- 面向对象程序设计教程（C#版）
- 刘瑞新等编著
- 8858字
- 2021-03-28 05:12:48
第1章 类和对象
面向对象程序设计（Object-Oriented Programming，OOP）是一种程序设计架构，同时也是一种程序开发的方法。对象指的是类的实例，它将对象作为程序的基本单元，将程序和数据封装其中，以提高代码的重用性、灵活性和扩展性。
1.1 面向对象的概念
世界是由什么组成的？现实世界是由一个一个对象组成的，例如看到的东西、听到的事件、想到的事情，这些都是对象，也就是说万事万物皆对象。不同的对象，既相互独立，又相互联系，人们面向的世界就是“面向对象”的。
1.1.1 对象抽象成类
对象（Object）抽象为类（Class）的过程，是在系统分析阶段完成的。
1.分析对象的特征
对象是人们要分析的任何事物，它不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件，不同的对象呈现不同的特征。由于对象反映了现实世界，人们通过面向对象的方法就可以找到合理地解决问题的方法。怎样区分这些对象呢？就是分析与系统相关对象的特征，包括状态（静态特征）和操作（动态特征）。如图1-1所示为对象的部分特征的分析。
图1-1 对象的部分特征
状态：用于描述对象的静态特征，表示对象“是什么样子”。对象的状态用一些数据来描述，在程序中称为字段或属性。
操作：用于描述对象的动态特征，表示对象“能做什么”。对象的操作用于改变对象的状态，对象的操作就是对象的行为，在程序中称为方法或函数。
对象实现了状态和操作的结合，使状态和操作封装在一个对象之中，如图1-2所示。
图1-2 对象的特征
2.对象抽象成类
抽象就是从特定角度出发，从已经存在的事物中提取现实世界中某事物的关键特性，为该事物构建模型的过程。对同一事物在不同的需求下，需要提取的特性可能不一样。得到的抽象模型中一般包含：状态（属性）和操作（方法或函数），这个抽象模型称为类。
现实世界中的事物都可以抽象成应用系统软件中的对象，提取出人们所关注的对象。对这些对象再分析与应用系统相关的特征，对不同特征的对象进行分类，把具有相同或相似特征的对象进行归类，即抽象成类，如图1-3所示。
例如，要研发一款学校管理系统软件，依据学校中的对象的特征，分为人、场馆、物品、课程等类别。学校中的“人”，根据特征又可分为管理人员、教师、后勤人员、学生等类别，这种“类别”在面向对象中称为“类”。类是具有相同状态和操作的一组对象的集合。
类是对象的抽象，仅仅是模板，比如说“人”类。对类进行实例化得到对象，对象是一个一个看得见、摸得着的独一无二的具体实体，一个对象具有唯一的状态和操作，如图1-4所示。
图1-3 由对象抽象成类
图1-4 类与对象
面向对象技术利用“面向对象思想”去描述“面向对象的世界”。面向对象是把问题分解成各个对象，在系统分析阶段把这些对象抽象成不同的类，建立类和描述这类对象在解决问题时的特征（状态和操作），形成类模板。其中的操作，在类定义中是用方法来实现的。
【课堂练习1-1】指出下面词语哪些是类？哪些是对象？
笔记本电脑 院中的那辆白色轿车 员工 同事小李
汽车 大象 我家的小狗 越野车
我的手机 我选的本学期的课程 我选的C#课程 教师
【例1-1】使用面向对象的思想描述并抽象出学生类。
功能描述：常用的学生信息有姓名、性别、年龄、班级等基本信息，学习完一门课程后需要参加考试，只有考试通过后才能进入下一门课的学习。
请根据描述，从对象抽象出学生类。要求定义学生类，并在主方法中实例化学生对象。
思路分析如下。
1）分析问题：学生学习课程。
2）提炼对象：学生。
3）分析对象的状态：姓名、性别、年龄、班级等。
4）分析对象的操作：学习、考试等。
5）定义类：学生类Student。
状态：
姓名name
性别gender
年龄age
班级grade
操作：
显示学习的课程Study（course），course是显示的课程名称
显示考试的课程Exam（course，score），course课程，score成绩
【课堂练习1-2】请使用面向对象的思想描述并抽象出“台湾烧仙草奶茶连锁店”的类。
功能描述：不同的“台湾烧仙草奶茶连锁店”具有相同的环境、奶茶品种、价格、服务等，显示某编号奶茶店的信息。
【例1-2】使用面向对象的思想描述长方体类。
功能描述：长方体有3条棱，分别叫作长方体的长，宽，高。用这3条棱既能描述一个长方体，也可以计算长方体的体积、表面积。
思路分析如下。
1）分析问题：用长方体的3条棱就能描述一个长方体，计算长方体的体积、表面积。
2）提炼对象：长方体。
3）分析对象的状态：长，宽，高。
4）分析对象的操作：计算长方体的体积、表面积。
5）定义类：长方体类Cuboid。
状态：
长length
宽width
高height
操作：
计算长方体的体积Cubage，长方体的体积=长×宽×高
计算长方体的表面积TotalArea，长方体的表面积=（长×宽+长×高+宽×高）×2
1.1.2 由类创建对象
在编程阶段，由类模板生成（或创建）对象（实例），如图1-5所示。
类是对象的抽象，而对象是类的具体实例。类是抽象的，不占用内存，而对象是具体的，占用存储空间。类是用于创建对象的蓝图，它是一个定义包括在特定类型对象中的方法和变量的模板。例如，由“人”类创建“刘强”“王芳”对象，如图1-6所示。
图1-5 由类创建对象
图1-6 创建对象
类是具有相同状态（特征）和操作（方法或函数）的一组对象集合。类是对象的类型，不同于基本数据类型（例如，int类型），类具有操作。对象是一个能够看得到、摸得着的具体实体。
1.1.3 对象之间的通信
对象之间的通信称为消息，如图1-7所示。在对象的操作中，当一个对象的消息发送给某个对象时，消息包含接收对象去执行某种操作的信息。发送一条消息至少要包括说明接受消息的对象名、发送给该对象的消息名（即对象名、方法名）。
图1-7 对象之间的通信
面向对象的思想就是以对象为中心，先开发类，然后实例化对象，通过对象之间相互通信实现功能。
1.1.4 面向对象开发的特点
面向对象开发就是采用“现实模拟”的方法设计和开发程序，面向对象是把问题分解成各个对象，描述这个对象在解决问题时的状态和操作。面向对象技术利用“面向对象的思想”去描述“面向对象的世界”。面向对象开发的主要特点如下。
1）虚拟世界与现实世界的一致性。
2）客户与软件开发师交流更顺畅。
3）软件开发人员内部交流更顺畅。
4）代码重用性高，可靠性高，开发效率高。
1.2 定义类、创建对象
在编程时，要先定义类，然后再创建这个类的对象（实例）。
1.2.1 定义类
定义类的语法格式如下。
各项的含义如下。
1）“访问修饰符”用来限制类的作用范围或访问级别，类的修饰符只有public和internal两种（嵌套类除外）。其中，声明为public的类可以被任何其他类访问；声明为internal的类只能从同一个程序集的其他类中访问，即只有当前项目中的代码才能访问。若省略访问修饰符，则默认为internal。
2）“类名”的命名与变量命名规则相同，类名使用Pascal命名规范。类名使用能够反映类功能的名词或名词短语。单独定义的类文件名要能反映类的内容，最好是与类同名。
1.2.2 类的成员
在类的定义中，类的成员包含字段成员、方法成员等。字段成员用于描述状态，方法成员用于描述操作。
1.字段
类的成员变量又称为字段成员，字段成员也称成员变量，格式如下。
访问修饰符数据类型字段名=初值；
1）如果不希望其他类访问该成员，则在定义该类的成员时，“访问修饰符”使用protected或private；如果希望其他类访问该成员，则在定义该类的成员时，用public访问修饰符。例如：
publicstringname；//姓名
2）“字段名”使用camel命名规范来命名，使用名词定义字段名称。
3）“初值”表示该字段的初始状态，例如：
publicintage=18；//年龄，整型，初值18岁
2.方法成员
在类的定义中，类的方法成员在C#中称为方法，在其他程序语言中称为函数。格式如下。
1）这里介绍的方法成员，其“访问修饰符”不能是私有的private或受保护的protected，要声明为public，才能在其他类中访问到。
2）“返回值类型”可以是string、int等基本数据类型，也可以是类类型。如果该方法不返回值，则使用void关键字。
采用以下形式声明一个无参数的、不返回值的方法：
方法执行完毕后可以不返回任何值，也可以返回一个值。如果方法有返回值，那么方法体中必须要有return语句，且return语句必须指定一个与方法声明中的返回类型一致的表达式；如果方法不返回任何值，则返回类型为void。方法体内可以有return语句，也可以没有return语句，return语句的作用是立即退出方法的执行。
3）“方法名”使用Pascal命名规范，应使用动词或动词短语。在一个类中，访问修饰符或功能相同的方法应该放在一起。
4）“形参列表”是包括类型名和名称的列表，类型可以是简单数据类型，也可以是类类型。形参列表可以没有，也可以多个。即使不带参数也要在方法名后加一对圆括号。形参列表的形式如下。
类型1形参1，类型2形参2，…
方法成员中的“形参列表”是形式参数表（简称形参parameter），是在定义方法的时候使用的参数，目的是用来接收调用该方法时传入的参数。形参的本质是一个名字，不占用内存空间。
5）“方法体”就是方法中的0个或多个语句。
【例1-3】对【例1-1】中分析的类，可以定义类的代码如下。
在Visual Studio中，按下面方法创建类。
1）运行Visual Studio，打开“文件”菜单，依次单击“新建”→“项目”，如图1-8所示。
2）显示“新建项目”对话框，在左侧栏中选中“Visual C#”，在中部单击“控制台应用程序”，在“位置”中输入保存项目的路径，在“名称”中输入项目名，如图1-9所示，单击“确定”按钮。对于初学者，控制台程序是学习基础知识的最好工具。
图1-8 新建项目菜单
图1-9 “新建项目”对话框
3）显示代码视图窗口，在“解决方法资源管理器”窗格中，右击项目名，显示快捷菜单，单击“添加”→“类”，如图1-10所示。
4）显示“添加新项”对话框，如图1-11所示，在对话框中部选定“类”，此时“名称”框中默认类文件的名称为Class1.cs，建议更改为与类名相同，这里更改为Student.cs，然后单击“添加”按钮。
图1-10 项目名的快捷菜单
图1-11 “添加新项”对话框
5）显示“Student.cs”代码窗格，如图1-12所示。在“Student.cs”代码窗格中输入定义Student类的代码，如图1-13所示。
图1-12 “Student.cs”代码窗格
图1-13 在“Student.cs”窗格中输入定义类的代码
也可以不用前面的方法添加类，而是在“Program.cs”窗格的namespace{}中输入定义类的代码，如图1-14所示。对于只有几个类的简单程序，采用这种方法更直观方便。
图1-14 在“Program.cs”窗格输入定义类的代码
【课堂练习1-3】对【课堂练习1-2】中分析的类，请写出定义类的代码。
【例1-4】对【例1-2】中分析的类，可以定义类的代码如下。
1.2.3 成员变量
成员变量是在类中定义的变量，字段、属性都能够叫作成员变量。定义在方法中的变量称为局部变量。
1.成员变量与this关键字
如果局部变量的名字与成员变量的名字相同，要想在该方法中使用成员变量，必须使用this关键字。在C#中，this关键字有多种用法，这里介绍在类定义中的用法，this用于区分成员变量和局部（本地）变量（或参数）。this关键字就是表示类中定义的成员名。
【例1-5】定义一个名为Person的类，类中包括字段：name（姓名）、gender（性别）、age（性别），包括方法：Study（）、Work（）。代码如下。
上面Study（）、Work（）方法中的this.name表示成员名，name、age表示形式参数或局部（本地）变量。在方法中，通过this可以在语义上区分成员名、参数名（或局部变量）。
注意：在实际编程中是不建议参数名与字段名相同的，这样做降低了代码的易读性，这里只是为了说明this关键字的用法而已。
2.成员变量与局部变量的区别
（1）成员变量
1）成员变量定义在类中，在整个类中都可以被访问。
2）成员变量随着对象的建立而建立，随着对象的消失而消失，存在于对象所在的堆内存中。
3）成员变量有默认初始化值。
（2）局部变量
1）局部变量只定义在局部范围内，如方法（函数）内、语句内等，只在所属的区域有效。
2）局部变量存在于栈内存中，作用范围结束后，变量空间会自动释放。
3）局部变量没有默认初始化值。
在使用变量时需要遵循的原则：就近原则。首先在局部范围找，有就使用；接着在成员位置找。
（3）成员变量与局部变量的区别
1）在类中的位置不同。
成员变量：在类中方法外面。
局部变量：在方法或者代码块中，或者方法的声明上（即在参数列表中）。
2）在内存中的位置不同。
成员变量：在堆中（方法区中的静态区）。
局部变量：在栈中。
3）生命周期不同。
成员变量：随着对象的创建而存在，随着对象的消失而消失。
局部变量：随着方法的调用或者代码块的执行而存在，随着方法的调用完毕或者代码块的执行完毕而消失。
4）初始值不同。
成员变量：有默认初始值。
局部变量：没有默认初始值，使用之前需要赋值，否则编译器会报错（The local variable xxx may not have been initialized）。
1.3 创建对象
类是创建对象的模板，一个类可以创建多个对象，每个对象都是类类型的一个变量；创建对象的过程也叫类的实例化。每个对象都是类的一个具体实例（Instance），拥有类的成员变量和成员方法。
1.3.1 对象的声明与实例化
对于已经定义的类，就可以用它作为数据类型来创建类的对象，简称对象。创建类的对象分为以下两个步骤。
1.声明对象引用变量
声明对象也称声明类变量，其语法格式如下。
类名 对象名；
1）“类名”是已经定义的类名称。
2）“对象名”使用camel命名规范来命名，使用名词命名对象名称。
例如，声明一个Student类型的对象stu，代码如下。
Student stu；//声明Student类的类型的对象stu，但未实例化
上面代码，只声明了Student类型的变量，并没有对类中的成员赋值，即未实例化，类成员没有实例化将不能访问。
2.创建类的实例
创建类的实例也称实例化一个类的对象，简称创建对象。可以对已声明的对象进行实例化（也称初始化），实例化对象需要使用运算符new。其语法格式如下。
对象名=new类名（参数列表）；
“参数列表”是可选的，根据类的构造函数来确定。“参数列表”将在构造函数中介绍。
例如，下面代码创建Student类的实例，并赋给stu对象，对stu对象进行初始化。
stu=new Student（）；//创建Student类的实例，并把引用地址赋给stu
通常是把上面声明对象与实例化对象的两个语句合在一起，其语法格式如下。
类名 对象名=new类名（参数列表）；
例如，把上面两行代码写在一起，代码如下。
Student stu=new Student（）；//声明Student类型的对象stu，并初始化stu对象
使用类声明的对象，实质上是一个引用类型变量，使用运算符new和构造函数来实例化对象并获取内存空间。
注意：有关类的实例（对象）的声明与创建不能放在该类的内部，只能在外部（即其他类中），通常写在class Program类的Main（）方法中。
1.3.2 对象成员的访问
类或对象成员的访问，可分为在本类内使用该成员、实例成员的访问和实例方法的访问3种方式。
1.在本类内使用成员
如果在本类内使用成员，类名可以省略，用this表示本类内的成员。格式如下。
this.成员
2.实例成员的访问
如果在其他类中访问实例成员，格式如下。
对象名.成员名
说明：“.”是一个运算符，其功能是访问指定类型或命名空间的成员。
例如，下面代码为对象的成员赋值：
stu.gender="女"；//为stu对象的gender成员赋值
3.实例方法的访问
实例方法的使用格式如下。
对象名.方法名（实参列表）；
在调用方法时，实际参数（简称实参argument）将赋值给形参。因而，必须注意实参的个数、类型，应与形参一一对应，并且必须要有确定的值。实参的本质是一个变量，并且占用内存空间。只有在程序执行过程中调用了方法，形参才有可能得到具体的值，并参与运算求得方法值。实参列表的形式如下。
实参1，实参2，…
使用带有返回值的方法使用时，调用实例方法的格式一般采用：
变量名=对象名.方法名（实参1，实参2，…）；
如果不需要使用方法的返回值，则采用如下调用格式：
对象名.方法名（实参1，实参2，…）；
例如，下面代码：
stu.Study（"英语"）；//访问stu对象的study（）方法，实参是“英语”
1.3.3 类和对象应用示例
【例1-6】在【例1-3】定义类的基础上，在Program类的Main（）方法中编写如下代码。
在如图1-15所示的窗口中，单击“Program.cs”标签，或者在“解决方案资源管理器”窗格中双击“Program.cs”，显示“Program.cs”代码窗口。在“static void Main（string[]args）”下的“{}”中输入主程序代码，如图1-16所示。
图1-15 “Program.cs”代码窗口
图1-16 输入主程序代码
为了查看程序的运行结果，单击“调试”菜单中的“开始执行（不调试）”命令，如图1-17所示。
显示程序运行结果，如图1-18所示。查看运行结果后，关闭运行窗口，因为只有关闭运行窗口后，才能在代码窗口中编辑。
图1-17 “调试”菜单
图1-18 运行结果
【课堂练习1-4】请在【课堂练习1-3】定义类的基础上编写代码，在主程序中编写创建对象，给字段赋值，调用方法的代码。
【例1-7】在【例1-4】定义类的基础上，在Program类的Main（）方法中编写如下代码。
1.4 命名空间
命名空间有两个作用，一是便于管理，二是避免命名冲突。
1.4.1 命名空间概述
在现实生活中，例如家庭物品，往往是按物品的类别、使用频率等分别存放，图书放在书架上，衣服放在衣柜中，鞋子放在鞋架上，厨具放在厨房中，这是为了便于管理。
对于重名问题，假设你的两位同学都叫“王芳”，在你的手机电话簿或微信中，怎样命名呢？可能会根据年龄大小，在她们的名字前加上前缀，例如“大王芳”“小王芳”；或者采用她们的网名或网名前缀，例如“真水无香王芳”“王芳细雨”等。这是为了避免命名冲突。
namespace即“命名空间”，也称“名称空间”“名字空间”。命名空间是用来组织和重用代码的，与名字含义相同，由于不同的人写的程序不可能所有的变量都没有重名现象。对于系统库来说，这个问题尤其严重，如果两个人写的库文件中出现同名的变量或函数（不可避免），就有问题了。为了解决这个问题，引入了命名空间这个概念。
命名空间的作用是为了解决下面两个问题：
1）为很长的标识符名称（通常是为了缓解第一类问题而定义的）创建一个别名（或简短的名称），提高源代码的可读性。
2）编写的代码与C#内部的类、函数、常量或第三方类、函数、常量之间的名字冲突。
namespace机制提供一种资源隔离方案，系统资源不再是全局性的，而是属于特定的namespace，互不干扰。通常来说，命名空间是唯一识别的一套名字，这样当对象来自不同的地方但是名字相同的时候就不会含糊不清了。命名空间主要是为了解决名字（自定义的类型名、变量名、方法名）冲突的问题，是避免类名冲突的一种方式。
1.4.2 命名空间的声明
命名空间是.NET Framework开发的基础，是所有标识符（例如类）的命名容器。C#中的类是利用命名空间组织起来的。命名空间提供了一种从逻辑上组织类的方式，防止命名冲突。程序员除了可使用.NET Framework自带的各种命名空间外，还可以自定义命名空间。
用namespace关键字声明一个命名空间，此命名空间范围允许程序员组织代码，并允许创建类、属性和方法。声明（定义、创建）命名空间的语法格式如下。
在命名空间中，可以声明类、接口、结构、枚举、委托命名空间。
定义命名空间时需要遵循以下规则。
1）“命名空间名”可以是任何合法的标识符，与变量的命名规则相同。
2）无论是何种情况，一个命名空间的名称在它所属的命名空间内必须是唯一的。命名空间隐式地为public，而且在命名空间的声明中不能包含任何访问修饰符。
3）如果未自定义声明命名空间，则会创建默认命名空间（有时称为全局命名空间）。全局命名空间中的任何标识符都可用于命名的命名空间中。
4）命名空间声明出现在另一个命名空间声明内时，该内部命名空间就成为包含着它的外部命名空间的一个成员。这种情况称为命名空间的嵌套。
【例1-8】在同一个项目中，如果出现名称相同的两个类，可以放在不同的命名空间中。如图1-19所示，在Class1.cs文件中，声明命名空间MyShool，在该命名空间中定义了Student类。如图1-20所示，在Class2.cs文件中，声明命名空间YourShool，该命名空间中也定义了Student类。两个命名空间中的Student类互相不受影响。
图1-19 命名空间MyShool中的Student类
图1-20 命名空间YourShool中的Student类
图1-21 在Program类中引用命名空间和类
若Program类中用到Student类，怎么办？有两种方法，一是直接用命名空间名作为类的前缀，例如：
YourShool.Student stu=new YourShool.Student（）；
二是引用命名空间，例如：
using MySchool；
如图1-21所示。
从本质上讲，命名空间就是一个容器，在这个容器内可以放入类、方法、变量等，它们在同一个命名空间内可以无条件相互访问。在命名空间之外，就必须引用或者导入其他命名空间，才能调用它们包含的这些项。
1.4.3 导入其他命名空间
在当前类中，如果要使用其他命名空间中定义的类，要用using导入。using作为导入命名空间指令，有以下两种使用方式。
1.导入命名空间
using指令导入其他命名空间中定义的类型成员，指令格式如下。
using命名空间名；
“命名空间名”可以是系统命名空间、自定义命名空间。这样可以将一个命名空间中所包含的类型导入到命名空间体中，从而可以直接使用这些导入类型的标识符，而不必指定类型的详细命名空间名。
例如，导入最常用的系统命名空间：
using System.Text；
例如，导入自定义命名空间：
using MyShool；
2.创建别名并导入命名空间
using指令用于为一个命名空间或类型指定一个别名，并导入命名空间。指令格式如下。
using别名=命名空间名 或 类型名称；
用别名的方法将会更简洁，用到哪个类就给哪个类做别名声明即可。
using Shool=MyShool；
别名一般用于嵌套命名空间，因为在嵌套时，其名称较长。如果有多个命名空间需要使用别名，就用多个using来定义别名。using别名指令中的别名，在包含该using别名指令的声明空间内必须是唯一的。
1.4.4 命名空间的嵌套
1.声明嵌套的命名空间
嵌套的命名空间，其形式如下。
对于嵌套的命名空间，在命名空间的声明中各命名空间用“.”分隔。例如，前面的代码在语义上等效于：
2.导入嵌套的命名空间
导入嵌套的命名空间时，使用：
using City.MyShool.MyGrade；
或者使用别名：
using user=City.MyShool.MyGrade；
在创建对象时，用别名可写为：
user.Student stu=new user.Student（）；
1.5 习题
一、选择题
1.在类的定义中，类的（ ）描述了该类的对象的行为特征。
A.类名 B.方法 C.属性 D.所属的命名空间
2.在C#类的定义中，this关键字就是表示类中定义的（ ）。
A.成员名 B.方法名 C.局部变量名 D.命名空间名
3.在C#中，以下关于命名空间的叙述正确的是（ ）。
A.命名空间不可以嵌套
B.在任意一个.cs文件中只能存在一个命名空间
C.使用private修饰的命名空间，其内部的类不允许访问
D.命名空间使得代码更加有条理，结构更清晰
二、编程题
1.设计控制台应用程序，程序包含如下内容：
1）定义狗类Dog。
字段：名字（name）、年龄（age）、性别（sex）、皮毛颜色（furColor）。
方法：叫的方法（Bark（）），显示“汪汪汪”。
跑的方法（Run（）），显示“撒欢地跑”。
2）定义猫类Cat。
字段：名字（name）、年龄（age）、性别（sex）、皮毛颜色（furColor）、猫眼睛的颜色（eyeColor）。
方法：叫的方法（Bark（））：显示“喵喵喵”。
3）主类：实现一个Dog对象（miaomiao毛毛，3，母，金色），实现叫的方法和跑的方法。
实现一个Cat对象（mimi咪咪，2，公，白色，蓝色），实现叫的方法。
2.设计控制台应用程序，定义球Ball类，已知球的半径，计算球的体积、表面积。
字段：球的半径（radius）。
方法：计算球体积的方法BallVolume（），计算公式
。
计算球表面积的方法BallSurfaceArea（），计算公式S=4πR2。