The Basics of Object-Oriented Programming

1. The Basics of Object-Oriented Programming Eric Jui-Lin Lu, Ph.D. Department of Management Information Systems National Chung Hsing University

2. Object-Oriented Programming • 物件導向程式設計（object-oriented programming）是一種以物件為核心的程式設計方式，這一類的程式會利用一個或者一個以上的物件來完成工作。 • 這一類程式設計的一項重點就是找出所需要的物件 • 當需要一個以上的物件來完成一個工作時，這些物件之間會互相呼叫（也稱之為傳送訊息，send message）來互動 • Object (or entity, instance) • 也就是物件、實體。 • 例如：汽車、人、表單等等

3. Objects • 每一個物件都擁有特性（一般稱之為屬性 attribute）以及行為（一般稱之為 method 或者 function） • 例如：描述汽車的方式有廠牌、排氣量、顏色等，汽車的行為有加速、煞車等 • 例如：描述學生的方式有姓名、學號、系別、年級、連絡住址、身高、體重等，學生的行為有選課、更改住址等 • 每一個物件的特性值說明該物件的狀態 • 我的汽車是 Honda，1600cc，灰色的轎車 • 資管系周潔輪今年是二年級，他的學號是 11223344。

4. Classes • 從一個實體中萃取出我們有興趣的特性以及行為的過程，我們稱之為抽象化（abstraction） • 以學生為例，如果我們今天要完成的系統是保健室的登錄系統，那麼我們需要從學生萃取出來的特色應該有姓名、學號、身高、和體重。可是如果要完成的系統是學生選課系統，那麼我們不會對身高和體重有興趣，自然不需要把這些特色定義出來。 • 我們需要對每一個物件都進行定義嗎？ • 以一個有一萬多人的學校，要為每一個學生物件都進行定義的話，這是非常耗時的。 • 其實，以一個特定系統而言（例如之前所說的選課系統），每一個學生物件的特色以及行為都是相同的。如果為每一個學生物件都定義的話，幾乎都是重複的。 • 因此，同一類的物件的特色以及行為的定義就統一的定義在類別（class）裡。

5. Object-Oriented Model • 要使用物件來完成工作以前，類別必須先被定義出來。 • 在寫物件導向程式的時候， • 一般來說，會建議使用現成的類別。在 Java 的套件中，已經擁有數千個類別的定義。 • 如果現成的類別不存在，我們就自己定義類別。 • 因此，Java 的每一個程式都是一個類別 • 在 Java 的程式中，我們最少需要一個類別，這個類別控制整個程式的流程，例如先取得使用者的輸入，利用物件完成工作，最後把結果呈現出來。這個類別也因此稱之為控制類別（control class）。

6. Hello World

7. Use of Date Class

8. An Example • A worker is paid at the hourly rate of $8 per hour for the first 35 hours worked. Overtime is paid at 1.5 times the hourly rate for the next 25 hours worked and paid at 2 times the hourly rate for additional hours worked. Write a program to input the number of hours worked; then calculate and output the total amount paid. • 物件是什麼？ • 描述這個物件的屬性是什麼？ • 這個物件的行為是什麼？

9. Object-Oriented Model • 開始定義這個物件的類別。這個類別，我們一般稱之為模式類別（model class）。 • 產生一個控制類別，在這個控制類別中，我們取得使用者輸入的資料，然後產生一個物件（也就是產生一個之前定義的模式類別的一個 instance），並設定這個物件的值之後，要求物件計算出薪資總額。 • 因為要用到 Input 以及 Output，我們也可以使用 JDK 提供的 IO 類別，這一類的類別也稱之為 View Class.

10. Object-Oriented Model • JDK 提供的 IO classes 有 • JOptionPane • String s = JOptionPane.showInputDialog(“Enter Hours”); • JOptionPane.showMessageDialog(null, “Hello World”); • I/O Streams (java.io.*) • BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); String s = br.readLine(); • java.util.Scanner（JDK 1.5 or above） • Scanner reader = new Scanner(System.in); int h = reader.nextInt(); • 這種將類別分成三個主要種類的模式，我們稱之為 MVC (Model, View, and Control) Model.

11. Instances vs. Classes • Constructor (建構元) • hourly rate, 1.5, and 2 怎麼辦？ • instance data • class data（加上 static） • 其差別在於 • 記憶體的考量 • instance data 必須物件存在的時候，他才存在；而 class data 是 class 存在的時候，他就存在了。 • 類似的情形也存在於 method • instance method • class method （加上 static）

12. Encapsulation • 物件導向模式的第一個特性 -- Encapsulation（封裝） • 為什麼要 encapsulation？ • Java 如何完成 encapsulation？ • public • private • protected • none • 看一下 UML 的 Class 以及 Object 的圖

13. An Exercise • 範例 A company has four salespeople who sell five different products. Once a day, each salesperson passes in a slip for each different type of product sold. Each slip contains • the salesperson number (1 to 4), • the product number (1 to 5), and • the total dollar value of that product sold that day. Thus, each salesperson passes in between 0 and 5 sales slips per day. Please write an OO program (not applet) that will read all information and summarize the total sales by salesperson.

14. Discussions • 討論的主題 • 有哪些 Model classes？ • 陣列 vs. Vector • 為什麼 Vector 的元素可以包含我們建立的 classes？想想看一個物件有時候它是某個資料型態，在另一個時候它又是另一個資料型態。這種特色稱之為多型（Polymorphism），而要了解多型，就必須先知道繼承（Inheritance）。 • Encapsulation、Inheritance、以及 Polymorphism 合稱物件導向模式的三大特色 • 注意，有非常多的專家學者強調不要為了符合這三大特色而犧牲了 reusability 和 maintainability

15. Inheritance

16. Inheritance • Superclasses vs. subclasses • base classes vs. derived classes • 子類別的物件自動繼承父類別的特性（包含屬性以及行為） • protected, private, and public（避免把問題複雜化了，自己去了解 none 在繼承架構所扮演的角色） • 產生繼承架構的方式 • specialization • generalization

17. Example • 常見的範例：圓形以及矩形。 • 如何定義一個圓形、矩形。

18. Example public class Point { protected int x, y; // coordinates of the Point public Point() { setPoint( 0, 0 ); } public Point( int a, int b ) { setPoint( a, b ); } public void setPoint( int a, int b ) { x = a; y = b; } public int getX() { return x; } public int getY() { return y; } public String toString() { return "[" + x + ", " + y + "]"; } }

19. Example public class Circle extends Point { protected double radius; public Circle() { // implicitly call superclass's constructor occurs here setRadius( 0 ); } public Circle( double r, int a, int b ) { super( a, b ); setRadius( r ); } public void setRadius( double r ) { radius = ( r >= 0.0 ? r : 0.0 ); } public double getRadius() { return radius; } // 新增：Calculate area of Circle public double area() { return Math.PI * radius * radius; } // 1. 改寫：convert the Circle to a String // 2. 存取 Point 內的屬性 x 與 y 就跟存取自己的屬性一樣 // 3. 稱為 overriding public String toString() { return "Center = " + "[" + x + ", " + y + "]" + "; Radius = " + radius; } }

20. Example • 請你為一家公司設計一套人事資訊系統，這套系統要能夠讓人事室的員工隨時新增、刪除、修改、以及查詢員工資料。 • 首先，討論我們需要記錄員工的哪些資料 • 經仔細的討論後，我們發現員工分成兩類 -- 領固定薪資的員工以及依照工作時數的員工（當然還有可能是領取營業績效的員工）。 • 請以 specialization 以及 generalization 的方式來完成繼承架構。

21. Inheritance • Inheritance  is-a relationship • Aggregation  has-a (or part of) relationship • An employee has a birthdate class Employee { String name; Date birthdate; } • The relationships between Shape, Point, Circle, and Rectangle. • Inheritance vs. Aggregation • to be discussed later. • conclusions: use them wisely.

22. Exercise • 範例 Imagine a publishing company that markets both books and CDs. This company asked you to write a program to display their products properly on the Web. After studying their requirements, you found out the information required for books includes book title, price, author name, and page numbers. The information required for CDs are CD title, price, singer's name, and playing time. Please design an appropriate inheritance hierarchy for this program.

23. Upcast and Dynamic Binding • 假設我們有一個繼承架構，其根節點為「人」，而其子節點為「白種人」、 「黃種人」、和「黑種人」。 由於每一個子類別的物件同時也是一個父類別的物件（如每一個黃種人都是 人，但是每一個人卻不一定是黃種人），所以 Java 允許子類別的物件 upcast 到父類別的物件。 • Connecting a method call to a method body is called binding. When binding is performed before the program run, it's called early binding or static binding. When the binding occurs at run-time, we call it late binding, dynamic binding, or run-time binding.

24. Upcast and Dynamic Binding • Vector • Vector 的元素都是 Object，而 Object 是所有 Java 類別的父類別（或者稱之為祖先類別） • 利用 Worker 以及 Vector 來產生 WorkerRecord.

25. Upcast and Dynamic Binding public double getSalary(int idx) { if (idx < records.size()) return ((Worker) records.get(idx)).calcSalary(); else return -1.0; } public static void main(String[] args) { WorkerRecord r = new WorkerRecord(new Worker(40)); r.setRecords(new Worker(65)); System.out.println(r.getSalary(0)); System.out.println(r.getSalary(1)); } } import java.util.*; public class WorkerRecord { //private Vector<Worker> records = // new Vector<Worker>(); private Vector records = new Vector(); public WorkerRecord() {} public WorkerRecord(Worker w) { records.add(w); } public void setRecords(Worker w) { records.add(w); } public Worker getRecords(int idx) { if (idx < records.size()) return (Worker) records.elementAt(idx); else return null; }

26. Example import java.text.DecimalFormat; import javax.swing.JOptionPane; public class UpCasting { public static void main( String args[] ) { Point pointRef, p; Circle circleRef, c; String output; p = new Point( 30, 50 ); c = new Circle( 2.7, 120, 89 ); output = "Point p: " + p.toString() + "\nCircle c: " + c.toString(); // upcasting: use the "is a" relationship to refer to a // Circle with a Point reference pointRef = c; // assign Circle to pointRef // upcasting 之後要注意的是你能用的 methods 都只是 // base class 內定義過的，否則會 compilation error //output += "\nCircle c (via pointRef): " + pointRef.area();

27. Example // 非常有意思的是這個 toString() 呼叫的是 Circle 的 // toString() 而不是 Point 的 toString()。 output += "\n\nCircle c (via pointRef): " + pointRef.toString(); // 有意思的是經過 upcasting，雖然 pointRef 是 Point， // 但是卻可以檢測出其實他代表一個 Circle 的物件 if (pointRef instanceof Circle) output += "\npointRef is an instance of Circle"; else output += "\npointRef is NOT an instance of Circle";

28. Example // Use downcasting (casting a superclass reference to a // subclass data type) to assign pointRef to circleRef circleRef = (Circle) pointRef; output += "\n\nCircle c (via circleRef): " + circleRef.toString(); DecimalFormat precision2 = new DecimalFormat( "0.00" ); output += "\nArea of c (via circleRef): " + precision2.format( circleRef.area() ); // Attempt to refer to Point object // with Circle reference // 下面這個敘述不可以，因為「不是所有的人都是黃種人」 // for details, please refer to "downcasting". //circleRef = (Circle) p; JOptionPane.showMessageDialog( null, output, "Demonstrating the \"is a\" relationship", JOptionPane.INFORMATION_MESSAGE ); System.exit( 0 ); } }

29. Upcast and Dynamic Binding • 從之前的範例，我們清楚的知道，如果要善用 dynamic binding，子類別中的方法最好也在父類別中定義，如此一來，當我們呼叫一個物件行為的時候，可以由系統自動的依照物件的真正型態來 binding 到正確的方法 • 以 Circle 以及 Rectangle 為例 • 以人事系統為例

30. Upcast and Dynamic Binding • 在把之前的人事系統為例，假設我們要求寫一個程式，使得使用者可以輸入 10 個員工，而這十個員工有些是 SalaryEmployee，有些是 HourlyEmployee，可以事先我們不知道他們各別是多少個，使用者又不知道將來可能會輸入的順序 • 這個類似快打旋風中，程式無法事先知道使用者會選用哪一個角色 • 解法（概念） • 我們都知道 SalaryEmployee 和 HourlyEmployee 都是 Employee（upcast 可以完成），所以… • 而我們設計的時候，又可以善用 dynamic binding • 重要結論：Employee 物件有時候是 Employee，有時候是 SalaryEmployee，有時候又是 HourlyEmployee，這就是多型的概念。

31. Polymorphism • 一個物件（如 employees[i]）可以擁有一種以上的「面像」(forms)，而且「面像」 之間又有一定的關係（這個關係就是能夠使用多型的物件其資料型態必須是所有可能 出現的面像的父類別），這就是「多型」的由來。 • Polymorphism means you can use a variable of a superclass type to hold a reference to an object whose class is the superclass or any of its subclasses.

32. Exercise • 範例 Continue from the previous example. Please finish a POS (Point-Of-Sale) program that will print out the list of sold items and calculate the total amount of the sold items.

33. Inheritance • Single Inheritance vs. Multiple Inheritance • A Famous Problem  Diamond Problem • 侏儸紀公園的年代

34. Inheritance abstract class Animal { abstract void talk(); } class Frog extends Animal { void talk() { System.out.println("Ribit, ribit."); } } class Dinosaur extends Animal { void talk() { System.out.println("Oh I'm a dinosaur and I'm OK..."); } } // 要特別注意的是 Java 並不支援多重繼承。所以這段程式只是 // 用來說明 diamond problem 的概念 class Frogosaur extends Frog, Dinosaur { } ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 現在如果某個程式做了下列的宣告， Animal animal = new Frogosaur(); animal.talk(); 那麼問題就來了，這隻 Frogosaur 究竟要發出哪一種聲音呢？