MATLAB 面向对象编程

一、面向对象编程（OOP）基本概念

OOP 的核心思想是将数据（属性）和操作数据的方法（函数）封装在“类”中，通过“对象”来使用这些功能。主要特性包括：

1. 封装（Encapsulation）：隐藏内部实现细节，仅通过接口与外界交互。
2. 继承（Inheritance）：子类可以继承父类的属性和方法，并可进行扩展或重写。
3. 多态（Polymorphism）：同一接口可用于不同类型的对象，实现不同的行为。
4. 抽象（Abstraction）：通过抽象类或接口定义通用行为。

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二、MATLAB 中类的定义

MATLAB 中的类定义在 .m 文件中，文件名必须与类名一致。类使用 classdef 关键字定义。

基本语法结构：

classdef ClassName < SuperClass1 & SuperClass2
    properties (Access = public)
        Property1
        Property2
    end

    methods
        function obj = ClassName(arg1, arg2)
            % 构造函数
            if nargin > 0
                obj.Property1 = arg1;
                obj.Property2 = arg2;
            end
        end

        function result = someMethod(obj, input)
            % 普通方法
            result = obj.Property1 + input;
        end
    end

    methods (Access = private)
        function helper(obj)
            % 私有方法
        end
    end

    events
        EventName
    end

    listeners
        % 事件监听器
    end
end

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三、核心组成部分详解

1. properties 块

定义类的属性（成员变量），可设置访问权限：

• public：任何代码可访问（默认）
• private：仅类内部方法可访问
• protected：类及其子类可访问

properties (SetAccess = private, GetAccess = public)
    Count = 0;  % 初始化值
end

2. methods 块

定义类的方法（成员函数）。

构造函数

• 方法名与类名相同。
• 返回对象 obj。
• 若未定义，MATLAB 提供默认无参构造函数。

普通方法

• 第一个参数通常是 obj（对象本身）。
• 可修改对象属性（需声明 obj 为输入输出）：

function obj = incrementCount(obj)
    obj.Count = obj.Count + 1;
end

3. 继承（Inheritance）

使用 < 符号继承父类，支持多重继承（仅限于混合类，如 handle）。

classdef Vehicle
    properties
        Speed
    end
    methods
        function obj = Vehicle(speed)
            obj.Speed = speed;
        end
    end
end

classdef Car < Vehicle
    properties
        NumDoors
    end
    methods
        function obj = Car(speed, doors)
            obj@Vehicle(speed);  % 调用父类构造函数
            obj.NumDoors = doors;
        end
    end
end

4. 句柄类（Handle Classes） vs 值类（Value Classes）

• 值类（默认）：赋值时复制对象（类似结构体）。
• 句柄类：继承 handle 类，赋值时传递引用。

classdef MyHandleClass < handle
    properties
        Data
    end
end

用途：GUI、回调函数、需共享状态时使用句柄类。

5. 静态方法与属性

• 不依赖于对象实例，通过类名调用。
• 使用 Static 关键字。

methods (Static)
    function result = computeArea(radius)
        result = pi * radius^2;
    end
end

properties (Constant)
    Pi = 3.14159;  % 常量属性
end

调用方式：MyClass.computeArea(5)

6. 事件与监听器（Events and Listeners）

用于实现观察者模式，常用于 GUI 或状态变化通知。

events
    ValueChanged
end

methods
    function setValue(obj, val)
        oldVal = obj.Value;
        obj.Value = val;
        notify(obj, 'ValueChanged', event.EventData);
    end
end

监听：

lh = addlistener(obj, 'ValueChanged', @(src,evt) disp('Value changed!'));

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四、高级特性

1. 抽象类与抽象方法

• 使用 Abstract 属性定义抽象方法。
• 抽象类不能实例化。

classdef AbstractShape < handle
    methods (Abstract)
        area(obj)
    end
end

2. 枚举类（Enumerations）

定义一组命名常量。

classdef Color < int32
    enumeration
        Red (1), Green (2), Blue (3)
    end
end

3. 属性验证与限制

properties
    Age (1:150)  % 数值范围限制
        validateattributes(Age, {'numeric'}, {'scalar','positive'})
    end
end

4. 属性访问方法（Get/Set）

重写属性的读取和写入行为：

methods
    function value = get.Property1(obj)
        value = obj.Property1 * 2;  % 自定义获取逻辑
    end

    function obj = set.Property1(obj, value)
        if value < 0, error('Must be positive'); end
        obj.Property1 = value;
    end
end

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五、OOP 在 MATLAB 中的应用场景

场景	说明
GUI 开发	使用 handle 类管理 UI 组件状态
控制系统建模	封装控制器、传感器等为对象
数据封装	将数据与处理方法绑定，如信号处理类
工具箱开发	构建可重用、模块化的函数库
仿真系统	定义实体类（如车辆、机器人）进行仿真

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六、示例：简单的银行账户类

% File: BankAccount.m
classdef BankAccount < handle
    properties
        Balance = 0;
    end

    methods
        function obj = BankAccount(initial)
            if nargin > 0
                obj.Balance = initial;
            end
        end

        function deposit(obj, amount)
            if amount <= 0
                error('Amount must be positive.');
            end
            obj.Balance = obj.Balance + amount;
        end

        function withdraw(obj, amount)
            if amount > obj.Balance
                error('Insufficient funds.');
            end
            obj.Balance = obj.Balance - amount;
        end

        function displayBalance(obj)
            fprintf('Current balance: $%.2f\n', obj.Balance);
        end
    end
end

使用示例：

acc = BankAccount(100);
acc.deposit(50);
acc.displayBalance();  % 输出: Current balance: $150.00

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七、参考资料

• MATLAB 官方文档：Object-Oriented Programming
• 书籍推荐：《MATLAB Object-Oriented Programming: Object-Oriented Programming in MATLAB》by Andy McGee