對象的封裝與C#的類

《叩開C#之門》系列之三

三、對象的封裝與C#的類

物件導向思想有三個核心要素：封裝、繼承與多態。如能正確理解這三要素，那麼基本上可以算是在編程中建立了物件導向思想。在第二節中我曾介紹，在C#中，所有資料類型的執行個體都是“對象”，不過最能體現對象特質的類型，還是“類”，同時它也是C#中最重要、最頻繁使用的類型。接下來，我將通過介紹C#的類，來充分理解對象封裝的概念。

所謂“對象”，形象地說，我們可以把它理解為一塊積木。設計積木的人需要設計積木的外觀與形狀，還有內部的材質。堆積木的人對於內部的材質並不關心，他們只需要根據不同的外觀與形狀來決定堆放的位置。因此，對於開發人員而言，要設計物件導向的程式，同時會是兩個迥然不同的身份：設計者與使用者。

先談談使用者。使用者的身份，就是利用已經提供給你的所有對象，根據需求，設計出自己需要實現的程式。就如堆積木的過程。這恰恰是物件導向編程的優勢所在，那就是“對象的重用”。已經設計好的對象，可以被不同的使用者調用，這些功能既然已經實現，對於使用者而言，當然就免去了自己去設計的過程。正如堆積木那樣，既然有了現成設計好的積木，使用者所要做的工作就是把這些積木最後組合起來，堆成不同的形狀。.Net Framework所提供的類庫，就是這樣的積木。

例如我們想把一個int類型轉換成字元型，就沒有必要自己去實現這種轉換，直接調用.Net Framework提供的功能就可以了：
int i = 10;
string s = i.ToString();

再比如我們想彈出一個Windows訊息框，同樣可以直接使用.Net Framework現有的類庫：
MessageBox.Show(“Message”);

在上述的例子中，i和MessageBox都是一個對象。

再談談設計者的身份。雖然.Net Framework的類庫功能已經非常強大，但它不可能考慮到業務的方方面面，如果需要使用一個根本就不存在的對象，此時就需要自己來設計了。例書管理系統，可能就需要使用者，圖書等對象。這就需要開發人員自己來設計這些對象。

既然最能體現“對象”思想的類型是“類”，我就來介紹一下C#中的類類型。C#中類的關鍵字是class。在一個class對象中，主要分為field（欄位）、property（屬性）和method（方法），前面兩個對應的是對象的屬性，而method則對應對象的行為。一個典型的class定義如下所示：
public class User
{
 private string m_name;
 private string m_password;
 private int m_tryCounter;
 public string Name
 {
  get {return m_name;}
  set {m_name = value;}
 }
 public string Password
 { 
  get {return m_password;}
  set {m_password = value;}
 }
 public void SignIn()
 {  
  if (m_tryCounter < 3)
  {
   if (IsValid())
   {  
    m_tryCounter = 0;
    Console.WriteLine("User {0} was signed in.", m_name);
   }
   else
   {
    m_tryCounter++;
    Console.WriteLine("User {0} is invalid. Can’t Sign in.", m_name);
   }
  }
  else
  {
   Console.WriteLine("You try to sign in more than 3 times. You are be denied.");
  }
 }
 public void SignOut()
 {
  m_tryCounter = 0;
  Console.WriteLine("User {0} was signed out.", m_name);
 } 
 private bool IsValid()
 {
  if (m_name.ToUpper() == "ADMIN" && m_password == "admin")
  {
   return true;
  }
  else
  {
   return false;
  }
 }
}

字串m_name，m_password，m_tryCounter就是類User的欄位，Name，Password是類User的屬性，而SignIn、SignOut和IsValid則是類User的方法。

關於field，property和method，我會在之後的文章中介紹，這裡主要介紹的是在這個類中出現的修飾符public、private等相關的知識。

前面說到對象好比是一個積木，設計者需要定義好這個積木的外觀和形狀，也要考慮積木內部的製作，例如選用的材質，以及是空心還是實心。如果將這個積木剖開來看，實際上該對象應分為內、外兩層。由於使用者只關心外部的實現，因此設計者就需要考慮，哪些實現應暴露在外，哪些實現應隱藏於內。這就體現了對象的封裝的思想。

封裝對象，並非是將整個對象完全包裹起來，而是根據具體的需要，設定使用者訪問的許可權。在C#中，分別用修飾符public，internal，protected，private設定，分別修飾類的欄位、屬性和方法，甚至於類對象本身：
public：表明所有對象都可以訪問；
protected internal：表明同一個程式集內的對象，或者該類對象以及其子類可以訪問；
internal：表明只有同一個程式集的對象可以訪問；
protected：表明只有該類對象及其子類對象可以訪問；（關於繼承，會在以後介紹）
private：表明只有對象本身在對象內部可以訪問；

可以看出，public的開放性最大，其次是protected internal，private的開放性最小。internal和protected置中。那麼，internal和protected哪一個開放範圍更大呢？我認為，沒有完全絕對的結論。它們的範圍前者體現一個橫向的概念，後者則體現縱向的概念。如果是internal，那麼外部程式集對象自然不能訪問，但只要是居於同一個程式集中，則所有對象都可以訪問它；如果是protected，那麼即使是外部程式集對象，只要它繼承了該對象，就可以訪問，而即使是同一程式集，如果對象不是該類對象的子類，也是無法訪問的。打一個比方，在我們的傳統文化中，是非常強調“宗族”觀念的，一個宗族的族長，對於本族人而言，權力極大，甚至掌握了生殺大權。以一個州府的範圍為例，internal就好比是知府大人，只要是該州府的百姓，都屬於他的管轄範圍，而不管他是哪一個宗族。protected則好比是宗族的族長，只要是這個宗族的成員，都要服從他，哪怕該成員屬於其他州府。我以前看過《雍正王朝》，其中就有這樣一個情節，身為皇子的胤禎，竟然無法挽救自己心愛女人的命運，因為這個女人違反了她們宗族的族規，最後眼看著她被活活燒死，卻只能黯然神傷，夢裡縈迴。

以前面定義的User類而言，所有的欄位m_name，m_password，m_tryCounter都是private的，因此User類的外部調用者無法調用它們，但請注意User類內部的方法比如SignIn或者屬性Name，卻完全可以調用。同樣的，private方法IsValid，可以被SignIn方法調用，但對於外部調用者而言，則是無法調用的。而對於public屬性Name，Password，public方法SignIn和SignOut，外部的調用者是可以訪問的。在後面的演練中，我們能夠看出這之間的區別。通過這樣分層次的封裝，就可以充分保證對象的重用性和安全性。

那麼對於類類型而言，如何確定它們的存取權限呢？這要根據實際的需求來看了。假定這個User類是用於一個電子商務網站。那麼電子商務系統在設計過程中，就需要調用到User類對象。顯然，登入與退出功能是必須提供給外部使用者的，例如登入頁面就會使用到User類。而IsValid()方法用於驗證使用者的合法性，雖然也非常必要，但該功能僅僅用於登入的時候核實使用者身份，也就是說，IsValid方法只會被SignIn方法使用，但外部實用者卻並不關心，因此，設定為private就是合理的。同樣的道理，欄位m_tryCounter也是如此。但如果需求發生改變，驗證使用者的功能不僅僅是登入的時候需要使用，在添加商品到購物車，下訂單，付款的時候，都需要該功能，那麼IsValid方法，就有必要修改為public方法了。

所以，在設計程式的時候，除了要考慮識別對象，還要充分考慮該對象的封裝。類對象內的欄位、屬性和方法，包括類本身，哪些應該暴露在外，哪些應該被隱藏，都需要根據實際的需求，給與正確的設計。

演練：
（一）設計類User，並調用該類
1、開啟Visual Studio.Net，選擇“File”菜單的“new”，選擇“Project”；
2、選擇Visual C# Projects中的“Console Application”。在Location中，定位你要儲存的項目的路徑，而名字則為“SecondExample”。該名字此時既是解決方案的名字，同時也是該項目的名字。
3、用滑鼠右鍵單擊項目名，在彈出的對話方塊中，將Assembly Name命名為SecondExample，將Default Namespace命名為：BruceZhang.com. SecondExample。
4、用滑鼠右鍵單擊項目名，選擇“Add”功能表項目的“Add Class”：
 

5、在彈出的對話方塊中，將檔案的名字命名為User.cs，
 

6、點擊“Open”按鈕後，項目中就添加了一個新的檔案User.cs。開啟該檔案，將public class User中的內容，修改為前面文中定義好的User類。
7、修改原有預設的Class1.cs（如果是Visual Studio 2005，則預設為Program.cs）檔案名稱為App.cs，然後將檔案內容修改為：
 class App
 {
  /// <summary>
  /// The main entry point for the application.
  /// </summary>
  [STAThread]
  static void Main(string[] args)
  {
   User user = new User();
   
   //使用者名稱和密碼均錯誤；
   user.Name = "Bruce";
   user.Password = "test";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //使用者名稱正確，密碼錯誤；
   user.Name = "admin";
   user.Password = "test";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //使用者名稱和密碼正確；
   user.Name = "admin";
   user.Password = "admin";
   for (int i=0;i<=4;i++)
   {
    user.SignIn();
   }
   user.SignOut();

   //注意此時是無法調用這樣的欄位和方法的；
   //user.m_name;
   //user.m_password;
   //user.IsValid();

   Console.ReadLine();
  }
 }
8、運行。