在并发和复杂系统中。

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