Java基礎：物件導向程式設計

1. 物件導向程式設計簡介

物件導向程式設計（Object-Oriented Programming，OOP）是一種以「物件」為核心的程式設計範式。它將資料和操作資料的方法組織在一起，形成了所謂的「物件」。這種方法有助於創建更加模組化、可重用和易於維護的程式碼。

Java 作為一種純物件導向的程式設計語言，擁抱 OOP 的概念。在 Java 中，除了基本資料型別外，幾乎所有東西都是物件。Java 的物件導向特性包括：

1. 封裝：通過存取修飾符控制資料的可見性。
2. 繼承：允許新類別基於現有類別創建，促進程式碼重用。
3. 多型：同一個介面可以有多個實現，增加了程式的靈活性。

2. 類別與物件

在 Java 中，類別和物件是物件導向程式設計的基本構建塊。類別是物件的藍圖或模板，而物件則是類別的實例。

類別的定義與結構

類別在 Java 中的基本結構如下：

public class Car {
    // 屬性（成員變數）
    private String brand;
    private String model;
    private int year;

    // 建構子
    public Car(String brand, String model, int year) {
        this.brand = brand;
        this.model = model;
        this.year = year;
    }

    // 方法
    public void startEngine() {
        System.out.println("引擎啟動！");
    }

    // Getter 和 Setter 方法
    public String getBrand() {
        return brand;
    }

    public void setBrand(String brand) {
        this.brand = brand;
    }

    // 其他 getter 和 setter 方法...
}

物件的創建與使用

一旦定義了類別，我們就可以創建該類別的物件並使用它：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建 Car 類別的物件
        Car myCar = new Car("Toyota", "Corolla", 2022);

        // 使用物件的方法
        myCar.startEngine();

        // 使用 getter 方法
        System.out.println("我的車是 " + myCar.getBrand());
    }
}

建構子

建構子是一種特殊的方法，用於初始化新創建的物件。它的名稱必須與類別名稱相同，且沒有回傳型別。

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    // 無參數建構子
    public Person() {
        this.name = "未知";
        this.age = 0;
    }

    // 帶參數建構子
    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
}

3. 封裝

封裝是物件導向程式設計的四大基本概念之一，它指的是將資料和操作資料的方法綁定在一起，並對外部隱藏內部的實現細節。在 Java 中，封裝主要通過存取修飾符和 getter/setter 方法來實現。

存取修飾符

Java 提供了四種存取修飾符，用於控制類別成員的可見性：

1. private：只能在同一個類別中存取
2. default（無修飾符）：同一個套件中的類別可以存取
3. protected：同一個套件中的類別和所有子類別可以存取
4. public：任何類別都可以存取

Getter 和 Setter 方法

為了實現封裝，我們通常將類別的屬性設為 private，然後提供公開的 getter 和 setter 方法來存取和修改這些屬性。

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    // Getter 方法
    public String getName() {
        return name;
    }

    // Setter 方法
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        if (age > 0 && age < 120) {  // 加入驗證邏輯
            this.age = age;
        } else {
            System.out.println("無效的年齡");
        }
    }
}

資料隱藏的重要性

封裝的主要優點包括：

1. 資料保護：防止外部直接存取和修改物件的內部狀態。
2. 靈活性：可以改變內部實現而不影響外部程式碼。
3. 可維護性：更容易管理和維護程式碼。

例如，我們可以在 setter 方法中加入驗證邏輯，確保資料的正確性：

public class BankAccount {
    private double balance;

    public double getBalance() {
        return balance;
    }

    public void deposit(double amount) {
        if (amount > 0) {
            balance += amount;
        } else {
            System.out.println("存款金額必須大於零");
        }
    }

    public void withdraw(double amount) {
        if (amount > 0 && amount <= balance) {
            balance -= amount;
        } else {
            System.out.println("提款金額無效或餘額不足");
        }
    }
}

通過封裝，我們可以確保物件的內部狀態始終保持一致和有效，同時為未來的修改和擴展提供了靈活性。

4. 繼承

繼承是物件導向程式設計中的一個核心概念，它允許我們基於現有的類別創建新的類別。在 Java 中，繼承使用 extends 關鍵字來實現。

繼承的概念與語法

基本語法如下：

public class 子類別 extends 父類別 {
    // 子類別的成員
}

例如：

public class Animal {
    protected String name;

    public void eat() {
        System.out.println(name + " 正在吃東西");
    }
}

public class Dog extends Animal {
    public void bark() {
        System.out.println(name + " 汪汪叫");
    }
}

在這個例子中，Dog 類別繼承了 Animal 類別，因此 Dog 類別擁有 Animal 類別的所有公開和受保護的成員。

方法覆寫

子類別可以覆寫（override）父類別的方法，提供自己的實現：

public class Cat extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println(name + " 優雅地吃東西");
    }
}

使用 @Override 註解可以確保我們確實在覆寫父類別的方法。

super 關鍵字

super 關鍵字用於呼叫父類別的方法或建構子：

public class Bird extends Animal {
    public Bird(String name) {
        super(name);  // 呼叫父類別的建構子
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();  // 呼叫父類別的 eat 方法
        System.out.println(name + " 啄食");
    }
}

繼承的優點與注意事項

繼承的主要優點包括：
1. 程式碼重用
2. 建立類別層次結構
3. 多型的基礎

繼承要注意：
1. 避免過度使用繼承，可能導致類別層次過於複雜
2. 遵循「組合優於繼承」的原則
3. Java 不支援多重繼承，但可以通過介面實現類似的功能

5. 多型

多型是物件導向程式設計的另一個重要概念，允許我們以一致的方式處理不同類別的物件。在 Java 中，多型主要通過方法覆寫和介面實現。

多型的概念

多型允許一個介面有多種實現。這意味著可以使用父類別的參考變數來引用子類別的物件。

方法多型

方法多型是通過方法覆寫實現的。例如：

public class Animal {
    public void makeSound() {
        System.out.println("動物發出聲音");
    }
}

public class Dog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("狗：汪汪！");
    }
}

public class Cat extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("貓：喵喵！");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal1 = new Dog();
        Animal animal2 = new Cat();

        animal1.makeSound();  // 輸出：狗：汪汪！
        animal2.makeSound();  // 輸出：貓：喵喵！
    }
}

運算子多型

Java 也支援某些運算子的多型，如 + 運算子可用於數字相加或字串連接。

向上轉型與向下轉型

• 向上轉型（Upcasting）：將子類別的參考賦值給父類別的變數，這是自動完成的。
• 向下轉型（Downcasting）：將父類別的參考轉換為子類別的參考，需要明確的類型轉換。

Animal animal = new Dog();  // 向上轉型
Dog dog = (Dog) animal;     // 向下轉型

if (animal instanceof Cat) {
    Cat cat = (Cat) animal;  // 使用 instanceof 檢查類型安全
}

6. 抽象類別與介面

抽象類別和介面是 Java 中實現抽象化的兩種重要機制，它們在設計複雜系統時扮演著關鍵角色。

抽象類別的定義與用途

抽象類別是一種不能被實例化的類別，它可以包含抽象方法（沒有實作的方法）和具體方法。

abstract class Shape {
    protected String color;

    public Shape(String color) {
        this.color = color;
    }

    // 抽象方法
    public abstract double getArea();

    // 具體方法
    public void displayColor() {
        System.out.println("顏色是：" + color);
    }
}

class Circle extends Shape {
    private double radius;

    public Circle(String color, double radius) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

抽象類別的主要用途： 1. 為一組相關的類別提供一個共同的基類 2. 定義模板方法，子類別可以根據需要覆寫這些方法

介面的定義與實現

介面是一種完全抽象的類型，只包含抽象方法的宣告。

interface Drawable {
    void draw();
}

class Rectangle extends Shape implements Drawable {
    private double width;
    private double height;

    public Rectangle(String color, double width, double height) {
        super(color);
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public double getArea() {
        return width * height;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("繪製一個矩形");
    }
}

介面的主要特點：
1. 可以實現多重繼承
2. 定義一組相關方法的規範
3. 默認方法（default method）和靜態方法（static method）（Java 8+）

默認方法（Default Method）
定義位置：默認方法是在接口中定義的，使用 default 關鍵字。
目的：允許接口添加新方法而不影響實現該接口的類。這樣可以保持向後兼容性。
實現：默認方法可以有具體的實現，實現類可以選擇使用默認實現或重寫該方法。

interface MyInterface {
    default void myDefaultMethod() {
        System.out.println("這是默認方法");
    }
}

靜態方法（Static Method）
定義位置：靜態方法可以在類中或接口中定義，但在接口中使用 static 關鍵字。
目的：靜態方法屬於類本身，而不是類的實例。可以直接通過類名調用。
無法重寫：靜態方法不能被實現類重寫，因為它們不屬於對象的實例。

class MyClass {
    static void myStaticMethod() {
        System.out.println("這是靜態方法");
    }
}

抽象類別 vs 介面

選擇使用抽象類別還是介面取決於具體需求：

使用抽象類別

• 當你想要在相關的類別之間共享程式碼
• 需要存取非公開的成員變數或方法
• 需要宣告非靜態或非 final 的成員

使用介面

• 當你想要定義一個可由不相關類別實現的類型
• 需要實現多重繼承
• 想要指定特定行為，而不關心誰來實現它

7. 物件導向設計原則

在物件導向程式設計中，遵循一些設計原則可以幫助我們創建更加靈活、可維護和可擴展的系統。以下是一些重要的設計原則：

SOLID 原則簡介

SOLID 是五個物件導向設計原則的縮寫：

單一職責原則（Single Responsibility Principle, SRP）

• 一個類別應該只有一個改變的理由。

開放封閉原則（Open-Closed Principle, OCP）

• 軟體實體應該對擴展開放，對修改封閉。

里氏替換原則（Liskov Substitution Principle, LSP）

• 子類別必須能夠替換其父類別而不影響程式的正確性。

介面隔離原則（Interface Segregation Principle, ISP）

• 多個特定客戶端介面優於一個通用介面。

依賴反轉原則（Dependency Inversion Principle, DIP）

• 高層模組不應該依賴於低層模組，兩者都應該依賴於抽象。

設計模式概述

設計模式是解決常見設計問題的可重用解決方案。一些常見的設計模式包括：

1. 創建型模式：如單例模式、工廠模式、建造者模式等。
2. 結構型模式：如適配器模式、裝飾者模式、代理模式等。
3. 行為型模式：如觀察者模式、策略模式、命令模式等。

物件導向設計的最佳實踐

1. 組合優於繼承：盡可能使用組合來實現程式碼重用，而不是過度依賴繼承。

2. 程式設計到介面，而不是具體實現：這增加了程式的靈活性。

3. 保持類別的高內聚性和低耦合性：每個類別應該專注於單一任務，並儘量減少對其他類別的依賴。

4. 遵循 DRY 原則（Don't Repeat Yourself）：避免程式碼重複。

5. YAGNI 原則（You Ain't Gonna Need It）：只實現當前需要的功能，避免過度設計。

6. 使用設計模式，但不要濫用：設計模式是工具，不是目標。

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