面向对象 04：三大特性之——封装，封装的含义和作用，以及在 Java 中的使用方式，附完整的测试案例代码

一、前言

记录时间 [2024-05-11]

系列文章简摘：
面向对象 01：Java 面向对象相关内容整体概述
面向对象 02：区分面向过程与面向对象，类和对象的关系
面向对象 03：类与对象的创建、初始化和使用，通过 new 关键字调用构造方法，以及创建对象过程的内存分析

更多 Java 相关文章，请参考专栏哦。

本文讲述面向对象编程的三大特性之——封装。通过案例分析，简单介绍了封装的含义和作用，以及在 Java 中如何使用封装。

面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）的三大特性是封装、继承和多态，这三大特性是 OOP 的基础，为设计灵活、可维护和可扩展的软件系统提供了核心机制。

这三个特性共同构成了面向对象编程的基础，使开发者能够设计出高内聚、低耦合的软件系统，促进了软件工程的高效管理和复杂问题的有效解决。

  • 高内聚：一个模块内部各个组成部分（如类的方法、函数、变量等）之间应该紧密关联，共同完成一个具体且单一的功能，不允许外部干涉。
  • 低耦合：各模块之间的依赖关系应该尽可能地减少和简化，一个模块应尽量少地依赖其他模块，模块之间的接口应清晰、简单，且只暴露必要的功能给外部使用。

二、封装概述

封装的基本思想：将对象的状态（数据成员，即属性）和行为（成员方法，即操作数据的方法）捆绑在一起，并对外界隐藏其内部实现细节的过程。

实现方式：在 Java 等面向对象编程语言中，封装是通过访问修饰符（如 public，private，protected 等）、构造器、getter 和 setter 方法等机制来实现的。通过这些手段，开发者可以精确控制类的哪些部分对外界开放，哪些部分保持内部私有。

封装的作用：封装不仅保护了数据的完整性，还提高了代码的模块化程度，使得代码更容易理解、维护和重用。具体如下。

  • 信息隐藏：将对象的内部细节（某些属性、方法）设置为私有 private，只暴露有限的公共接口（如 getter 和 setter 方法）供外部使用，防止外部代码直接访问和修改这些内部状态。从而减少意外修改数据的风险，增加程序的健壮性。
  • 模块化：封装促进了代码的模块化，使得每个对象成为一个独立的单元，可以单独开发、测试和维护。这不仅简化了代码的复杂性，也提高了代码的可复用性。
  • 易于使用：封装简化了对象的接口，使得用户不需要了解对象内部复杂的实现细节就能使用它。用户只需要知道对象能做什么（通过其提供的方法），而不是怎么做，这符合黑盒设计原则。
  • 增强安全性：限制对对象内部数据的直接访问，可以实施更精细的控制逻辑，如数据验证，确保数据的完整性和一致性。
  • 提高可维护性和扩展性：由于内部实现细节对外部是隐藏的，当需要修改对象内部实现时，不会影响到使用该对象的其他代码，这使得软件更容易维护和升级。同时，良好的封装也为后续添加新功能提供了便利。

三、如何实现封装

在 Java 中，实现封装主要依靠以下几个关键技术手段：访问修饰符、getter 和 setter 方法、构造器等。

1. 访问修饰符

  • private：这是封装的核心，用于限制成员变量和方法的访问权限，使其仅对类内部可见。这可以防止外部代码直接访问和修改内部状态。
  • public：用于公开类、方法或变量，使其对所有类可见。
  • protected：允许同一包内的类以及所有子类访问。
  • 默认（没有显式修饰符）：允许同一包内的类访问。

2. Getter 和 Setter 方法

  • Getter 方法：获取器，用于返回私有成员变量的值，让外部可以读取但不能直接修改这些值。
  • Setter 方法：设置器，用于设置私有成员变量的值，通常会加入数据验证逻辑，确保数据的合法性。

3. 构造器

构造器用于创建对象时初始化成员变量，可以是无参构造器或带参数的构造器，通过构造器可以控制对象创建时的必要条件和初始化状态。

（构造器部分在上一篇文章中有详细阐述）


四、封装案例分析

假设有一个 BankAccount 类，我们希望封装账户余额，仅通过特定方法暴露余额的读取和更新。

首先，在这个类中，成员变量 balance 是私有的，不能被其他类直接访问。

// 私有成员变量，余额
private double balance;

想要访问这个内部变量，需要通过一些方法。


1. 构造方法初始化

使用 new 关键字实例化对象时，会调用对应的构造方法。

BankAccount bankAccount = new BankAccount(500);

可以通过该方法存入金额。如果初始化余额 >=0，说明金额是合法的，存入私有变量 balance；反之，则不合法，返回错误。

// 构造器
public BankAccount(double initialBalance) {// 如果初始化余额大于等于 0 ，合法，将值赋给 balanceif (initialBalance >= 0) {balance = initialBalance;} else {// 如果初始化余额小于 0 ，不合法，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Initial balance cannot be negative.");}}

2. Getter / Setter 方法

Getter 方法用于返回私有成员变量的值；Setter 方法用于设置私有成员变量的值。

// Getter 方法
public double getBalance() {return balance;
}// Setter 方法
public void setBalance(double balance) {// 与构造方法类似，可以在前面增加一些判断条件this.balance = balance;
}

使用 Getter 方法获取余额：

// Getter 方法获取余额
System.out.println(bankAccount.getBalance());

Setter 方法用于设置余额的值，与构造方法类似，具体使用如下：

// Setter 方法设置余额的值
bankAccount.setBalance(600);

3. 存入金额

Setter 方法用于修改变量的值，存入 / 取出金额就是相当于让金额增加，也算是一种修改。

因此，存入 / 取出金额也需要使用 Setter 方法。

存入金额方式：写入需要存入的金额，然后加到原来的余额上，模拟追加存款。

// Setter 方法，存入金额
public void deposit(double amount) {// 加入数据验证，存入金额需要大于 0if (amount > 0) {// 加到原来的余额上，模拟追加存款balance += amount;} else {// 金额不合法，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Deposit amount must be positive.");}
}

具体使用方式：

// 模拟追加存款
bankAccount.deposit(200);
System.out.println("追加存款后：" + bankAccount.getBalance());

4. 取出金额

取出金额方式：写入需要取出的金额，然后从原先的金额上面扣除，模拟取出部分存款。

// Setter 方法，取出金额
public void withdraw(double amount) {// 判断：取出金额的数量不能超过存款，且大于 0if (amount > 0 && amount <= balance) {// 从原先的金额上面扣除balance -= amount;} else {// 金额不合法，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Invalid withdrawal amount.");}
}

具体使用方式：

// 模拟取出部分存款
bankAccount.withdraw(100);
System.out.println("取出存款后：" + bankAccount.getBalance());

五、完整测试代码

1. BankAccount 类

public class BankAccount {private double balance; // 私有成员变量，余额// 构造器public BankAccount(double initialBalance) {if (initialBalance >= 0) {balance = initialBalance;} else {throw new IllegalArgumentException("Initial balance cannot be negative.");}}// Getter方法public double getBalance() {return balance;}// Setter方法
//    public void setBalance(double balance) {
//        this.balance = balance;
//    }// Setter 方法，存入金额public void deposit(double amount) {// 加入数据验证，存入金额需要大于 0if (amount > 0) {// 加到原来的余额上，模拟追加存款balance += amount;} else {// 金额不合法，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Deposit amount must be positive.");}}// Setter 方法，取出金额public void withdraw(double amount) {// 判断：取出金额的数量不能超过存款，且大于 0if (amount > 0 && amount <= balance) {// 从原先的金额上面扣除balance -= amount;} else {// 金额不合法，抛出异常throw new IllegalArgumentException("Invalid withdrawal amount.");}}
}

2. 测试类

public class Application {public static void main(String[] args) {// new 实例化对象// 初始化余额为 500BankAccount bankAccount = new BankAccount(500);// Getter 方法获取余额System.out.println("当前余额为：" + bankAccount.getBalance());// Setter 方法设置余额的值
//        bankAccount.setBalance(600);// 模拟追加存款bankAccount.deposit(200);System.out.println("追加存款后：" + bankAccount.getBalance());// 模拟取出部分存款bankAccount.withdraw(100);System.out.println("取出存款后：" + bankAccount.getBalance());}
}

六、总结

本文讲述面向对象编程的三大特性之——封装。通过案例分析，简单介绍了封装的含义和作用，以及在 Java 中如何使用封装。


一些参考资料

狂神说 Java 零基础：https://www.bilibili.com/video/BV12J41137hu/
TIOBE 编程语言走势： https://www.tiobe.com/tiobe-index/
Typora 官网：https://www.typoraio.cn/
Oracle 官网：https://www.oracle.com/
Notepad++ 下载地址：https://notepad-plus.en.softonic.com/
IDEA 官网：https://www.jetbrains.com.cn/idea/
Java 开发手册：https://developer.aliyun.com/ebook/394
Java 8 帮助文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

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