JAVA 面向对象 隐藏和封装

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本页面更新日期: 2016年07月22日

前言

在前面程序中,经常出现通过某个对象直接访问其成员变量的情况.
这可能引起一些潜在问题,比如将某个 Person 的 age 成员变量直接设为 1000.
这在语法上没有任何问题, 但显然违背了当前的自然规律. 人怎么可能活到 1000岁 - - . (就现在的科学来讲)
Java也考虑到了这种情况, 为你提供了 类和对象的成员变量进行封装的方法,来保护成员变量不被恶意修改.

理解封装

封装(Encapsulation)是面向对象的三大特征之一.(另外两个是继承和多态, 以后会讲到)
它指的是将对象的状态信息隐藏在对应内部.
不允许外部程序直接访问对象内部信息.
而是通过该类所提供的方法来实现对内部信息的操作和访问.

封装是面向对象编程语言对客观世界的模拟
在客观世界里, 对象的状态信息都是被隐藏在对象内部.
外界无法直接操作和修改.
就如刚刚说的 Person 对象的 age 变量, 只能随着岁月的流逝, age 才会增加.
通常不能随意修改 Person 对象的 age.
对一个类或对象实现良好的封装, 可以实现以下目的.

• 隐藏类的实现细节.
• 让使用者只能通过事先预定的方法来访问数据, 从而可以在该方法里加入控制逻辑,限制对成员变量的不合理访问.
• 可进行数据检查, 从而有利于保证对象信息的完整性.
• 便于修改,提高代码的可维护性.

为了实现良好的封装, 需要从两个方面考虑.

• 将对象的成员变量和实现细节隐藏起来, 不允许外部直接访问.
• 把方法暴露出来, 让方法来控制对这些成员变量进行安全的访问和操作.

因此, 封装实际上有两个方面的含义:
把该隐藏的隐藏起来.
把该暴露的暴露出来.
这两个方面都需要通过使用 Java 提供的访问控制符来实现.

使用访问控制符

Java 提供了 3 个访问控制符.

• private
• protected
• public

它们分别代表了 3 个 访问控制级别.
另外还有一个不加任何访问控制符的访问控制级别.
所以一共 4 个访问控制级别.
Java 的访问控制级别由小到大如下图所示:

上图的 4 个访问控制级别中. default 并没有对应的访问控制符.
当你不使用任何访问控制符来修饰类或类成员时, 系统默认使用该访问控制级别.
这 4 个访问控制级别的详细介绍如下:

• private(当前类访问权限): 如果类里的一个成员(包括成员变量 / 方法 / 和构造器等)使用 private 访问控制符来修饰. 则这个成员只能在当前类的内部被访问. 很显然, 这个访问控制符用于修饰成员变量最合适. 使用它来修饰成员变量就可以把成员变量隐藏在该类的内部.
• default(包访问权限):如果类里的一个成员(包括成员变量 / 方法 / 和构造器等) 或者一个外部类不使用任何访问控制修饰符,就称它是包访问权限的. 什么是包? 以后会讲到. default 访问控制的成员或外部类可以被相同包下的其它类访问.
• protected(子类访问权限): 如果一个成员(包括成员变量 / 方法 / 和构造器等)使用 protected 访问控制符修饰, 那么这个成员既可以被同一个包中的其它类访问, 也可以被不同包中的子类访问. 在通常情况下, 如果使用 protected 来修饰一个方法, 通常是希望其子类来重写这个方法. 关于父类 / 子类 我以后会讲到.
• public(公共访问权限): 这是一个最宽松的访问控制级别.如果一个成员(包括成员变量 / 方法 / 和构造器等) 或者一个外部类使用 public 访问控制符修饰, 那么这个成员或外部类就可以被所有类访问,不管访问类和被访问类是否处于同一个包中, 是否具有父子继承关系.

通过上面的解释不难发现, 访问控制符用于控制一个类的成员是否可以被其它类访问.
对于局部变量而言, 其作用域就是它所在的方法, 不可能被其它类访问, 因此不能使用访问控制符来修饰.

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对于外部类而言,它也可以使用访问控制符修饰,但外部类只能有两种访问控制级别

• public
• 和默认 (default)

因为外部类没有处于任何类的内部, 也就没有其所在类的内部 / 所在类的子类 两个范围, 因此 private 和 protected 访问控制符对外部类没有任何意义.

外部类可以使用 public 和 包访问控制权限.
使用 public 修饰的外部类可以被所有类使用.
如声明变量 / 创建实例.
不使用任何访问控制符修饰的外部类只能被同一个包中的其它类使用.

小插曲: 如果一个 Java 源文件里定义的所有类都没有使用 public 修饰, 则这个 Java 源文件的文件名可以是一切合法的文件名.
但如果一个 Java 源文件里定义了一个 public 修饰的类, 则这个源文件的文件名必需与public 修饰的类的类名相同.

明白了访问控制符的用法后, 下面通过使用合理的访问控制符来定义一个 Person 类, 这个 Person 类实现了良好的封装.

public class Person
{
  //使用 private 修饰成员变量, 将这些成员变量隐藏起来
  private String name;
  private int age;
  //提供方法来操作 name 成员变量
  public void setName(String name)
  {
    //执行合理性验证,要求用户名必需在 2~6 位之间.
    if(name.length() > 6 || name.length() < 2)
    {
      System.out.println("您设置的人名不符合要求!");
      return;
    }
    else
    {
      this.name = name;
    }
  }
  //提供方法来操作 age 成员变量
  public void setAge(int age)
  {
    //执行合理性验证,要求用户年龄必须在 0~100 之间
    if(age > 100 || age < 0)
    {
      System.out.println("您设置的年龄不合法!");
      return;
    }
    else
    {
      this.age = age;
    }
  }
}

定义了上面的 Person 类之后, 该类的 name 和 age 两个成员变量只有在 Person 类的内部 才可以操作和访问.
在 Person 类之外只能通过其对应的 setter 和 getter 方法来操作和访问它们.

小知识:
Java 类里实例变量的 setter 和 getter 方法有非常重要的意义.
例如, 某个类里包含了一个名为 abc 的实例变量, 则其对应的 setter 和 getter 方法名为 setAbc() 和 getAbc()
即将原实例变量名的首字母大写, 并在前面分别增加 set 和 get 动词.
就变成了 setter 和 getter 方法名.
如果一个 Java 类的每个实例变量都被使用 private 修饰, 并为每个实例变量都提供了 public 修饰的 setter 和 getter 方法, 那么这个类就是一个 符合 JavaBean规范的类.
因此, JavaBean 总是一个封装良好的类.

下面程序在 main()方法中创建一个 Person 对象, 并尝试操作和访问该对象的 age 和 name 两个实例变量.

public class PersonTest
{
  public static void main(String[] args)
  {
    Person p = new Person();
    //因为 age 成员变量已被隐藏, 所以下面语句将会出现编译错误
    // p.age = 1000;
    //下面语句不会出现错误, 但运行时将会得到违规提示
    //同时程序不会修改 age 成员变量
    p.setAge(1000);
    //访问 p 的 age 成员变量也必需通过其对应的 getter 方法
    //因为上面从未成功设置 p 的 age 成员变量, 故此处会输出 0
    System.out.println(p.getAge());
    //下面成功修改 p 的 age 成员变量
    p.setAge(30);
    //因为上面成功设置了 p 的 age 成员变量, 故此处输出 30
    Sytem.out.println(p.getAge());
    //不能直接操作 p 的 name 成员变量, 只能通过其对应的 setter 方法
    //因为 "孙悟空" 字符串长度满足 2~6 的要求, 所以可以成功设置
    p.setName("孙悟空");
    System.out.println(p.getName());
  }
}

现在你已经创建了两个类文件 一个是 Person , 一个是 PersonTest
如果你编译它们并直接运行 PersonTest 是会出错的, 原因是他俩并没有产生关联. 不过暂时你先看看代码的逻辑就行, 以后我们会讲到如何成功运行这俩个类.

观察上面程序可得出, PersonTest 类的 main() 方法bu可以直接修改 Person 对象的 name 和 age 两个实例变量.
只能通过各自对应的 setter 方法来操作这两个实例变量的值.
因为使用 setter 方法来操作 name 和 age 两个实例变量, 就允许程序员在setter 方法中增加自己的控制逻辑.
从而保证 Person 对象的 name 和 age 两个实例变量不会出现与实际不符的情形.

小知识:
一个类常常就是一个小的模块.
应该只让这个模块公开必需让外界知道的内容.
隐藏其他一切内容.
进行程序设计时, 应尽量避免让一个模块直接操作和访问另一个模块的数据.
模块设计追求高内聚(尽可能把模块的内部数据 / 功能实现 细节隐藏在模块内部独立完成, 不允许外部直接干预)
低耦合(仅暴露少量的方法给外部使用)
正如日常常见的内存条, 内存里的数据及其实现细节被完全隐藏在内存条里.
外部设备(如主板)
只能通过内存条的金手指(提供一些方法供外部调用)来和内存条进行交互.

关于访问控制符的使用, 如下几个原则你要知道.

• 类里的绝大部分成员变量都应该使用 private 修饰, 只有一些 static 修饰的 / 类似全局变量的成员变量, 才考虑使用 public 修饰. 除此之外, 有些方法只用于辅助实现该类的其它方法, 这些方法被称为工具方法,工具方法也应该使用 private 修饰.
• 如果某个类主要用作其它类的父类, 该类里包含的大部分方法可能仅希望被子类重写, 而不想被外界直接调用, 则应该使用 protected 修饰这些方法.
• 希望暴露出来给其它类自由调用的方法应该使用 public 修饰. 因此, 类的构造器通常使用 public 修饰, 从而允许在其它地方创建该类的实例. 因为外部类通常都希望被其他类自由使用. 所以, 大部分外部类都使用 public 修饰.

小提示:
在教学当中, 有些代码示例可能并未进行良好的封装, 当你自己开发项目时, 请尽量注意. 我只是为了演示某个知识点而故意偷点懒.嘿嘿嘿.