面向对象是怎样工作的-第 1 章 面向对象： 让软件开发变轻松的技术

面向对象是怎样工作的-第 1 章　面向对象： 让软件开发变轻松的技术
面向对象最初是作为一种编程语言提出的，后来人们将其不断扩展，并应用到各个领域，如今将其称为“软件开发的综合技术”可能更为合适。
遗憾的是，尽管这是一门非常优秀的技术，但很多人好像都认为它非常难。本章我们将分析造成这种局面的原因。
1.1　面向对象是软件开发的综合技术
我们先从一个简单的问题开始介绍。
“为什么要基于面向对象来开发软件？”
不管谁问这样的问题，笔者都会这样回答： “为了轻松地开发软件。”
可能有的人听到“轻松”二字会感觉很意外。这是因为当提到面向对象时，不少人仍感觉“很难，难以对付”。
面向对象包含的技术几乎涵盖了从 Java、Python 等编程语言到需求规格说明书和设计内容的图形表示、可重用的软件构件群、优秀设计的技术窍门、业务分析和需求定义的有效推进方法、顺利推进系统开发的开发方法等软件开发的所有领域。
不过，这些技术单独来看是完全不同的。如果要找出它们的共同点，大概就是它们都是软件开发相关的技术，都是用来顺利推进软件开发的。
因此，如果用一句话来概括面向对象，那就是“能够轻松地进行较难的软件开发的综合技术”。
1.2　以对象为中心编写软件的开发方法
面向对象的英文是 Object Oriented，直译为“以对象为中心”。
在面向对象普及之前，主流的开发方法是“面向功能”的，具体地说，就是把握目标系统整体的功能，将其按阶段进行细化，分解为更小的部分。如果采用面向功能的开发方法来编写软件，当规格发生改变或者增加功能时，修改范围就会变得很广，软件也很难重用。
面向对象技术的目的是使软件的维护和重用变得更容易，其基本思想是重点关注各个构件，提高构件的独立性，将构件组合起来，实现系统整体的功能。通过提高构件的独立性，当发生修改时，能够使影响范围最小，在其他系统中也可以重用。
1.3　从编程语言演化为综合技术
面向对象最初是以编程语言的身份出现的，在之后的 40 多年里，经过不断发展，逐渐被应用到了开发的各个领域。这里我们来简单回顾一下面向对象的全貌和发展过程，如图 1-1 所示。

面向对象起源于 1967 年在挪威开发出来的 Simula 67 编程语言。该语言拥有类、多态和继承等以往的编程语言中没有的优良结构，被称为最早的面向对象编程（Object Oriented Programming language，OOPA）语言。后来，艾伦·凯率领的团队开发的 Smalltalk 沿用了该结构，确立了“面向对象” 的概念。此后，具有相同结构的 C++、Objective-C、Java、C#、Python 和Ruby 等诸多编程语言被开发出来，并延续至今。
OOP 使得大规模软件的可重用构件群的创建成为可能，这些构件群被称为类库或者框架。另外，创建可重用构件群时使用的固定的设计思想被提炼为设计模式。
另外，使用图形来表示利用 OOP 结构创建的软件结构的方法称为统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）。在此基础上，还出现了将 OOP思想应用于上游工程的建模，以及用于顺利推进系统开发的敏捷开发。
如今，面向对象已经成为一门覆盖软件开发所有领域的综合技术。虽然这些技术所涉及的领域和内容并不相同，但目的都是顺利推进软件开发。因此，通过以各种形式灵活运用前人的研究和技术窍门，有助于我们提高软件的质量和开发效率。
1.4　面向对象难的原因
尽管面向对象是众多优秀技术的集大成，却经常被认为很难理解，难以对付。也有人认为不擅长抽象思考的人在学习面向对象时会感觉很难，要经过很多年才能掌握，等等。不管是多么方便的工具，如果很难理解其内涵，无法熟练使用，那就没有意义了。
关于面向对象被认为很难的原因，这里分为三点进行讲解。
1.5　原因之一：OOP 结构复杂
第一个原因是 OOP 结构很复杂。
面向对象之前的编程语言的结构都比较简单，只要掌握了运算符、全局变量、局部变量、条件分支、循环和子程序（或函数），基本上就可以理解这些编程语言的结构了。这些编程语言都是直接访问 CPU 和内存的结构，因此，我们想象一下计算机的动作就很容易理解它们。
而 OOP 中增加了许多结构，基本的结构就有类、实例、实例变量、方法、构造函数、继承、超类、子类、多态、包、异常和垃圾回收等（图 1-2），其中的许多结构很难让人想象其在计算机中的动作，因此，编程新手需要花费很长时间来理解并熟练使用所有的结构。

1.6　原因之二：滥用比喻引起混乱
第二个原因是使用比喻进行讲解容易引起混乱。比喻引起的混乱与其说是技术本身的问题，不如说是讲解方法的问题。OOP 结构经常被比作现实世界，像下面这样进行讲解（图 1-3）。
“动物是超类，哺乳类和鱼类是子类。既产卵又用乳汁哺乳幼仔的鸭嘴兽也就相当于爬虫类和哺乳类的多重继承。”
“人具有‘出生年月日’的属性。如果给小王这样具体的一个人发出 ‘请告诉我你的年龄’的消息，就会得到‘28 岁’的回答。”
“正如医院里的医生、护士和药剂师互相联系、协同工作一样，对象也是通过在计算机中互相发送消息来进行工作的。”

图1-3　对各种比喻感到混乱的开发者
这样的讲解会让人感到 OOP 结构很复杂，但是，如果只进行这样的讲解，那么就只有比喻能给人留下深刻的印象，而 OOP 在实际编程中的便利性就难以传达了。
1.7　原因之三：面向对象的概念是抽象的
第三个原因是面向对象的概念是抽象的。
正如第一个原因所说的那样，OOP 的结构十分复杂，而“以对象为中心”的概念十分简单，很容易理解。这个概念的应用范围很广，现实世界的人、组织、事件、计算机系统的功能、系统管理的信息和程序的构成要素等都可以说是对象（图 1-4）。

图1-4　把一切都当作对象
因此，这个概念除了应用于软件设计和编程之外，也开始应用于需求定义、业务分析和企划等上游工程。这是将面向对象的思想贯穿整个软件开发流程的开发方法，在面向对象开始普及的 20 世纪 90 年代，许多面向对象的分析和设计方法论被提出 A。另外，由于 OOP 结构与现实世界的情形非常相似，所以还出现了一种思想，认为可以使用面向对象来整理现实世界的情形，直接将现实世界表示为程序。
但是，这种思想中存在容易混淆的陷阱。虽然 OOP 结构与现实世界的情形有很多相似之处，但并不是完全相同。另外，现实世界的人们与计算机上的软件的工作范围在很多情况下是不一样的，因此，使用面向对象来整理人们的工作并直接表示为程序，这实际上是很难实现的。
现实世界的情形与 OOP 结构似是而非，具有哲学意味的面向对象的概念虽然很有魅力，但是会让人难以理解其实际情况，容易引起混乱。
1.8　重点讲解“是什么”和“为什么”
我们的目标是用清晰的逻辑向读者介绍面向对象所涉及的各项技术。不过，我并不会详细讲解 Java 等编程语言的语法和 UML 等各项技术的用法，而是重点讲解这些技术是什么（What），以及为什么需要这些技术（Why）。
考虑到前面介绍的面向对象难以理解的原因，本书将采取如下方针。
● 关于 OOP 结构，将基于编程语言的进化史详细介绍其优点
● 将最小限度地使用比喻进行讲解。在使用比喻的情况下，会明确其主旨
● 将编程的结构和“以对象为中心”来把握事物的思想作为不同的内容分开介绍
1.9　本专栏的构成
大致分为两部分来讲解面向对象，前半部分介绍编程技术，后半部分介绍从编程技术派生出来的应用技术（图 1-5）。
前半部分包括第 2 章到第 6 章的内容，这一部分将为大家介绍面向对象的编程技术的相关知识。首先在第 2 章指出现实世界和 OOP 结构是似是而非的，接着，在第 3 章回顾 OOP 之前的编程语言的历史之后，再介绍 OOP 的基本结构——类、多态和继承（第 4 章）。然后介绍 OOP 运行时的机制（第 5 章），以及OOP 的发展所带来的可重用构件群和设计模式这两种可重用技术（第 6 章）。

图 1-5　面向对象的全貌和本书的构成
后半部分包括第 7 章到第 11 章的内容，这一部分将为大家介绍面向对象的应用技术。我们将首先介绍 OOP 结构在应用于上游工程时化为表示集合论和职责分配的归纳整理法的现象（第 7 章）。接着介绍用图形表示软件功能的UML（第 8 章）、支持业务分析和需求定义的建模（第 9 章）、面向对象设计（第 10 章），以及与面向对象的普及共同发展的敏捷开发方法（第 11 章）。
之所以这样安排章节，是因为考虑到了逐个理解面向对象所涉及的各项技术时的步骤，而这也基本上符合面向对象演化的过程。
附章将对函数式语言进行介绍。除了面向对象之外，最近许多编程语言还支持函数式语言的结构，因此，我们将介绍函数式语言的基本结构和思想。
对本书结构的介绍就到此为止，下面我们将进入具体内容的学习。
笔者将从重新考虑“面向对象是直接将现实世界表示为软件的技术” 这一常见的说法开始讲起。接下来就让我们一起进入第 2 章吧！