H 、 物件導向技術

1. H、物件導向技術 • 物件導向的基本概念 • 物件、類別 • 封裝、繼承 • 同名異式(多型) 、超荷(過載) • 物件導向分析與設計及塑模工具 • UML塑模工具

2. 物件導向？ 不使用物件導向描述一件事 使用物件導向描述一件事 青椒炒牛肉 青椒炒牛肉 • 取出青椒 500 g，用刀切成細絲，過油 • 取出牛肉 300 g，切丁，用醬油、酒、 黑醋醃製 • 起油鍋、放入牛肉炒及青椒大火快炒1 分半 • 拿出太白粉、水調在一起，這個稱為 芡汁。 • 將芡汁倒入鍋中攪拌，會產生黏稠現象 這叫芶芡 • 完成。 • 青椒數量：500 g處理：用刀切成細絲，過油 • 牛肉數量：300 g處理：切丁，用醬油、酒、黑醋醃製 • 芡汁製作：太白粉調上適量的水芶芡：將芡汁倒入鍋中 • 青椒處理好、牛肉處理好、芡汁製作好，青椒、牛肉放入鍋中快炒 1 分半後，用 • 芡汁芶芡即可。

3. 青椒炒牛肉 • 青椒數量：500 g處理：用刀切成細絲，過油 • 牛肉數量：300 g處理：切丁，用醬油、酒、黑醋醃製 • 芡汁製作：太白粉調上適量的水芶芡：將芡汁倒入鍋中 • 青椒處理好、牛肉處理好、芡汁製作好， 放入鍋中快炒 1 分半後用芡汁芶芡即可。 物件、屬性、方法 先定義好參與這件事的物品有哪些 (這些物品叫做 “物件”) • 物件導向優點：程式碼再用 再定義這些物品所需的數量及行為 (這些數量及行為叫做“屬性”與“方法”) 接下來就可用物品間的互動行為 來描述整件事情是如何發生的。(這部份的描述稱為“主程式”)

4. 1. 物件導向的基本概念 • 物件導向技術(Object-Oriented Technique) • 是繼結構化技術之後，系統開發上的新典範(Paradigm) • 以物件模式來描述真實系統，並將資料抽象化(Data Abstraction)、封裝、繼承、同名異式、超荷的觀念融入物件導向的系統開發中

5. 1.1 物件 (Object) • 物件是一種可認知的東西，是物件導向的基本思維單位 • 我們認知下圖是一輛車，是因為聯想到： • 車子是紅色。 • 車子有四個門。 • 車子有四個輪胎。

6. 物件的範例 • 例如：Car1物件模擬一輛1800cc紅色四門的Sentra車子。Car1是物件的識別字，使用Car1識別字，可以在眾多模擬其他車輛的Car2、Car3、Car4….等物件中，識別出是哪一輛車輛物件。

7. 物件的三種特性 • 狀態（State）：物件所有「屬性」(Attributes)目前的狀態值 • 例如：車子的車型、排氣量、色彩等屬性 • 以程式來說，也就是資料部分的變數，可以簡單到只是一個布林值變數，也可能是另一個物件。 • 行為（Behavior）：物件提供的服務，稱操作(Operations)或方法(Methods) • 例如：車子可以發動、停車、加速和換擋等 • 程式語言是使用程序或函數來實作行為 • 識別字（Identity）：每一個物件都擁有獨一無二的識別字來識別它是不同的物件 • 例如使用物件實際儲存的記憶體位址 (Reference)，作為物件的識別字

8. 1.2 類別 (Class) • 具有相同結構及行為的物件所組成之集合 • 類別是物件經分類(Classification)或抽象化(Abstraction)所得的結果 • 也就是將物件抽象化，僅考慮相同性質特徵，排除其差異部分，將這些物件組成一個群體，稱為類別。

9. 類別之範例

10. 類別 • 以詹姆士、愛德華物件為例，他們有相似的行為與資訊結構，可表示成一個「人」的類別。

11. 物件與類別 • 物件導向程式，都是以類別為基本單位所組成；在執行時的主體是物件，而非類別 class C { int i; //類別 C宣告了一整數變數 i } class D { public static void main(String[] args) { //程式開始的起點 C c1; // 根據類別C，宣告一個物件，名稱為 c1 c1 = new C(); // 以類別 C 為範本，產生一個物件c1 //兩者可和寫為 C c1 = new C(); c1.i = 10; System.out.println("c1.i = "+c1.i); } } 輸出結果： c1.i = 10

12. 物件與類別之Java程式實例 class Account { private int balance; //宣告一帳戶餘額 void clearAccount() { balance = 0; } //清空帳戶餘額的 "方法" void deposit(int m) { balance = balance + m; } // 存錢的 "方法" int getBalance() { return balance; } // 顯示目前餘額的 "方法" } class E { public static void main(String[] args) { Account joe = new Account(); // 產生一個帳戶：joe Account wason = new Account(); // 產生一個帳戶：wason joe.clearAccount(); // 將 Joe 的帳戶餘額清空 wason.clearAccount(); // 將 Wason 的帳戶餘額清空 joe.deposit(300); // Joe 存了 300 元 wason.deposit(500); // Wason 存了 500 元 // 顯示 Joe, Wason 目前的帳戶餘額 System.out.println("Joe has " + joe.getBalance() + "dollars."); System.out.println("Wason has " + wason.getBalance() + "dollars."); } } 輸出結果： Joe has 300 dollars. Wason has 500 dollars.

13. 1.3 封裝 (Encapsulation) • 物件導向技術，將資訊(屬性)與操作此資訊的函數(方法)包裝成一個物件，稱為封裝。 • 將物件的實作細節隱藏，使其與外界環境隔離，而只允許該物件所包含之操作修改其資訊，稱為資訊隱藏(Information Hiding)。 • 使用物件時，僅需知道物件提供何種操作，而不需知其內部之資訊或行為是如何表達或執行。 • 封裝之特性使物件導向的系統較容易維護。

14. Java的封裝 • 將物件中資源(資料或方法)的存取分為幾個等級，以管理某些資源隱藏在物件中，某些資源開放給外界使用。 • Public (公開)： 將物件內部的資源開放給外界使用。 • Private (私有)：資源的所有權完全屬於該類別，只有在物件內部才可對其作存取動作。任何外部的存取均會導致錯誤發生。 • Protected (保護)：在所屬的 package 中是被視為 public 資源；但是在其他的 package 中，則只被繼承的子類別使用。 • Default Access (預設存取)或Package(類別庫)：在所屬的 package 中是被視為 public 資源；但是在其他的 package 中，則會被視為是 private 資源而無法被使用。

15. 封裝資料之Java程式實例 class C { private int i; // 私有資料 public int j; // 公開資料 int k; // 預設存取資料 } class D { public static void main(String[] args) { C c = new C(); c.i = 5; // Error! c.i 是 private資料，禁止存取！ c.j = 10; // OK! c.k = 15; // OK! } }

16. 封裝方法之Java程式實例 class Account { private int balance; // 私有資料 void public clearAccount() { balance = 0; } // 公開方法 void deposit(int m) { balance = balance + m; } // 預設存取方法 private int getBalance() { return balance; } // 私有方法 } class D { public static void main(String[] args) { Account joe = new Account(); joe.clearAccount(); // OK! joe.deposit(300); // OK! System.out.println(“Joe has ” + joe.getBalance() + “dollars.”); // ERROR! 使用私有方法 } }

17. 1.4 繼承(Inheritance) • 承接所有父類別 (Parent Class) 所有屬性及方法，並可加以改造的特性。 • 以男人和女人物件為例，將相同的部分抽出，一般化成一個更上層的類別(父類別)，稱為「人」類別。 • 物件導向技術中，繼承概念對軟體工程有革命性的影響，如達成程式碼再用(Reuse)與減少重複描述、產生可靠度較高的軟體等。

18. 繼承之實例 • 學生和老師都是人，可先定義Person類別來模擬人類，然後擴充Person類別建立Student和Teacher類別，模擬學生和老師

19. 繼承之Java程式實例 class C { private int i; public void setInfo(int x) { i = x; } public int getInfo() { return i; } } class D extends C {} // 類別 D 繼承類別 C class E extends C {} // 類別 E 繼承類別 C class F { public static void main(String[] args) { D d = new D(); E e = new E(); d.setInfo(5); e.setInfo(7); System.out.println("The value of d is "+d.getInfo()); System.out.println("The value of e is "+e.getInfo()); } } 執行結果： The value of d is 5 The value of e is 7

20. 覆寫(overriding) • 子類別將繼承自父類別來的屬性或方法，重新定義的動作 • 變數覆寫 • 將繼承自父類別的變數遮蓋起來。(在父類別中的變數宣告並不會因此消失，它只是隱藏起來而已) • 方法覆寫 • 將繼承自父類別的方法遮蓋起來。 • 這種設計讓我們在繼承類別時，可將不符合需求的方法加以改寫，如此一來，子類別的使用者就不會也不能看到及使用父類別中的方法，以達到重新設計的目的。

21. 變數覆寫之Java程式實例 class C { int i = 10; } class D extends C { int i = 5; } class E { public static void main(String[] args) { D d = new D(); System.out.println("d = "+d.i); } } 執行結果： d = 5

22. 方法覆寫之Java程式實例 class C { void f(String s) { System.out.println("f in class C: "+s); } } class D extends C { void f(String s) { System.out.println("f in class D: "+s); // 父類別的方法被覆寫！ } } class E { public static void main(String[] args) { D d = new D(); d.f("hello"); } } 執行結果： f in class D: hello

23. 1.5 同名異式(Polymorphism) • 又稱「多型」 • 相同的方法名稱，卻定義不同的實作(implementation) • 目的：希望簡化系統發展的複雜性，並增加其彈性。 • 在人類的思維中，對於同一種工作，就算對象不同，也會使用相同名稱的操作，例如：

24. 同名異式又稱為動態多型 • 多型在程式呼叫一方法時，以動態連結(Dynamic Binding)的方式，來判斷當時被呼叫物件所屬的類別，以決定執行哪一實作 • 動態多型是建立在繼承的架構上：

25. 同名異式之Java程式實例 abstract class Shape { public abstract void f(); } class Triangle extends Shape { public void f() { System.out.println("Triangle!"); } } class Rectangle extends Shape { public void f() { System.out.println("Rectangle!"); } } class Circle extends Shape { public void f() { System.out.println("Circle!"); } } class E { public static void main (String[] args) { Shape[] s = new Shape[] { new Triangle(), new Rectangle(), new Circle() }; for (int i=0; i<s.length; i++) { s[i].f(); } } } 執行結果： Triangle! Rectangle! Circle!

26. 1.6超荷(或稱過載，Overload) • 在同一類別中有相同名稱的操作，依參數個數及參數資料型態來判斷要使用哪一個操作，又稱靜態多型。 • 例如： class C { int add(int i, int j) { return i + j; } int add(int i, int j, int k) { return i + j + k; } String add(String i, String j) { return i + j; } } class D { public static void main(String[] args) { C c1 = new C(); System.out.println(“3 + 10 = "+c1.add(3,10)); System.out.println("1 + 2 + 5 = "+c1.add(1,2,5)); System.out.println("'abc' + 'xyz' = "+c1.add("abc","xyz")); } } 執行結果： 3 + 10 = 13 1 + 2 + 5 = 8 'abc' + 'xyz' = abcxyz

27. 2. 物件導向分析與設計及塑模工具 • 統一塑模語言(Unified Modeling Language, UML) • 可以讓我們使用圖形描述系統來建立模型 • 是Rational 公司整合Booch、Rumbaugh 與Jacobson 三種方法，提出的物件導向塑模工具

28. UML的4+1觀點 • 對於複雜的軟體系統，需要透過一組UML圖形才能完整描述系統的所有資訊 • 可以從不同觀點來檢視，每一個觀點使用特定種類的UML圖形來呈現。 • Kruchten’s的4+1觀點能夠幫助我們呈現不同種類UML圖形在描述整個系統模型時扮演的角色，稱為「觀點模型」(View Model)

29. 4+1觀點 設計觀點 實作觀點 使用個案 觀點 處理流程觀點 部署觀點

30. 使用個案觀點(Use Case View) 設計觀點 實作觀點 • 從系統外部的使用者角度，來表達系統要做什麼，並不涉及系統的軟硬體架構 • 由描述系統行為的使用個案組成 • 與其他4個觀點都相關，所以稱為+1觀點 • UML：使用個案圖。 使用個案 觀點 處理流程 觀點 部署觀點

31. 設計觀點(Design View) 設計觀點 實作觀點 • 描繪系統的靜態結構以及動態行為，以做為系統所應提供之功能的解答 • 重點在系統之類別、介面、物件的合作等設計問題 • UML：類別圖、物件圖、狀態圖和互動圖 (循序圖、溝通圖、時序圖、互動概觀圖)。 使用個案 觀點 處理流程 觀點 部署觀點

32. 處理流程觀點(Process View) 設計觀點 實作觀點 • 描繪系統非功能需求的的績效(Performance)、產出(Throughput)與可擴充性(Scalability) • 著重表達系統內部的處理程序，如同步機制之執行緒(thread) • UML：活動圖。 使用個案 觀點 處理流程 觀點 部署觀點

33. 實作觀點(Implementation View) 設計觀點 實作觀點 • 以程式設計者角度的觀點 • 著重於程式碼管理的模組與元件 • 以模組或元件來顯示設計觀點的物件，是在哪一個模組或元件中實作。 • UML：元件圖。 使用個案 觀點 處理流程 觀點 部署觀點

34. 部署觀點(Deployment View) 設計觀點 實作觀點 • 從系統工程師觀點呈現的系統 • 表達系統執行時，各個組成元件的實際佈置與安裝，強調系統執行環境的硬體拓撲上各節點(Nodes)之配置。 • UML：部署圖。 使用個案 觀點 處理流程 觀點 部署觀點

35. 物件導向分析與設計之塑模 • 上述五個觀點，配合物件導向分析與設計(含需求分析、系統分析與設計)，可分為五種塑模： • 使用個案塑模（需求塑模）：使用個案圖、活動圖、藍圖與資料詞彙 • 物件結構塑模：類別圖與物件圖 • 物件互動行為塑模：循序圖與溝通圖 • 使用者介面塑模：介面結構圖、介面藍圖、介面詞彙、循序圖與狀態圖 • 系統元件與結構塑模：元件圖與部署圖

36. 圖9-7物件導向塑模活動及塑模工具 套件圖

37. 物件導向核心工作流程與塑模工具

38. 系統 分析與設計和塑模工具：結構化vs.物件導向

39. 3. UML塑模工具 • UML塑模工具(UML Modelling Tool)，可幫助系統開發者使用UML圖形進行物件導向分析與設計，快速建立軟體系統所需的模型。 • 依使用者的授權方式，可分為商業和免費版本UML塑模工具。 • 簡介影片： • UML Video 01: Choosing the right UML Package

40. 商業版本的UML塑模工具 • 提供較強大功能 • 很多都提供Community社群版，可以讓非商業用途的使用者免費使用，不過，其功能會打一些折扣，而且通常都需要線上註冊啟動後才能使用。 • 常見商業版本的UML塑模工具，如下： • IBM Rational Software Architect（RSA） • Microsoft Visio • Astah UML • Visual Paradigm for UML（VP-UML） • Enterprise Architect…

41. 免費版本的UML塑模工具 • Open Source(開放原始碼) 的免費塑模工具，和一些非商業用途使用者可全功能免費使用的UML塑模工具，例如： • StarUML • ArgoUML • Umbrello • BOUML • Software Ideas Modeler…

42. Software Ideas Modeler • 官方網站： http://www.softwareideas.net/ • 下載：http://www.softwareideas.net/en/download • 安裝： UMLVideo02: Install and Run Software Ideas Modeler