筆記 - 物件導向程式設計(Object-oriented programming) - ver1-part1
和ChatGPT討論並生成草稿，再透過自己的理解修改。
作為學習紀錄的用途。
參考Object-oriented programming - Wikipedia以及關聯頁面。
前言
程式的目的是為了解決需求(解決甚麼問題、如何解決問題)，需求可以透過一系列的功能被滿足。
然而，僅以功能的設計，會遇到「Context(語意上下文或是情境)」(包含場景資訊、環境資訊)的管理問題。
例如: 要啟動空調，使用遙控器功能是: 運轉 ⇨ 調整溫度 ⇨ 調整風向。可以將這3個功能分成3個可以運作的遙控器，但是有共通的資料像是'空調模式'，就會有同步資料問題。
而有多組功能時，這種方式的缺點的影響會更大。
從「語意上下文」的觀點出發，使用物件導向程式設計(Object-oriented programming)能夠處理這種問題。
透過「語意」將相關的功能和上下文資料封裝在一個物件內，讓每個物件具有明確的職責，使功能更符合「語意」。
概述
🎯 比喻
手邊有支筆，筆是物件(Object)。
'使用藍色原子筆作筆記'是「動作(方法)」，原子筆剩多少墨水是「狀態(資料)」，而'藍色墨水、原子筆、能夠作筆記'的筆，這樣的一組明確的規範，是類別(Class)。
📘 說明
- 現實的「事物」是物件(Object)，具有「生命週期」。
- 以「需求(解決甚麼問題、如何解決問題)」擷取出「事物」的特性，將這組相關的特性也就是規範，組成類別(Class)，沒有「生命週期」。
- 物件導向程式設計(Object-oriented programming)是一種以物件(Object)為核心來設計程式的方式，是一種強調模擬、抽象、模組化的思維。
- 類別(Class)包含了「狀態(資料)」與「行為邏輯(方法)」，它將「資料」與「方法」整合成一塊，描述角色、行為和互動、語意上下文。
- 使用類別(Class)建立具有生命週期的物件(Object)。
- 可以透過許多的規範，組成可管理的複雜系統，例如'科學計算機'。
- 這種方法可以套用在程式設計上，對於需求進行規劃和分析，設計成關聯的行為、明確的職責和角色、最小邊界的元素。
模型思維
- 將需求轉化為解決問題的「結構化模型」。
- 通常以「語意(業務語意)」為核心，並且各種「參與人員」對於「語意」有一致的定義。
- 有時一個簡單的語意可以分拆成多個互相協作的模組，並且每個模組包含多個互相協作的類別，例如'行事曆'，'使用者'，'保護的方式'。
- 適用於多種建構模型方式。例如分析、設計、實作，多個輪次的滾動式調整，並以建立最小功能系統為優先；例如分而治之，將大問題分成可組合的小問題，並將小問題一一實作。
模擬實物
🎯 比喻
汽車模擬器不需要實作完整的車，而是使用模擬。按鈕啟動引擎，方向盤控制車輪方向，油門影響引擎動力。模組相互運作就提供了現實汽車表現的特性。
📘 說明
- 透過類別(Class)定義模型，模擬出現實的實物的特徵和行為。
- 有的實物偏向資料，例如'表單文件(Form)'；有的實物偏向方法，例如'工具(Tool)'。
模擬概念
🎯 比喻
公司裡面有會計師、業務專員、工程師等角色，每個角色都有必要的職責及相關的特性。
在「情境」之中，會表現出「一部分的特性」。
📘 說明
- 使用模型，來描述在一個系統內的單元與角色，這個系統可以有多種「場景」。
- 類別(Class)對應到概念的角色及其行為。
- 概念通常不是完整的系統，而是核心模組的一部分。
結構化、模組化、可維護性、重用性
🎯 比喻
使用多塊積木進行組合，而不是用整塊積木製作，是因為積木可以組裝、拆解與替換，更易維修與重構。
📘 說明
- 將大型系統拆解成小型模組，並能重複使用這些模組於不同場景中。這讓維護、除錯、測試與擴充更有效率。
1. 定義與特性
1. 類別(Class)與物件(Object)
- 類別(Class): 物件(Object)的模板，定義「資料(狀態)」與「方法(行為邏輯)」，是一種類型(Type)。
- 物件(Object): 類別(Class)的實例(Instance)，具有「生命週期」和個別「狀態」。
- 🎯 比喻: 食譜描述'準備150ml的水'，這裡的水是類別(Class)；實際操作時，使用的水是物件(Object)，其狀態可能是礦物質較多(偏鹼性)。
2. 介面(Interface)與抽象類別(Abstract Class)
-
介面(Interface): 一種完全抽象的類型(Type)，一般不包含實作。它只定義「公開的(public)方法的合約(名稱、輸入資料、輸出資料)」與「公開的(public)屬性(名稱、資料)」。類別(Class)必須實作這些定義，才能「宣稱實作(具有)」該介面(Interface)。介面(Interface)強調「能力」與「角色」，而不是「資料(狀態)」。
- 🎯 比喻: 挑選電腦時，會考慮每種插槽可以如何使用，例如充電、連接手機。有的插槽都可以連接手機，有的插槽可以充電。一種插槽可以有多種功能，有充電功能，有連接手機功能，提供的「功能」就是介面(Interface)。
-
抽象類別(Abstract Class): 抽象類別(Abstract Class)主要作為其他類別(Class)的共同基底，定義一組共同介面與預設邏輯。它可以包含「抽象方法(無實作)」與「具體方法(已實作)」。
- 🎯 比喻: 把'動物'定義為一個抽象概念，可以說'狗'、'貓'是'動物'的衍生概念，都能進行叫(sound)的行為(抽象方法)，但具體行為會不同(bark、meow)；共同的行為(具體方法)像是喝水，水量作為輸入的參數。將'狗'和'貓'作為類別(Class)，那麼'動物'可以是抽象類別(Abstract Class)。
2. 四大核心特性(四大支柱)
抽象(Abstraction)
🎯 比喻
駕駛使用'油門和煞車'功能時，只關心如何控制當前車速，而非引擎的運作原理，而即使替換了不同種類的輪胎，'油門和煞車'功能仍然可以運作。
📘 說明
- 抽象(Abstraction)是將具體細節概括出來的過程，將「注意力」集中在當前的目標。
- 提供使用方法，隱藏實作；即使替換了實作，使用方法仍然可以照當前預期的使用。
- 使用介面(Interface)或抽象類別(Abstract Class)描述行為，抽象(abstract)部分不提供實作。
- 低耦合，提升模組彈性。
封裝(Encapsulation)
🎯 比喻
使用電腦機殼操作電腦，這樣使用'平常的功能'，是一種封裝(Encapsulation)，也是一種保證；而直接操作主機板，可以做更多的操作，有的操作會導致無法正確使用'平常的功能'，對於'平常的功能'就是破壞了封裝(Encapsulation)。
📘 說明
- 資料與方法封裝於同一單位內，隱藏內部資料結構或方法實作細節。
- 確保「合法狀態(資料一致性)」。
- 使用private限制外部存取、使用public的方法操作需求。
- 封裝(Encapsulation)和抽象(Abstraction)有部分共通的概念，封裝(Encapsulation)更強調的是保護物件(Object)內部，並阻止不必要的耦合。
- 要小心繼承(Inheritance)的耦合問題。
繼承(Inheritance)
🎯 比喻
如果說'狗、貓是動物的一種'，那麼'狗'和'貓'就應該有'動物'的定義的所有特性，這樣獲得特性的方式，就是繼承(Inheritance)。
📘 說明
- 繼承(Inheritance)這種關聯通常反映是一種(is-a)，例如'貓是一種動物'。
- 繼承(Inheritance)是一種從基底類別(base class)衍生衍生類別(derived class)的結構。
- 預期衍生類別(derived class)會自動獲得基底類別(base class)的所有屬性與方法，實現邏輯重用、組織概念層次。
- 衍生類別(derived class)可以新增或覆寫功能，但是基底類別(base class)需要規劃覆寫策略，避免破壞封裝(Encapsulation)、增加額外的耦合。
- 小心評估繼承(Inheritance)是否合理及必要，不合理的結構會導致理解困難，要將結構作為「語意」。
- 一般開發中組合(Composition)優先於繼承(Inheritance)，即透過屬性或輸入參數的方式使用，而非強行使用繼承。
- 只在概念上下層次關聯明確時才使用繼承(Inheritance)，也就是符合「語意」，否則使用組合(Composition)。
多型(Polymorphism)
- 同一種操作，作用於不同型別時產生不同行為。
- 有許多種類的多型，關注點不同。
Subtyping(子類型)
🎯 比喻
有許多種類的'信件'，'掛號信件'、'限時信件'，到郵局櫃檯對於這些'信件'都可以處理寄出的動作，而實際動作有所差異。'信件'作為基底類別(base class)，'掛號信件'、'限時信件'作為衍生類別(derived class)。
📘 說明
- 適用於基底類別(base class)的操作，也可以使用在繼承其的衍生類別(derived class)，會有不同的行為，並且是相同的預期的作用。
Parametric polymorphism(參數多型)
🎯 比喻
預期使用'收納容器'進行'收納動作'，'收納容器'可以是'收納盒'、'收納櫃'，對於'收納動作'只聚焦在'收納容器'。對於'收納動作'，使用'收納容器'代指'收納盒'、'收納櫃'等可以收納的容器。
📘 說明
- 使用「變數」代替類別(Class)，聚焦在「變數」可以進行的「動作」，這個「變數」可以是介面(Interface)。
- 在物件導向程式設計(Object-oriented programming)中有泛型(Generics)，提升程式重用性。
Ad hoc polymorphism(特設多型)
🎯 比喻
有一個'開鎖'功能，可以使用'鑰匙'、'指紋'、'密碼'進行'開鎖'。'開鎖'作為方法，'鑰匙'、'指紋'、'密碼'作為「輸入參數」。
📘 說明
名稱相同的方法根據「輸入參數」不同，有不同實作，相同的預期的作用。包括:
function overloading(方法多載): 在一個類別(Class)內的同名方法，並且是不同的輸入參數組。
operator overloading(運算子多載): 重新定義如'+'、'=='等運算子行為。有時會導致誤解，例如將數字運算和文字串接放在同一個「表達式(expression)」中。
物件的關聯放到下一篇筆記。