抽象技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)

陳 倩

摘要:抽象技術(shù)是人類(lèi)理解和解決復(fù)雜問(wèn)題最重要的工具之一,更是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的原則之一。本文介紹了抽象的概念、抽象層次的劃分以及兩種典型的抽象方法,并從抽象這個(gè)較高層次來(lái)理解面向?qū)ο蠹夹g(shù)的主要思想:類(lèi)、對(duì)象、封裝、繼承和多態(tài),等等。

關(guān)鍵詞:抽象;抽象層次;面向?qū)ο蠹夹g(shù)

中圖分類(lèi)號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是當(dāng)今最流行的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)技術(shù),從80年代產(chǎn)生到現(xiàn)在短短30年間,面向?qū)ο蠹夹g(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)的方方面面得到了成功的應(yīng)用并吸引了越來(lái)越多的人在軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中學(xué)習(xí)和使用這種技術(shù)。學(xué)生在學(xué)習(xí)面向?qū)ο蠹夹g(shù)時(shí)往往從面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言出發(fā)(比如C++,JAVA等)入手,在程序語(yǔ)言語(yǔ)法學(xué)習(xí)中理解面向?qū)ο蟾拍?導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生往往過(guò)多地糾纏于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則等細(xì)節(jié)方面,而省略了對(duì)面向?qū)ο蠹夹g(shù)本質(zhì)思想的領(lǐng)會(huì)。抽象技術(shù)是人類(lèi)在實(shí)際生活中理解和解決復(fù)雜問(wèn)題最重要的技術(shù)之一,抽象思維更是一個(gè)程序員必不可少的素質(zhì)。面向?qū)ο蠹夹g(shù)正是利用抽象技術(shù),通過(guò)抽象層次分類(lèi)方法達(dá)到自上而下地對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行逐步求精和模塊化,把問(wèn)題分解為人們可以理解和分析的不同規(guī)模。所以,從抽象的角度(本文從抽象的概念、抽象的層次和抽象的方法三個(gè)方面)來(lái)介紹和分析面向?qū)ο蠹夹g(shù)的主要思想,能夠幫助面向?qū)ο蠹夹g(shù)學(xué)習(xí)者從一個(gè)比較高的層次來(lái)理解面向?qū)ο蟮闹饕枷?從而避免被編程語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)所牽絆,真正掌握這種技術(shù)的精髓所在。

1抽象的概念

抽象是指對(duì)于一個(gè)事物或過(guò)程的某些細(xì)節(jié)有目的的隱藏,通過(guò)省略某些信息來(lái)把事物的主要結(jié)構(gòu)表達(dá)得更加清楚。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),當(dāng)你打開(kāi)一本世界地圖冊(cè),首先你會(huì)看到一張世界地圖,這張世界地圖描述了一些簡(jiǎn)單的地理區(qū)域(比如7大洲,4大洋),以及一些主要山脈、河流、國(guó)家和首都城市。在這張地圖上,通過(guò)省略詳細(xì)的地理信息(比如某個(gè)村莊的地理位置)而讓人們可以了解整個(gè)世界的主要區(qū)域分布;接著當(dāng)你打開(kāi)一張更小區(qū)域的地圖時(shí)(比如一個(gè)國(guó)家),你就能到更多的地理細(xì)節(jié),包括這個(gè)國(guó)家的許多大中型城市,主要的道路,山脈、湖泊等等,但是卻只能看到本區(qū)域的信息,而不能看到別的區(qū)域信息了;以此類(lèi)推,當(dāng)你打開(kāi)更小區(qū)域的地圖時(shí),得到的細(xì)節(jié)信息就更多,也更加詳細(xì),但是信息的范圍卻越來(lái)越小。通過(guò)這個(gè)例子,我們可以看到,在實(shí)際生活中我們總是不知不覺(jué)地運(yùn)用了抽象思維來(lái)看問(wèn)題和解決問(wèn)題,每張地圖都是人們對(duì)某一個(gè)地理范圍的一種抽象,而且抽象是分級(jí)別的,在每一個(gè)級(jí)別水平上都會(huì)包括某些特定的信息,而省略某些其他的信息,使得我們?cè)谶@個(gè)抽象級(jí)別上理解和解決某些問(wèn)題變的非常容易。人類(lèi)吸收和處理信息的能力是有限的,抽象技術(shù)通過(guò)省略一些細(xì)節(jié)信息來(lái)縮減信息量以達(dá)到人類(lèi)處理問(wèn)題的水平。

在程序設(shè)計(jì)技術(shù)中,也需要把復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題抽象成能夠處理的形式,在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中,有另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述抽象這種有意識(shí)隱藏細(xì)節(jié)的行為:信息隱藏(或者叫封裝)。所謂信息隱藏就是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,有目的地省略細(xì)節(jié),而集中精力在實(shí)際問(wèn)題的幾個(gè)主要特征上。這樣,在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員才不會(huì)被大量的細(xì)節(jié)所干擾,從而把精力放在整個(gè)系統(tǒng)的主要框架上。那么什么時(shí)候考慮細(xì)節(jié)問(wèn)題呢?其實(shí)抽象概念的運(yùn)用是分層次的,越高級(jí)別的抽象往往隱藏的信息越多,抽象層次則越低,描述的細(xì)節(jié)信息越豐富。在實(shí)際的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中,程序員非常重要的一項(xiàng)工作就是確定自己在哪個(gè)抽象級(jí)別上工作,這樣,你就非常清楚自己的應(yīng)該做些什么,不應(yīng)該做什么(即省略什么)。在現(xiàn)實(shí)情況中,經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤卻是程序員總是在最低抽象級(jí)別上反復(fù)思考,關(guān)心各種關(guān)鍵細(xì)節(jié)的實(shí)現(xiàn),而不是努力的思考如何實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的抽象,來(lái)促使任務(wù)各個(gè)部分盡可能的分離,這才是最重要的。

2抽象的層次和抽象方法

前面提到在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí),需要利用抽象方法,并且劃分抽象層次,才能在正確的抽象級(jí)別上考慮和解決問(wèn)題。如何對(duì)一個(gè)復(fù)雜事物或過(guò)程進(jìn)行抽象以及劃分抽象層次?有兩種抽象方法在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1組合抽象方法

組合抽象方法是人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常用到的一種抽象方法。具體地說(shuō),人們?cè)诔橄笠粋€(gè)事物或者過(guò)程時(shí),通常會(huì)分析這個(gè)事物或過(guò)程是由哪些部分組合而成,然后依次檢查和分析每一個(gè)組成部分來(lái)得到對(duì)事物更精細(xì)的理解。這種抽象方法也是通常所說(shuō)的“分而治之”思想的一種具體體現(xiàn)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō),如果我們要理解和分析計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行計(jì)算的?組合抽象方法首先分析計(jì)算機(jī)由哪些部分組成:CPU(指令計(jì)算)、內(nèi)存(數(shù)據(jù)存儲(chǔ))、總線(數(shù)據(jù)傳輸)、輸入輸出設(shè)備(數(shù)據(jù)的輸入輸出)。這樣我們就很容易地得到了一個(gè)計(jì)算機(jī)的抽象模型(如圖1所示)。顯然這個(gè)抽象模型并不能代表一臺(tái)真正的計(jì)算機(jī),真正的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這個(gè)模型復(fù)雜的多。但是,一般情況下,通過(guò)這個(gè)抽象模型我們可以來(lái)解釋計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程,即:計(jì)算機(jī)通過(guò)外部設(shè)備得到輸入數(shù)據(jù),然后存儲(chǔ)到內(nèi)存中,CPU從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行計(jì)算,并把結(jié)果存儲(chǔ)到內(nèi)存,輸出設(shè)備再把結(jié)果從內(nèi)存中讀出并顯示,其中數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)總線進(jìn)行。

如果想進(jìn)一步了解CPU的工作過(guò)程呢?在這個(gè)抽象模型層次是沒(méi)有辦法做到的,我們需要更加詳細(xì)的抽象模型層次。方法就是對(duì)計(jì)算機(jī)的每個(gè)組成部分同樣用組合抽象方法做更詳細(xì)地分析從而形成抽象的下一個(gè)層次,比如CPU由運(yùn)算器,寄存器和控制器組成,總線由系統(tǒng)總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線組成,等等。這樣,對(duì)計(jì)算機(jī)的抽象模型就變得更加詳細(xì),在這個(gè)層次上,人們可以進(jìn)一步解釋CPU的運(yùn)算過(guò)程。如果需要,我們還可以一直往下通過(guò)組合法劃分更加詳細(xì)的抽象層次,甚至分析到集成電路結(jié)構(gòu),研究分子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu),等等。當(dāng)然,對(duì)問(wèn)題的任何解釋和描述我們都要基于某個(gè)正確抽象層次,這樣才能使得人們接受到的信息量比較適合,也比較容易理解(比如想要理解計(jì)算機(jī)的工作原理,我們最好在最高抽象層來(lái)解釋,如果放在電子層來(lái)解釋,人們是沒(méi)有辦法接收和理解的)。

組合抽象方法在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中使用起來(lái)非常容易和直接,大到一個(gè)系統(tǒng),小到一個(gè)類(lèi)的設(shè)計(jì),我們通常會(huì)分析這個(gè)系統(tǒng)或類(lèi)由哪些部分組合而成來(lái)建立相應(yīng)的抽象模型,然后遞歸的分析每個(gè)組成部分以達(dá)到逐步求精的目的。使用這種方法能夠很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的封裝性和可擴(kuò)展性。使用組合抽象技術(shù),系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很容易將一個(gè)大系統(tǒng)分成幾個(gè)部分,將每個(gè)部分單獨(dú)的分配給不同的小組。每個(gè)部分的設(shè)計(jì)者需要對(duì)本組承擔(dān)的工作對(duì)外進(jìn)行良好的封裝,而對(duì)內(nèi)進(jìn)行非常詳細(xì)的理解和設(shè)計(jì)。在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中,通常使用“接口”和“實(shí)現(xiàn)”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這兩種情況,“接口”描述系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用來(lái)做什么,這是進(jìn)行信息封裝非常重要的一點(diǎn),“實(shí)現(xiàn)”包含具體怎么做。組合抽象技術(shù)也可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展性,當(dāng)程序設(shè)計(jì)者把一個(gè)系統(tǒng)分成各個(gè)部分時(shí),理想情況下可以將各個(gè)部分之間的相互作用減少到最少。這樣,當(dāng)系統(tǒng)的一部分需要修改時(shí),就不會(huì)影響到其他部分運(yùn)行。

2.2分類(lèi)層次抽象方法

分類(lèi)抽象是另外一種人們應(yīng)用非常廣泛的抽象方法,早在2000多年前,古希臘哲學(xué)家亞里士多德就用分類(lèi)的方法來(lái)對(duì)所有生物進(jìn)行抽象(如圖2所示)。這種方法把生物首先分成動(dòng)物和植物,動(dòng)物又分成脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物,脊椎動(dòng)物又包括了哺乳動(dòng)物,哺乳動(dòng)物又具體包括貓、狗、鯨魚(yú),等等。分類(lèi)層次抽象不同于組合抽象的重要區(qū)別是:抽象層次越高,事物的特征越普遍,而抽象層次越低,事物的特征越具體;高層次抽象事物的特征和行為,可以直接應(yīng)用到比它低的抽象層次的事物上去。比如,我們知道哺乳動(dòng)物具有毛發(fā),通過(guò)胚胎生育,這些特征可以毫無(wú)保留的應(yīng)用到比哺乳動(dòng)物更低的分類(lèi)抽象層次上(比如:貓、狗也具備這些特征)。

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中,分類(lèi)層次抽象方法有著非常重要的應(yīng)用,面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中的繼承機(jī)制充分利用了分類(lèi)層次抽象中較低層次的抽象類(lèi)型自動(dòng)具備了較高層次抽象類(lèi)型的所有特征而不需要重新定義和說(shuō)明的這個(gè)最重要的特點(diǎn),使得新的類(lèi)可以從已有的類(lèi)繼承而來(lái),從而自動(dòng)具備了已有類(lèi)的所有特性和行為,很好的解決了軟件設(shè)計(jì)中代碼復(fù)用和概念復(fù)用的問(wèn)題,極大的提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率。我們來(lái)看個(gè)例子:Java的AWT(Abstract Windowing Toolkit)庫(kù)設(shè)計(jì)。在這個(gè)庫(kù)中,設(shè)計(jì)者就是根據(jù)分類(lèi)層次抽象方法組織了所有的AWT圖形用戶界面組件類(lèi),如圖3:

從圖3中我們可以看到,層次越高,特征越具有一般性,層次越低,特征越個(gè)別化。層次比較高的類(lèi)的數(shù)據(jù)和方法可以通過(guò)繼承的方式,直接被下層組件類(lèi)所使用,從而大大簡(jiǎn)化了組件的設(shè)計(jì),提高了效率。比如Component類(lèi)中的特征和方法:(1)組件的顏色(2)組件的字體(3)組件的大小和位置(4)組件的激活與可見(jiàn)性(5)組件上的光標(biāo)(6)paint方法和repaint方法非常普遍,只要處在Component下面的分類(lèi)抽象層次中的組件都具備這些特征,它們都可以通過(guò)繼承的方法直接把Component類(lèi)中設(shè)計(jì)的特征和功能變成自己類(lèi)的一部分。當(dāng)然,具體的組件類(lèi)除了繼承祖先的特征和方法,還有一些自己特有的東西,比如:TextField組件類(lèi)除了TextComponet類(lèi)和Component類(lèi)中定義

的特征外,還有自己專有的特征:SetText(),等等,這些特性在別的組件類(lèi)型就不一定有了。

3總結(jié)

抽象技術(shù)通過(guò)舍棄個(gè)體事物在細(xì)節(jié)上的差異,抽取其共同特征而得到事物的抽象概念,它是面向?qū)ο蠓椒ㄖ惺褂米顝V泛的原則之一。通過(guò)抽象的概念和方法來(lái)理解面向?qū)ο蟮闹饕枷肟梢詭椭藗兏玫睦斫饷嫦驅(qū)ο蠹夹g(shù),培養(yǎng)抽象思維,使用面向?qū)ο笤瓌t來(lái)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

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