1. 简介

        面向对象编程 (OOP) 是一种强大的编程范式，它通过将程序组织成对象的集合来简化软件设计和开发。与传统的程序设计方法相比，OOP 提供了一种更自然、更易于理解和维护的方式来构建复杂的软件系统。OOP 的核心概念包括：对象、类、继承、多态、封装。本文将深入探讨这些概念，重点讲解继承、多态、抽象类和接口，以及它们在 Java 中的应用。

2. 栈空间和堆空间

        在深入了解 OOP 之前，我们需要先了解 Java 中的内存管理机制，尤其是栈空间和堆空间。

2.1 栈空间 (Stack)

• 定义和作用: 栈空间用于存储局部变量、方法参数和函数调用信息。 它是 Java 程序运行时最基本的内存区域之一。
• LIFO 原理: 栈空间遵循先进后出 (LIFO) 的原则，就像一个叠放盘子的架子，最后放进去的盘子最先被拿出来。
• 存储数据类型: 栈空间主要存储以下数据类型：
  • 局部变量: 定义在方法内部的变量，例如 int age = 25;。
  • 方法参数: 传递给方法的变量，例如 void calculateSum(int a, int b) { ... } 中的 a 和 b。
  • 函数调用信息: 包括方法调用时的局部变量地址、返回地址等。
• 特点:
  • 栈空间大小通常较小，而且速度较快。
  • 栈空间的分配和回收由 Java 虚拟机 (JVM) 自动管理，程序员不需要手动进行操作。

2.2 堆空间 (Heap)

• 定义和作用: 堆空间用于存储对象和数组。它是 Java 程序中用于动态内存分配的主要区域。
• 特点:
  • 堆空间的空间大小通常比栈空间大得多。
  • 堆空间的分配和回收由垃圾回收器 (Garbage Collector) 自动管理，程序员一般不需要手动进行操作。
  • 堆空间通常比栈空间速度慢。

2.3 栈空间和堆空间的交互

当创建一个对象时，会发生以下步骤：

 

1. 栈空间: 分配一个引用变量，该变量指向堆空间中对象的地址。例如：Car myCar = new Car(); 中的 myCar。
2. 堆空间: 为新创建的对象分配一块内存块，其中包含对象的属性和方法。
3. 连接: 引用变量指向堆空间中分配的内存块，这样就可以通过引用变量访问对象。

// 1. 栈空间：
// 创建一个 Car 类对象，并分配了一个引用变量 myCar。
Car myCar = new Car(); 

// 2. 堆空间：
// 将新创建的 Car 对象的属性和方法存储在堆空间中。
// 这里假设 Car 有两个属性：color 和 model。
// myCar 的值指向堆空间中对象的地址。
// 此时 myCar 就是一个指向堆空间对象的引用。
//         堆空间
// +-----+-----+---------+     // 
// | color| model|  ...   |     //
// +-----+-----+---------+
//       ^
//       |
//       myCar（栈空间）

3. 面向对象编程的基础

3.1 对象和类

• 对象: 现实世界中事物的抽象表示。在编程中，对象是数据（属性）和操作数据的方法（行为）的封装。例如，一个 "汽车" 对象可以包含属性（例如颜色、品牌、型号、速度）和方法（例如启动、加速、刹车）。
• 类: 创建对象的模板或蓝图。它定义了对象的属性和方法。例如，"汽车" 类可以定义所有汽车共有的属性和方法，然后通过这个类创建多个不同的汽车对象。

用 Java 代码表示:

class Car {
    String color;
    String brand;
    String model;
    int speed;

    void start() {
        System.out.println("汽车启动");
    }

    void accelerate() {
        System.out.println("汽车加速");
    }

    void brake() {
        System.out.println("汽车刹车");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Car myCar = new Car();
        myCar.color = "红色";
        myCar.brand = "宝马";
        myCar.model = "3系";
        myCar.start();
        myCar.accelerate();
    }
}

3.2 封装

• 概念: 将对象的属性和方法结合起来，并隐藏对象的内部实现细节，只暴露接口供外部访问。
• 目的:
  • 提高代码安全性: 防止外部代码直接修改对象的私有属性。
  • 提升代码可维护性: 修改对象的内部实现细节不会影响外部代码的使用。
  • 增强代码可重用性: 可以根据需要创建不同的对象，而无需关注其内部实现细节。

访问修饰符:

修饰符	描述	访问范围
public	任何地方都可以访问	整个程序
private	只有类内部可以访问	类内部
protected	继承的类和同一个包内的类可以访问	继承类和同一个包
default (无修饰符)	只有同一个包内的类可以访问	同一个包

用 Java 代码示例:

class Person {
    private String name; // 私有属性，只能在 Person 类内部访问
    private int age; // 私有属性，只能在 Person 类内部访问

    public String getName() { // 公共方法，可以在任何地方访问
        return name;
    }

    public void setName(String name) { // 公共方法，可以在任何地方访问
         = name;
    }

    public int getAge() { // 公共方法，可以在任何地方访问
        return age; 
    }

    public void setAge(int age) { // 公共方法，可以在任何地方访问
        this.age = age;
    }
}

4. 继承

• 概念: 继承是 OOP 中一个重要的特性，它允许一个类继承另一个类的属性和方法。继承建立了 “is-a” 关系，子类拥有父类的所有属性和方法，并且可以添加自己的属性和方法。
• 目的:
  • 代码复用: 避免重复编写相同的功能代码。
  • 可扩展性: 通过继承，可以在父类的基础上创建新的子类，实现新的功能。
  • 代码组织: 将相关的功能组织到不同的层次结构中，使代码更易于理解和维护。

4.1 继承的概念

• 父类 (基类或超类): 被继承的类。
• 子类 (派生类或扩展类): 继承自另一个类的类。

class Animal {
    void eat() {
        System.out.println("动物在吃");
    }
}

class Dog extends Animal { // Dog 继承了 Animal 类
    void bark() {
        System.out.println("狗在叫");
    }
}

4.2 继承的优势

• 代码复用: 继承允许子类复用父类的代码，避免重复编写相同的功能。例如，在 Dog 类中，eat 方法不需要重新编写，可以直接继承自父类 Animal。
• 可扩展性: 继承使得添加新的功能变得更容易。例如，我们可以通过继承 Animal 类，创建新的子类，比如 Cat 类，来添加猫的相关功能，例如 meow() 方法。
• 代码组织: 继承可以帮助我们更好地组织代码，将相关的类组织到不同的层次结构中。例如，我们可以创建一个 Pet 类作为父类，然后创建 Dog、Cat 等子类，这样可以使代码更加清晰、易于维护。

4.3 继承的类型

• 单继承: 在 Java 中，一个子类只能继承一个父类。
• 多继承: 一个子类可以继承多个父类。 Java 不支持真正的多继承，但可以使用接口来实现类似功能。
• 层次化继承: 父类可以有子类，子类可以有孙类，形成层次结构。

4.4 继承中的方法重写 (Overriding)

• 概念: 子类可以选择重写父类的方法，以便在子类中提供不同的实现。
• 条件: 方法重写必须满足以下条件:
  • 方法名相同。
  • 参数列表相同。
  • 返回值类型相同（或者返回值类型是父类返回值类型的子类）。
  • 访问修饰符的权限不能比父类更严格。

class Animal {
    void sound() {
        System.out.println("动物发出声音");
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    void sound() {  // 重写父类的 sound 方法
        System.out.println("狗叫");
    }
}

4.5 继承中的构造函数

• 子类构造函数: 子类构造函数必须调用父类构造函数，才能初始化父类继承的属性。
• super() 方法: 在子类构造函数中，可以使用 super() 方法调用父类的构造函数。

4.6 继承中的方法隐藏

• 概念: 子类的方法与父类的某个方法具有相同的方法名，但参数列表不同，这种情况称为方法隐藏。
• 区别: 方法隐藏与方法重写不同，方法隐藏不会改变方法的实现，而方法重写会改变方法的实现。

class Animal {
    void sound() { // 父类方法
        System.out.println("Animal makes a sound");
    }
}

class Dog extends Animal {
    void sound(int age) { // 子类方法，与父类方法同名，但参数不同
        System.out.println("Dog barks, age: " + age);
    }
}

4.7 继承中 final 关键字

• final 关键字: 用于修饰类、方法和变量，表示它们是最终的，不能被继承或重写。
  • final 类: 表示该类不能被继承。
  • final 方法: 表示该方法不能被子类重写。
  • final 变量: 表示该变量是一个常量，其值一旦被赋值就不能再改变。

5. 多态

• 概念: 多态是指同一个操作在不同的对象上会产生不同的行为。
• 目的:
  • 代码灵活性和可扩展性: 可以通过父类引用指向子类对象，调用不同的实现方法。
  • 提高代码可读性: 可以使用更简洁、更灵活的方式来编写代码。

5.1 多态的概念

 

• 父类引用: 可以使用父类类型的变量来引用子类对象。
• 方法调用: 当调用父类引用中的方法时，实际执行的是子类重写后的方法。

class Animal { 
    void sound() {
        System.out.println("动物发出声音");
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    void sound() {
        System.out.println("狗叫");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Animal myDog = new Dog(); // 父类引用指向子类对象
        myDog.sound(); // 调用的是 Dog 类的 sound 方法
    }
}

5.2 多态的类型

• 方法重载 (Overloading): 同一个类中，方法名相同，参数列表不同。 编译器会根据参数类型和数量选择合适的重载方法。
• 方法重写 (Overriding): 子类重写父类的方法。 当父类引用指向子类对象时，调用的是子类重写后的方法。

5.3 多态的优势

• 代码灵活性和可扩展性: 多态可以使代码更加灵活和易于扩展。
• 代码可读性: 多态可以使代码更加简洁和易于理解。

5.4 多态的应用场景

        多态在实际开发中有很多应用场景，例如：

• 工厂模式: 通过工厂类创建不同类型的对象。
• 策略模式: 定义一组算法，并将它们封装为独立的类，以便在运行时选择合适的算法。

5.5 抽象类

• 概念: 抽象类是用 abstract 关键字修饰的类，它不能被直接实例化，只能被子类继承。抽象类可以包含抽象方法和普通方法。
• 特点:
  • 抽象方法: 没有方法体，以 abstract 关键字修饰。 子类必须重写抽象方法才能实例化。
  • 不能被直接实例化: 只能通过子类来实例化。

abstract class Shape { // 抽象类
    abstract void draw(); // 抽象方法，没有方法体

    void print() { // 普通方法
        System.out.println("这是一个形状");
    }
}

class Circle extends Shape {
    @Override
    void draw() {
        System.out.println("画一个圆形");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Shape circle = new Circle(); // 实例化子类 Circle
        circle.draw(); // 调用子类重写的 draw 方法
        circle.print(); // 调用父类的 print 方法
    }
}

5.6 接口

• 概念: 接口是使用 interface 关键字声明的，它是一种特殊的抽象类，其中只包含抽象方法和常量。接口不能被直接实例化，只能被类实现。
• 特点:
  • 只能包含抽象方法和常量。
  • 可以被多个类实现。
  • 提高代码的可扩展性和灵活性。

interface Drawable { // 接口
    void draw(); // 抽象方法
}

class Circle implements Drawable { // 实现接口
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个圆形"); 
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Drawable circle = new Circle(); // 实例化 Circle 对象
        circle.draw();
    }
}

6. 总结

概念	描述	优势
对象	现实世界中事物的抽象表示，包含属性和方法	提供了一种更自然、更易于理解和维护的编程方式
类	创建对象的模板，定义对象的属性和方法	定义了对象的结构和行为
封装	将对象的属性和方法结合起来，隐藏实现细节	提高代码安全性、可维护性和可重用性
继承	允许子类继承父类的属性和方法	代码复用、可扩展性、代码组织
多态	同一个操作在不同的对象上会产生不同的行为	代码灵活性和可扩展性、提高代码可读性
抽象类	用 abstract 修饰的类，不能被直接实例化，只能被子类继承	定义公共方法和属性，并强制子类实现抽象方法
接口	用 interface 关键字定义，包含抽象方法和常量，可以被多个类实现	提高代码的可扩展性和灵活性