十四、面向對象方法與面向對象數據庫

　　1.面向對象技術的形成與發展

　　80年代以來，面向對象語言如雨后春筍搬出現，形成了面向對象語言的兩大類:一類是純面向對象的語言，如Smalltalk和Eiffel等;另一類是混合型面向對象語言，即在過程語言中增加面向對象的機制，如C++、Objective-C等等。現在，作為80年代最流行的C語言的擴充的面向對象C++，是目前應用最廣泛的語言。C++編譯產生的代碼性能幾乎與傳統的C編譯產生的代碼性能相同。面向對象的Pascal和BASIC也已在DOS、Windows上OS/2中實現。現在，面向對象技術已成為一種廣泛使用的成熟的技術和方法，有一系列成熟的商品軟件工具支持OON。OON中涉及到下列一些基本概念:信息(Information)是指對事物的一種表示或描述。對象(Object)是一個由信息及其關于信息處理的描述組成的包。消息(Message)是對某種信息的處理的描述。類(Class)是對一個或幾個相似對象的描述。實例(Instance)是被某一個特定的類所描述的一個對象。因此，每一個對象都是某個類的一個實例，而類是一些實例的全部相似特征的描述。方法(Method)是描述對象對消息的響應。對象是一個普遍適用的基本的邏輯概念，是一個有組織形式的、含有信息的實體或結構。它既可以表示一個抽象的概念，也可以表示一個具體的程序模塊;既可以表示軟件，也可以表示硬件。于是，OOM提供了同時在現實世界和機器世界進行系統分析、設計和實現的統一的方法。

　　2.程序設計方法學

　　隨著軟件系統規模的擴大和復雜性的增加，軟件的開銷也驚人地增加了，而軟件的可靠性和可維護性卻明顯地下降了。為此，人們驚呼軟件危機。產生軟件危機的根本原因在于傳統的馮•諾依曼機(Von Neumann Machine)的結構和人們求解問題的方法的不一致性。這種不一致性主要表現在以下幾個方面:

　　(1)語言的鴻溝;

　　(2)程序設計的鴻溝;

　　(3)Von Neumann機的鴻溝。語言的鴻溝是形成軟件危機的主要原因之一。從目前看，面向對象的語言在緩解軟件危機方面起到了很大的作用，取得了前所未有的積極效果。

　　3.面向對象的程序設計方法

　　經驗告訴我們:在軟件系統中，“過程”或“操作”是不穩定的、多變的，而“數據結構”或“對象”卻是相對穩定多了。因此，傳統的以過程為中心而設計的軟件的可重用性差;而以數據結構或對象為中心而設計的軟件的可重用性較好。面向對象的程序設計方法以數據結構或對象為中心，力求問題在現實世界和機器世界中的一致性。在使用OOM進行程序設計時，首先進行的是面向對象的分析(Object Oriented Analysis)。其任務是了解問題所涉及的對象、對象間的關系，然后在現實世界中構造該問題的對象模型，以反映所要解決的“實質問題”。然后，進行面向對象的設計(Object Oriented Design)，即設計軟件的對象模型。根據軟件開發環境的功能，把問題的對象模型從現實世界過渡到機器世界。在軟件系統內設計出各個對象、對象間的關系(如繼承關系)，對象間的通信方式(如消息模式)等等。總之，在該階段應明確各個對象應做些什么及其關系。面向對象的實現(Object Oriented Implementation)是指軟件功能的具體實現，即怎么做的實現其中包括對象內部功能的實現、確定系統的用戶接口。在實際開發一個系統時，上述三個階段必須有機地結合在一起。現在提倡面向對象的軟件開發方法，并進一步規范化，還開發了一系列OOM的軟件工具和軟件環境，以支持軟件自動生成。

　　4.面向對象的方法的基本概念與特征

　　實質上，軟件是問題及其求解方法的一種表達形式。顯然，如果軟件能直接自然地表達求解方法，則軟件不僅易于理解，而且也具有較高可靠性與可維護性。如果能按照人們通常的思維方式，在機器世界里建立問題的模型，則可以提高軟件的模塊化和重用的可能性。面向對象方法的基本原則是:按照人們在現實世界中的通常的思維方式建立問題在機器世界的模型，設計盡可能自然地表現求解方法的軟件。在OOM中，對象(object)和消息傳遞(Message passing)分別作為表達事物及事物間相互聯系的概念。類(class)和繼承(inheritance)作為適合人們一般思維方式的描述機制。方法(method)允許各種操作作用于某類對象上。這種集對象、類、消息、繼承和方法于一體的OOM的基本點在于對象的封裝(encapsulation)和繼承。通過封裝能將對象的定義和其實現分開;通過繼承能體現類與類間的關系，并由此帶來了動態連接(dynamic binding)和實體的多態性(polymorphisim)從而構成了OOM的基本特征。

　　(1)對象為了使用計算機求解問題，現實世界的對象必須表示成計算機內部的概念，即機器世界的對象(簡稱機器對象，或對象)。為此，“對象”有在兩個不同世界的不同含義，可以從下文中區分開來。從存儲角度來看，機器對象占有一塊存儲空間，其中有數據也有方法。從機器實現機制來看，機器對象中私有數據表示了對象的狀態，該對象的狀態只能由私有的方法來改變它。每當需要對象來完成一定處理工作時，只能由其它對象向該對象發送消息，本對象響應消息后按照消息模式找出匹配的方法，并執行該方法，方法定義了該對象上的操作。

　　(2)消息和方法程序的執行是靠在對象間傳遞消息來完成的。7發送消息的對象稱為發送者，接收消息的對象稱為接收者。消息中僅包含發送者的要求，它只告訴接收者需要完成哪些處理，但并不指示接收者應如何完成這些處理。消息完全由接收者解釋，并決定完成所需的處理的方式。一個對象可以接收不同形式、不同內容的多個消息;相同形式的消息可以發往不同的對象。不同的對象對形式相同的消息可以有不同的解釋，因而可以作出不同的反應。這里，反應并不是必需的。這與子程序的調用/返回有明顯的不同。把全部對象分成各種對象表，每個類都定義一組所謂“方法”。方法實際上是允許作用于該類對象上的各種操作。當一個面向對象的程序在運行期間，一般要做三件事:

　　(1)根據需要創建對象;

　　(2)從一個對象(或用戶)向另一個對象傳遞消息;

　　(3)若不再需要該對象時，應刪除它，并回收它所占用的存儲單元。

　　(3)類和類的層次在面向對象的程序設計中，對象是程序的基本單位。相似的對象，可以像傳統程序設計語言中的變量與類型關系一樣，歸并到一類(class)中去。程序員只需定義一個類對象，就可以得到若干實例(instance)，作為可以使用的對象。具體地說，類由方法和數據組成，是關于一類對象的性質的描述。它包括外部特性和內部特性兩個方面。通過描述消息模式及其相應的處理能力來定義對象的外部特性。通過描述內部狀態的表現形式及固有的處理能力的實現來定義對象的內部實現特性。對象是在執行過程中，根據對象所屬的類，動態地生成的。一個類可以生成多個不同的對象。同一類對象具有相同的特性。一個對象的內部狀態只能由其自身來修改，任何別的地象都不可能修改它。因此，同一個類的對象，雖然在內部狀態的表現形式上相同，但它們可以有不同的內部狀態，故此這些對象并不完全一模一樣。一個類的上層可以有超類(superclass)，下層可以有子類(subclass)，這樣形成了一種類的層次結構。層次結構的一個重要特點是繼承性，一個類可以直接或間接地繼承其超類的全部描述。繼承性具有傳遞性。一個類可以有多個子類，也可以有多個超類。抽象類(abstract class)是一種不能建立實例的類。抽象類將有關的類組合在一起，提供了一個公共的根，其它一些子類從這個根派生出來。通常一個抽象類只描述了這個類的 有關的操作接口。或者操作的部分實現;完整的實現則被留給一個或幾個子類，抽象類一般用于定義一種協議或概念。

　　(4)繼承性繼承性(inherintance)是自動地共享子類、超類和對象中的方法和數據的一種機制。如果沒有繼承性，不同類中的對象中的數據和方法就可能出現大量的重復。繼承性比較自然地體現了對象間的聯系。

　　(5)封裝性封裝是一種信息隱蔽技術，用戶只能看到對象封裝界面上的信息，對象內部的信息對用戶是隱蔽的。封裝的目的是使對象的使用者和對象的設計者分開，使用者不必知道實現的具體細節，只須按設計者的要求來訪問對象，這樣方便于系統的集成。封裝是一種強有力的系統集成手段。封裝和類說明有關。一個類的每一個實例都是一個單獨的封裝(或組件)。顯式地把對象的規格說明(specification)和對象的實現分開是面向對象的一大特色。封裝本身即是一個模塊，把對象的定義模塊和實現模塊分開，從而使得維護和修改變得方便。

　　(6)多態性所謂多態(polymorphic)，即一個名字可以具有多種語義。多態與動態類型和靜態類型有關。動態類型是指在執行期間可以改變的類型。靜態類型是在程序文本中聲明時確定下來的類型。在面向對象的系統中，利用重名這樣多義性不會帶來混亂，并且為需求分析和設計帶來了好處。

　　5.動態聚束

　　聚束(binding)其實并不是一個新概念。一個程序經編譯到連接成為可運行的目標代碼，就是將可執行代碼聚束在一起。用傳統語言寫的程序在運行之前即可聚束，故此稱之為靜態聚束(static binding)。而面向對象語言則在程序運行時可發生聚束，故稱之為動態聚束(dynamic binding)。動態聚束增加了程序的簡單性和可擴充性，使程序增刪自如，不易出錯，但效率略低。應該指出，靜態聚束運行效率高，但修改維護時工作量大。

　　6.面向對象的系統分析方法

　　系統分析過程就是提取一個系統的需求過程，即是指為了滿足用戶的需求，系統必須做什么，而不是指系統如何實現。系統分析通常是一個需求文檔開始點，同用戶進行一系列的討論為開端。一般來說，參加制定文檔的人應包括系統的最終用戶、問題域專家、系統的開發者以及其它感興趣的人。在過去的10年中，已經在系統分析中使用了功能分解法、數據流法、信息模擬法。最近研究了面向對象分析(OOA)方法。下面將綜述這4種主要的需求分析方法。

　　(1)功能分解法 它可表示為功能=子功能+子功能接口

　　(2)數據流法 數據流法，即通常所說的結構分析法，它可表示為數據流=數據存儲+數據變換+過程說明+數據字典

　　(3)信息模擬法 信息模擬的主要建模工具是實體-關系圖，現已發展成為語義數據模型。信息模擬法可以表示為信息模擬法=對象+屬性+關系+超類+子類+對象

　　(4)面向對象法 面向對象的含義很廣，因為“對象”一詞可以在不同領域有不同的解釋，面向對象的可以表示為面向對象法=對象+類+繼承+消息通信面向對象分析是建立在信息模擬和面向對象程序設計語言的概念基礎之上的。作為一個比較全面的方法，面向對象分析由5個步驟組成:①確定類和對象;②識別結構;③識別主題;④定義屬性;⑤定義方法。現在已有了一些面向對象分析的CASE工具支持OOA，以加速OOA的自動化和標準化。

　　7.面向對象設計和面向對象實現

　　從面向對象分析到面向對象設計是一個逐步擴充的細分過程，同傳統的實體關系模型為基礎的系統分析和設計類似，面向對象的設計使用的是面向對象的概念模型。在面向對象的概念模型中以面向對象方法中的基本概念為基礎。最后，使用面向對象的語言，對設計的概念模型加以實現。限于篇幅不再詳細討論。