全網最適合入門的面向對象編程教程:00 面向對象設計方法導論

来源:https://www.cnblogs.com/FreakEmbedded/p/18264202
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主要對面向過程編程與面向對象編程進行對比,介紹了軟體危機的背景,講解了面向對象編程設計思想的由來,對面向對象方法學:OOA-OOD-OOP進行簡單介紹。 ...


全網最適合入門的面向對象編程教程:00 面向對象設計方法導論

1.1 面向過程編程與面向對象編程 OOP

在嵌入式開發中,我們往往使用 C 語言進行編程,將待完成的問題看作一系列需要完成的任務,函數則用於完成這些任務,解決問題的焦點集中於函數,這就是所謂的面向過程編程。

與之相對的是面向對象編程,它把對象作為程式的基本單元,一個對象包含了數據和操作數據的函數,相同屬性和操作方法的對象被抽象為類。以在工業製造上,使用模具來鑄造機殼和零件為例,類就是模具,而對象就是使用模具生產出的零件,即類的實例。

以把大象裝進冰箱為例,二者區別如下圖所示:

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1.2 軟體危機與 OOP 思想的提出

**“史前時期最駭人的景象,莫過於一群巨獸在焦油坑裡做垂死前的掙扎。不妨閉上眼睛想像一下,你看到了一群恐龍、長毛象、劍齒虎正在奮力掙脫焦油的束縛,但越掙扎,焦油就纏得越緊,就算他再強壯、再厲害,最後,都難逃滅頂的命運。過去十年間,大型系統的軟體開發工作就像是掉進了焦油坑裡…… ” **
——佛瑞德·布魯克斯

早期的編程語言,如彙編語言、只有 0 和 1 的機器語言,本質上是面向機器編程。他們開始認為編程的設計應該符合人類習慣和邏輯思維的語句,如 add 用於加法運算、sub 用於除法運算、cmp 用於比較兩個數的大小。

但 CPU 指令集(彙編語言)還是比較抽象,人們有了一個自然的需求,能不能按照人容易理解的思維寫程式後把寫出來的程式自動翻譯成機器語言呢?後來,電腦科學家們發現所有程式可以化為三種結構構成:順序結構、分支結構和迴圈結構。

Fortran、C 等所謂的高級編程語言便應運而生,這樣的語言關註邏輯處理過程,在面對編程問題時,往往採用結構化範型來完成軟體開發,人們將軟體的生存周期分為需求分析、總體設計、詳細設計、編程和測試幾個階段,強調系統的模塊結構,以及模塊的劃分,模塊間的數據傳送及調用關係。

然而隨著軟體需求的快速增長,面向過程的設計方法使得大型軟體更容易被設計成麵條式程式,長長的過程調用執行,像一根麵條。大型項目最後由這樣一根一根麵條組成,就成了一個毛線團,變得難以維護和修改。

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1968 年,北大西洋公約組織(NATO)在聯邦德國的國際學術會議創造軟體危機(Software crisis)一詞。而 1960 年代中期開始爆發眾所周知的軟體危機,為瞭解決問題,在 1968、1969 年連續召開兩次著名的 NATO 會議,並同時提出軟體工程的概念。1972 年,艾茲赫爾·戴克斯特拉於電腦協會圖靈獎的演講:

軟體危機的主要原因,把它很不客氣地說:在沒有機器的時候,編程根本不是問題;當我們有了電腦,編程開始變成問題;而現在我們有巨大的電腦,編程就成為了一個同樣巨大的問題。
—艾茲赫爾·戴克斯特拉,《Communications of the ACM》

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軟體危機使人們認識到中大型軟體系統與小型軟體有著本質性差異:

  • 大型軟體系統開發周期長、費用昂貴、軟體質量難以保證、生產率低,它們的複雜性已遠超出人腦能直接控制的程度;
  • 大型軟體系統不能沿襲工作室的開發方式,就像製造小木船的方法不能生產航空母艦一樣。
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軟體的存在已經有數十年的歷史了,一直到了 1980 年代的面向對象技術才解決了一部分在軟體危機上的窘境。人們開始重新審視軟體編程這件事情的本質,除了一部分科學計算或者其他特定目的的軟體,大部分的軟體是為瞭解決現實世界的問題,企業的庫存管理、銀行的賬務處理等等。所以,軟體編程的本質是程式員用代碼的方式使現實世界的事務運行在電腦上,電腦軟體是為瞭解決現實世界的問題而開發出來的,那麼軟體編程這件事情應該關註的重點是客觀世界的事物本身,而不是程式員的思維方式或者電腦的指令。

如果軟體編程的重點是客觀世界的事物本身,那麼編程語言如何才能更好地滿足這一需求?面向對象編程應運而生,它提出一切皆對象,客觀世界的用戶、賬號、商品是對象;創建、組合、關聯這些對象的工廠、適配器、觀察者也是對象;將所有這些對象分析、設計、開發出來,一個軟體系統就完成了,這個軟體系統靈活、強大,最重要的是可以根據需求變化快速更新維護。

1.3 面向對象方法學

面向對象方法學是一種把面向對象的思想應用於軟體開發過程中,指導開發活動的系統方法,是建立在“對象”概念基礎上的方法學。對於面向對象方法學,它把軟體開發分為分析、設計和編程三個不同階段。

1.3.1 面向對象分析(OOA)

OOA 面向對象分析方法指的是在一個系統的開發過程中進行了系統業務調查以後,按照面向對象的思想來分析問題,並確定所需的對象及對象之間的交互關係。分析階段關註的是需要完成什麼,分析階段的輸出是一系列需求。

1.3.2 面向對象設計(OOD)

面向對象設計(OOD)就是在 OOA 模型的基礎上運用面向對象方法進行系統設計,是將這些需求轉化為實現方案的過程。設計者必須命名對象,定義其行為,指定哪些對象可以針對其他對象實施指定的行為。設計階段關註的是如何完成。設計階段的輸出是實現方案。

1.3.3 面向對象編程(OOP)

面向對象編程(OOP)是將完美定義的設計轉化為可以運行程式的過程,即用具體的數據結構來定義對象的屬性,用具體的語句來實現服務流程圖所表示的演算法。OOP 階段產生的程式能夠緊密地對應 OOD 模型。

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文檔獲取

可訪問如下鏈接進行對文檔下載:

https://github.com/leezisheng/Doc

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本文檔主要介紹如何使用 Python 進行面向對象編程,需要讀者對 Python 語法和單片機開發具有基本瞭解。相比其他講解 Python 面向對象編程的博客或書籍而言,本文檔更加詳細、側重於嵌入式上位機應用,以上位機和下位機的常見串口數據收發、數據處理、動態圖繪製等為應用實例,同時使用 Sourcetrail代碼軟體對代碼進行可視化閱讀便於讀者理解。

關於文檔的更多介紹可看:
學嵌入式的你,還不會面向對象??!

相關示例代碼獲取鏈接如下:

https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo

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