[Rust] 程式設計教學：物件導向(Object-Oriented Programming)

物件導向程式設計(OOP, object-oriented programming) 是一種程式設計的模式(paradigm)。

由於物件導向是近代軟體開發的主流方法，許多程式語言從語法機制可直接支援， ... Togglenavigation開源教學精選項目C語言Golang資料結構網頁程式電子書籍現代C語言程式設計C語言應用程式設計多平台Objective-C程式設計跨平台CommonLisp程式設計社群媒體臉書粉絲團臉書社團推特GitHubGumroad本站資訊關於著作權免責聲明隱私權開源教學Rust程式設計物件導向(Object-OrientedProgramming)最後修改日期為AUG29,2017物件導向程式設計(OOP,object-orientedprogramming)是一種程式設計的模式(paradigm)。

由於物件導向是近代軟體開發的主流方法，許多程式語言從語法機制可直接支援，即使像是C這種視為非物件導向的語言，也可以用其他語法機制達到類似的效果。

本章會先介紹一般性的物件導向的概念，再介紹如何以Rust實作。

物件導向概論很多語言都直接在語法機制中支援物件導向，然而，每個語言支援的物件導向特性略有不同，像C++的物件系統相當完整，而Perl的原生物件系統則相對原始。

物件導向在理論上是和語言無關的程式設計模式，但在實務上卻受到語言特性的影響。

學習物件導向時，除了學習在某個特定語言下的實作方式外，更應該學習其抽象層次的思維，有時候，暫時放下實作細節，從更高的視角看物件及物件間訊息的流動，對於學習物件導向有相當的幫助。

物件導向是一種將程式碼以更高的層次組織起來的方法。

大部分的物件導向以類別(class)為基礎，透過類別可產生實際的物件(object)或實體(instance)，類別和物件就像是餅乾模子和餅乾的關係，透過同一個模子可以產生很多片餅乾。

物件擁有屬性(field)和方法(method)，屬性是其內在狀態，而方法是其外在行為。

透過物件，狀態和方法是連動的，比起傳統的程序式程式設計，更容易組織程式碼。

許多物件導向語言支援封裝(encapsulation)，透過封裝，程式設計者可以決定物件的那些部分要對外公開，那些部分僅由內部使用，封裝不僅限於靜態的資料，決定物件應該對外公開的行為也是封裝。

當多個物件間互動時，封裝可使得程式碼容易維護，反之，過度暴露物件的內在屬性和細部行為會使得程式碼相互糾結，難以除錯。

物件間可以透過組合(composition)再利用程式碼。

物件的屬性不一定要是基本型別，也可以是其他物件。

組合是透過有…(has-a)關係建立物件間的關連。

例如，汽車物件有引擎物件，而引擎物件本身又有許多的狀態和行為。

繼承(inheritance)是另一個再利用程式碼的方式，透過繼承，子類別(childclass)可以再利用父類別(parentclass)的狀態和行為。

繼承是透過是…(is-a)關係建立物件間的關連。

例如，研究生物件是學生物件的特例。

然而，過度濫用繼承，容易使程式碼間高度相依，造成程式難以維護。

可參考組合勝過繼承(compositionoverinheritance)這個指導原則來設計自己的專案。

透過多型(polymorphism)使用物件，不需要在意物件的實作，只需依照其公開介面使用即可。

例如，我們想用汽車物件執行開車這項行為，不論使用Honda汽車物件或是Ford汽車物件，都可以執行開車這項行為，而不需在意不同汽車物件間的實作差異。

多型有許多種形式，如：特定多態(adhocpolymorphism)：函數重載(functionaloverloading)：同名而不同參數型別的方法(method)運算子重載(operatoroverloading)：對不同型別的物件使用相同運算子(operator)泛型(generics)：對不同型別使用相同實作子類型(Subtyping)：不同子類別共享相同的公開介面，不同語言有不同的繼承機制以物件導向實作程式，需要從宏觀的角度來思考，不僅要設計單一物件的公開行為，還有物件間如何互動，以達到良好且易於維護的程式碼結構。

除了閱讀本書或其他程式設計的書籍以學習如何實作物件外，可閱讀關於物件導向分析及設計(object-orientedanalysisanddesign)或是設計模式(designpattern)的書籍，以增進對物件導向的了解。

類別在Rust，以struct或enum定義可實體化的類別，同時，也定義出一個新的型別。

見下例：然而，只有屬性而沒有方法的類別不太實用，下文會介紹方法。

另外，對於不可實體化的抽象類別，使用trait來達成；trait在物件導向及泛型中都相當重要，我們會於後續相關章節中展示其使用方式。

方法公開方法和私有方法方法是類別或物件可執行的動作，公開方法(publicmethod)可由物件外存取，而私有方法(privatemethod)則僅能由物件內存取。

以下為實例：在本程式中，我們用mod建立一個非公開的程式區塊，在其中的程式碼，除非用pub明確指定該部分的存取為公開的，否則，一律視為私有的，這是Rust在安全性上的設計。

實作方法時，用impl區塊包住要實作的方法，在impl中，若該方法和某個物件相關，第一個參數要加上&self或是&mutself，視可變性而定。

對沒有物件導向經驗的讀者來說，self是一個令人混淆的概念；基本上，self是一個特殊的變數，代稱物件，將方法加上self這個參數，代表該方法和某個物件相關。

以本程式來說，self.drive()代表這個物件呼叫了drive方法。

對應到主程式中，self代換為car這個實際的物件實體。

簡單的原則在於類別是物件的設計圖，而非物件。

在本程式中，對主程式來說，drive方法是不存在的，如果把car.run()改為car.drive()則會引發以下錯誤：由此可知，主程式的確無法存取drive方法。

Getters和Setters在先前Point的實作，我們直接存取物件的資料，在物件導向中，這不是好的方法。

比較好的方法，是將屬性私有化，而用公開方法存取。

我們現在建立Point類別，這個類別代表2D上的點。

首先，定義此類別及其屬性：實作建構子(constructor)的部分，建構子是一個特別的函式，用來初始化物件：new用來實體化Point類別。

在物件導向的術語中，稱此特殊方法為建構子；在Rust，new只是普通的方法，將new改為別的名稱也行，讀者可以將以上程式的new改為create或別的名稱看看，程式仍能正常運作。

不過，一般還是會把實體化物件的方法稱為new，這是約定俗成的用法。

在我們的建構子中，我們沒有直接將資料指派到物件屬性，而另外用setter來指派；雖然在本例中，我們的setter沒有特別的行為，但日後我們需要對資料進行篩選或轉換時，只要修改setter方法即可，其他部分的程式碼則不受影響。

在撰寫物件導向程式時，我們會儘量將修改的幅度降到最小。

接著，實作getters：最後，從外部程式使用此類別：由於本程式將物件屬性和setter皆設為私有，對外部程式來說，物件建立後不可修改。

在撰寫物件時，除了必要的方法外，儘量不要公開物件的其他部分，將公開行為變為私有的，可能會導致程式無法順利執行，應盡量避免。

帶有方法的enum使用enum也可以建立具有行為的類別。

在以下實例中，我們建立colormodel類別。

首先，宣告Color類別：在本例中，我們宣告了RGB(Red-Green-Blue)、CMYK(Cyan-Magenta-Yellow-Black)、HSL(Hue-Saturation-Lightness)三種colormodel，若有需要，也可以宣告其他的colormodel。

同一個Color物件，在同一時間內只會儲存其中一種colormodel，不同colormodel間有公式可以轉換，使用enum會比使用數個獨立的struct來得適合。

實作RGBmodel的建構子，由於RGBmodel是三個8位元非負整數來表示顏色的值，故用u8來儲存：實作CMYKmodel的建構子，由於CMYK的值為小於等於一百的百分比，我們額外建立一個私有類別方法來檢查值的正確性：實作HSLmodel的建構子，在這裡，我們用整數儲存角度，其值為[0,360)的區間。

：實作RGBcolormodel的getter，若物件內部儲存的colormodel是不同類型，則依公式來轉換：最後，從外部程式呼叫：在本例中，由HSL轉至RGB的公式較複雜，這裡不詳細講解，有興趣的讀者可自行查詢電腦圖學相關資料。

解構子若要實作Rust類別的解構子(destructor)，實作Droptrait即可。

由於Rust會自動管理資源，純Rust實作的類別通常不需要實作解構子，但有時仍需要實作Droptrait，像是用到C語言函式配置記憶體，則需明確於解構子中釋放記憶體。

本書將於後續章節展示Droptrait的實作。

多型Rust使用trait來實作多型；透過trait，Rust程式可像動態語言般使用不同類別。

我們用一個實際的範例來說明。

首先，用trait設立共有的公開方法：接著，建立三個不同的汽車類別，這三個類別各自實作Drivetrait：最後，透過多型的機制由外部程式呼叫這三個類別：在本例中，Toyota、Honda和Ford三個類別實質上是各自獨立的，透過Drivetrait，達成多型的效果，從外部程式的角度來說，這三個物件視為同一個型別，擁有相同的行為。

由於trait無法直接實體化，必需藉助Box等容器才能將其實體化，Box會從堆積(heap)配置記憶體，並且不需要解參考，相當於C/C++的smartpointer。

組合勝於繼承Rust的struct和enum無法繼承，而trait可以繼承，而且trait支援多重繼承(multipleinheritance)的機制；trait可提供介面和實作，但本身無法實體化，反之，struct和enum可以實體化。

Rust用這樣的機制避開C++的菱型繼承(diamondinheritance)問題，類似Java的interface的味道。

組合就是將某個類別內嵌在另一個類別中，變成另一個類別的屬性，然後再透過多型提供相同的公開介面，外部程式會覺得好像類別有繼承一般。

假設我們要設計一個RPG遊戲，有兩個類別，分別是Creature和Character，而這兩者都可設定行動優先順序。

首先，決定公開界面，為了簡化問題，這裡僅實作優先權的getter/setter：接著，實作Creature類別：接著，實作Character類別，在這裡，我們透過組合的機制將Creature類別變成Character類別的一部分：`1最後，從外部程式呼叫這兩個類別：在本例中，Creature是Character的屬性，但從外部程式看來，無法區分兩者是透過繼承還是組合得到相同的行為。

在Rust和Go這兩個新興語言中，不約而同拿掉繼承的機制，改用組合搭配多型達到類似的效果，這樣的設計，是語言的進步還是語言的缺陷，就留給各位讀者自行思考。

前文提到struct無法繼承，而trait可以繼承。

以下展示一個繼承trait的實例。

首先，定義Color和Sharptrait，接著由Itemtrait繼承前兩個trait：實作Orange類別，該類別實作Colortrait：實作Ball類別，該類別實作Shapetrait：實作Basketball類別，該類別透過多型機制置入Color和Shape兩種類別：最後，透過外部程式呼叫Basketball類別：在本程式中，Item繼承了Color和Shape的方法，再加上自身的方法，共有三個方法。

在實作Basketball物件時，則需要同時實作三者的方法；在我們的實作中，color和shape這兩個屬性實際上是物件，由這些內部物件提供相關方法，但由外部程式看起來像是靜態的屬性，這裡利用到物件導向的封裝及組合，但外部程式不需擔心內部的實作，展現物件導向的優點。

在撰寫物件導向程式時，可將trait視為沒有內建狀態的抽象類別。

然而，trait類別本身不能實體化，要使用Box等容器來實體化。

這些容器使用到泛型的觀念，在本章，我們暫時不會深入泛型的概念，基本上，透過泛型，同一套程式碼可套用在不同型別上。

方法重載方法重載指的是相同名稱的方法，但參數不同。

Rust不支援方法重載，如果有需要的話，可以用泛型結合抽象類別來模擬，可見泛型章節中的範例。

運算子重載Rust的運算子重載利用了內建trait來完成。

每個Rust的運算子，都有相對應的trait，在實作新類別時，只要實作某個運算子對應的trait，就可以直接使用該運算子。

運算子重載並非物件導向必備的功能，像是Java和Go就沒有提供運算子重載的機制。

善用運算子重載，可減少使用者記憶公開方法的負擔，但若運算子重載遭到濫用，則會產生令人困惑的程式碼。

在本範例中，我們實作有理數(rationalnumber)及其運算，為了簡化範例，本例僅實作加法。

首先，宣告有理數型別，一併呼叫要實作的trait：實作其建構子，在內部，我們會求其最大公約數後將其約分：實作加法運算，在這裡，實作Addtrait，之後就可以直接用+運算子來計算：我們額外實作Displaytrait，方便我們之後可以直接從終端機印出有理數：最後，從外部程式呼叫此有理數物件。

由於我們實作了相關的trait，使用起來很類似基礎型別：如果我們繼續將這個範例發展下去，就可以實作有理數的運算系統，不過，這只是展示運算子重載的範例，我們就把實作有理數的任務留給有興趣的讀者。

在本例中，我們實作了兩個trait，Rust自動幫我們實作兩個trait，使得外部程式使用起來相當接近操作內建形別的過程，體現運算子重載的優點。

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