第2章 面向对象
“一树一菩提，一‘门’一世界。”一切皆对象，万物有三问：我是谁？我从哪里来？我到哪里去？
本章开始讲解面向对象思想，并以Java 为载体讲述面向对象思想在具体编程语言中的运用与实践。当前主流的编程语言有50 种左右，主要分为两大阵营：面向对象编程与面向过程编程。
面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP）是划时代的编程思想变革，推动了高级语言的快速发展和工业化进程。OOP 的抽象、封装、继承、多态的理念使软件大规模化成为可能，有效地降低了软件开发成本、维护成本和复用成本。面向对象编程思想完全不同于传统的面向过程编程思想，使大型软件的开发就像搭积木一样隔离可控、高效简单，是当今编程领域的一股势不可当的潮流。OOP 实践了软件工程的三个主要目标：可维护性、可重用性和可扩展性。
2.1 OOP 理念
面向过程让计算机有步骤地顺序地做一件事情，是一种过程化的叙事思维。但是在大型软件开发过程中，发现用面向过程语言开发，软件维护、软件复用存在着巨大的困难，代码开发变成了记流水账，久而久之就成为“面条”代码，模块之间互相耦合，流程互相穿插，往往牵一发而动全身。面向对象提出一种计算机世界里解决复杂软件工程的方法论，拆解问题复杂度，从人类思维角度提出解决问题的步骤和方案。
比如“开门”这个动作，面向过程是“open(Door door)”，动宾结构，“door”是被作为操作对象的参数传入方法的，方法内定义开门的具体步骤实现。而在面向对象的世界里，首先定义一个对象“Door”，然后抽象出门的属性和相关操作，属性包括门的尺寸、颜色、开启方式（往外开还是往内开）、防盗功能等；门这个对象的操作必然包括open() 和close() 两个必备的行为，主谓结构。面向过程的代码结构相对松散，强调如何流程化地解决问题；面向对象的思维更加内聚，强调高内聚、低耦合，先抽象模型，定义共性行为，再解决实际问题。
但是，编程语言仅是一个工具，就像练武之人的剑，武功高者草木皆剑，武功差者即使倚天剑在身也依然平庸。所以，能否将工具的价值发挥得淋漓尽致，最终还是取决于开发工程师本身。优秀的开发工程师用面向过程的语言也能把程序写得非常内聚，可扩展性好，具备一定的复用性；而平庸程序员用面向对象语言一样能把程序写得松散随意、毫无抽象与建模、模块间耦合严重、维护性差。
传统意义上，面向对象有三大特性：封装、继承、多态。本书明确将“抽象”作为面向对象的特性之一，支持面向对象“四大特性”的说法。抽象是程序员的核心素质之一，体现出程序员对业务的建模能力，以及对架构的宏观掌控力。虽然面向过程也需要进行一定的抽象能力，但是相对来说，面向对象思维，以对象模型为核心，丰富模型的内涵，扩展模型的外延，通过模型的行为组合去共同解决某一类问题，抽象能力显得尤为重要；封装是一种对象功能内聚的表现形式，使模块之间耦合度变低，更具有维护性；继承使子类能够继承父类，获得父类的部分属性和行为，使模块更有复用性；多态使模块在复用性基础上更加有扩展性，使系统运行更有想象空间。
抽象是面向对象思想最基础的能力之一，正确而严谨的业务抽象和建模分析能力是后续的封装、继承、多态的基础，是软件大厦的无形基石。在面向对象的思维中，抽象分为归纳和演绎。前者是从具体到本质，从个性到共性，将一类对象的共同特征进行归一化的逻辑思维过程；后者则是从本质到具体，从共性到个性，逐步形象化的过程。在归纳的过程中，需要抽象出对象的属性和行为的共性，难度大于演绎。演绎也是一种抽象思维，并非是具像思维。如果人对理论的认知与理解存在误区，那么推理的过程一定会产生偏差，演绎的结果可能是一个抽象结果，并非一定是一个具体的对象或者物体，比如从化合物到食物，从食物到水果，都还是在抽象层面上。演绎是在已有问题多个解决方案的基础上，正确地找到合适的使用场景。在使用集合时，演绎错误比较常见，比如针对查多改少的业务场景，使用链表是非常不合理的；如果在底层框架技术选型时有错误，则有可能导致技术架构完全不适应业务的快速发展。
Java 之父 Gosling 设计的Object 类，是任何类的默认父类，是对万事万物的抽象，是在哲学方向上进行的延伸思考，高度概括了事物的自然行为和社会行为。我们都知道哲学的三大经典问题：我是谁，我从哪里来，我到哪里去。在Object 类中，这些问题都可以得到隐约的解答：
（1）我是谁？ getClass() 说明本质上是谁，而toString() 是当前我的名片。
（2）我从哪里来？ Object() 构造方法是生产对象的基本方式，clone() 是繁殖对象的另一种方式。
（3）我到哪里去？ finalize() 是在对象销毁时触发的方法。
这里重点介绍clone() 方法，它分为浅拷贝、一般深拷贝和彻底深拷贝。浅拷贝只复制当前对象的所有基本数据类型，以及相应的引用变量，但没有复制引用变量指向的实际对象；而彻底深拷贝是在成功clone 一个对象之后，此对象与母对象在任何引用路径上都不存在共享的实例对象，但是引用路径递归越深，则越接近JVM 底层对象，会发现彻底深拷贝实现难度越大，因为JVM 底层对象可能是完全共享的。介于浅拷贝和彻底深拷贝之间的都是一般深拷贝。归根结底，慎用Object 的clone() 方法来拷贝对象，因为对象的clone() 方法默认是浅拷贝，若想实现深拷贝，则需要覆写clone() 方法实现引用对象的深度遍历式拷贝。
另外，Object 还映射了社会科学领域的一些问题：
（1）世界是否因你而不同？ hashCode() 和equals() 就是判断与其他元素是否相同的一组方法。
（2）与他人如何协调？ wait() 和notify() 是对象间通信与协作的一组方法。随着时代的发展，当初抽象的模型已经有部分不适用当下的技术潮流，比如finalize() 方法在JDK9 之后直接被标记为过时方法。而wait() 和notify() 同步方式事实上已经被同步信号、锁、阻塞集合等取代。
封装是在抽象基础上决定信息是否公开，以及公开等级，核心问题是以什么样的方式暴露哪些信息。抽象是要找到属性和行为的共性，属性是行为的基本生产资料，具有一定的敏感性，不能直接对外暴露；封装的主要任务是对属性、数据、部分内部敏感行为实现隐藏。对属性的访问与修改必须通过定义的公共接口来进行，某些敏感方法或者外部不需要感知的复杂逻辑处理，一般也会进行封装。封装使面向对象的世界变得单纯，对象之间的关系变得简单，各人自扫门前雪，耦合度变弱，有利于维护。智能化的时代，对封装的要求越来越高，产品使用更加简单方便、轻松自然。就像天猫精灵，与用户交互的唯一接口就是语音输入，隐藏了指令内部的细节实现和相关数据，这些信息外部用户无法访问，即大大降低了使用成本，又有效地保护内部数据安全。
设计模式七大原则之一的迪米特法则就是对于封装的具体要求，即A 模块使用B模块的某个接口行为，对B 模块中除此行为之外的其他信息知道得尽可能少。比如：耳塞的插孔就是提供声音输出的行为接口，只需关心这个插孔是否有相应的耳塞标记，是否是圆形的，有没有声音即可，至于内部CPU 如何运算音频信息，以及各个电容如何协同工作，根本不需要去关注，这使模块之间的协作只需忠于接口、忠于功能实现即可。
封装这件事情是由俭入奢易，由奢入俭难。属性值的访问与修改需要使用相应的getter/setter 方法，而不是直接对public 的属性进行读取和修改，可能有些程序员存在疑问，既然通过这两个方法来读取和修改，那与直接对属性进行操作有何区别？如果某一天，类的提供方想在修改属性的setter 方法上进行鉴权控制、日志记录，这是在直接访问属性的情形中无法做到的。若是将已经公开的属性和行为直接暴力修改为private，则依赖模块都会编译出错。所以，在不知道什么样的访问控制权限合适的时候，优先推荐使用private 控制级别。
继承是面向对象编程技术的基石，允许创建具有逻辑等级结构的类体系，形成一个继承树，让软件在业务多变的客观条件下，某些基础模块可以被直接复用、间接复用或增强复用，父类的能力通过这种方式赋予子类。继承把枯燥的代码世界变得更有层次感，更有扩展性，为多态打下语法基础。
人人都说继承是is-a关系，那么如何衡量当前的继承关系是否满足is-a 关系呢？判断标准即是否符合里氏代换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）。LSP 是指任何父类能够出现的地方，子类都能够出现。从字面上很难深入理解，先打个比方，警察在枪战片中经常说：放下武器，把手举起来！而对面的匪徒们有的使用手枪，有的使用匕首，这些都是武器的子类。父类出现的地方，即“放下武器”，那么，放下手枪，是对的，放下匕首，也是对的！在实际代码环境中，如果父类引用直接使用子类引用来代替，可以编译正确并执行，输出结果符合子类场景的预期，那么说明两个类之间符合LSP 原则，可以使用继承关系。
继承的使用成本很低，一个关键字就可以使用别人的方法，似乎更加轻量简单。想复用别人的代码，跳至脑海的第一反应是继承它，所以继承像抗生素一样容易被滥用，我们传递的理念是谨慎使用继承，认清继承滥用的危害性，即方法污染和方法爆炸。方法污染是指父类具备的行为，通过继承传递给子类，子类并不具备执行此行为的能力，比如鸟会飞，鸵鸟继承鸟，发现飞不了，这就是方法污染。子类继承父类，则说明子类对象可以调用父类对象的一切行为。在这样的情况下，总不能在继承时，添加注释说明哪几个父类方法不能在子类中执行，更不能覆写这些无法执行的父类方法，抛出异常，以阻止别人的调用。方法爆炸是指继承树不断扩大，底层类拥有的方法虽然都能够执行，但是由于方法众多，其中部分方法并非与当前类的功能定位相关，很容易在实际编程中产生选择困难症。比如某些综合功能的类，经过多次继承后达到上百个方法，造成了方法爆炸，因而带来使用不便和安全隐患。在实际故障中，因为方法爆炸，父类的某些方法签名和子类非常相似，在IDE 中，输入类名+ 点之后，在自动提示的极为相似的方法签名中选择错误，导致线上异常。综上所述，提倡组合优先原则来扩展类的能力，即优先采用组合或聚合的类关系来复用其他类的能力，而不是继承。
多态是以上述的三个面向对象特性为基础，根据运行时的实际对象类型，同一个方法产生不同的运行结果，使同一个行为具有不同的表现形式。多态是面向对象天空中绚丽多彩的礼花，提升了对象的扩展能力和运行时的丰富想象力。我们来明确两个非常容易混淆的概念：“override”和“overload”，“override”译成“覆写”，是子类实现接口，或者继承父类时，保持方法签名完全相同，实现不同的方法体，是垂直方向上行为的不同实现。“overload”译成“重载”，方法名称是相同的，但是参数类型或参数个数是不相同的，是水平方向上行为的不同实现。多态是指在编译层面无法确定最终调用的方法体，以覆写为基础来实现面向对象特性，在运行期由JVM 进行动态绑定，调用合适的覆写方法体来执行。重载是编译期确定方法调用，属于静态绑定，本质上重载的结果是完全不同的方法，所以本书认为多态专指覆写。自然界的多态最典型例子就是碳家族，据说某化学家告诉他女朋友将在她的生日晚会上送她一块碳，女朋友当然不高兴，可收到的却是5 克拉的钻石。钻石就是碳元素在不断进化过程中的一种多态表现。严格意义上来说，多态并不是面向对象的一种特质，而是一种由继承行为衍生而来的进化能力而已。
