EPLAN酋长问答：面向对象设计解析

问:

对于电气工程师，如何理解什么是面向对象的设计？

面向对象的设计模式是电气工程师们在开发电气产品或系统时应掌握的重要技术。它可以帮助工程师优化产品架构和开发过程，提高代码的可维护性、可扩展性和重用性，进而降低维护成本和开发成本。设计模式通过建立各种对象之间的协作关系，使得工程师们能够更加灵活地进行代码编写，以适应各种复杂的电气系统环境。它不仅能够使工程师们更容易地理解系统的结构和行为，还能够帮助他们更好地组织代码和调试程序。因此，面向对象的设计模式在电气工程领域起着至关重要的作用，是提高产品和系统开发效率和质量的重要手段。

问:

什么是封装？

答：

封装是面向对象程序设计中的一个重要特性，意味着将数据和相应的操作方法（也称为函数）组合在一起，形成一个封闭的单位，使数据在对象实例中被保护起来，外部用户无法直接访问和更改。封装的目的是隐藏对象的复杂性，提高安全性和可维护性。

一个简单的例子是：假设有一个电气元件库，其中有一个电磁继电器对象。该对象具有一个名称属性（例如“继电器A”），一个控制电压属性（例如24v），以及开关状态（开/关）属性。此外，该对象还预设一些操作方法，如打开和关闭继电器，读取继电器状态等。通过封装，这些数据和方法被继电器对象封装在内部，只有对象内部的方法才能访问和更改它们。外部用户无法直接访问对象的数据，只能通过对象的公共接口来操作。例如，外部用户可以调用打开或关闭继电器的方法，但不能直接更改控制电压或继电器状态属性的值，因为这些属性已被封装在对象内部。这种封装的方式可以有效地保护继电器对象的数据和行为，防止不合理的访问和不正确的操作。这也为电气工程师设计更复杂的电气系统提供了一种安全可靠的选择。

继承和多态是面向对象程序设计中另外两个重要特性，与封装一起构成面向对象程序设计的三大特性。

继承表示一个对象（类）可以从另一个对象（父类）继承数据和方法，从而避免了重复编写代码的问题。例如在电气元件库中，可以定义一个通用的电气元件类，如继电器类和传感器类，然后再定义更具体的继电器和传感器子类，以避免在每个子类中都要编写通用的电气元件代码的问题。

多态性是指相同的操作可以作用于不同的对象上，实现不同的行为。例如，在电气元件库中，可以定义一个电气元件接口（例如“开关”接口），所有的电气元件类都必须实现该接口。然后，可以通过调用接口方法来对不同的电气元件执行相同的操作。这样，无论是继电器、传感器还是其他电气元件，都可以被视为“开关”，并调用相同的接口方法。这个过程就是多态的体现。

举个例子，在一个电子系统中，可能有数十种不同的传感器，如温度传感器、压力传感器等等。这些传感器在结构上可能有很大的差异，但是它们都有一个共同的特点：都可以被视为一个能够提供测量值的传感器。在设计这个电子系统时，可以定义一个传感器的基类，定义这个测量值输出的接口，然后派生出各种具体的传感器子类，如温度传感器、压力传感器等。这样，只需要编写一套测量值输出的代码，就可以适用于各种不同类型的传感器，免去了大量的重复编程。

要帮助电气工程师理解继承和多态，可以通过实际案例和现实生活中的例子来阐述。例如，可以用联想汽车作为例子，不同的汽车品牌和型号都有共性和差异性。汽车制造商通常会定义一个汽车的基类，该基类包含通用的特性和方法，如驾驶、加速、刹车等等。然后，汽车制造商可以通过继承汽车基类和派生出各种汽车型号的子类，如轿车、越野车、卡车等。所有这些汽车都可以被视为一个汽车对象，在驾驶和维护方面，可以在这个共同特点上实现各种不同的行为。这就是面向对象程序设计中继承和多态性的体现。简而言之，继承允许一个对象从另一个对象中获取数据和方法，使得程序的复用性得到改善；而多态性允许不同类型的对象对同一操作作出不同的响应，有利于程序的灵活性和扩展性。

问:

举一个比较简单的例子说明一下面向对象的设计模式和面向过程的设计模式有什么不同？

答：

假设我们要设计一个计算器程序，计算两个数的和。下面是面向过程的设计代码：

def add(a, b): return a + b

在这种设计模式中，我们定义一个函数来执行特定的任务，即计算两个数之和。这很有效，但是当需求变更时，我们不得不更改该函数或添加另一个函数。现在，我们来看看面向对象的设计模式下的代码：

class Calculator: def __init__(self, a, b): self.a = a self.b = b def add(self): return self.a + self.b

在这种设计模式中，我们首先定义一个类计算器，其中包含初始化函数来设置操作数，和一个add（）函数来执行操作。当需求变更时，我们可以使用该类的其他方法来处理新的行为，而不必使用全局方法。例如，我们可以添加一个乘法函数。

class Calculator: def __init__(self, a, b): self.a = a self.b = b def add(self): return self.a + self.b def multiply(self): return self.a * self.b

此外，我们还可以使用该类的各种实例来执行更多的操作。例如：

calc1 = Calculator(2, 3) calc2 = Calculator(3, 4) print(calc1.add()) # 输出：5 print(calc1.multiply()) # 输出：6 print(calc2.add()) # 输出：7 print(calc2.multiply()) # 输出：12

这表明，面向对象的设计模式比面向过程的设计模式更为灵活，能够更好地应对变化，降低维护成本。面向对象的设计思路更加高效，易于扩展，并可以提供更好的代码重用性和可维护性。

问:

如何理解面向对象和面向过程？

答：

当我们开发一个程序时，我们需要将其分解成若干可执行的小任务，并确定这些任务之间的关系和顺序。这个过程被称为程序设计。一般来说，程序设计分为两种模式：面向对象和面向过程。

面向过程设计侧重于过程的执行过程，即以一个线性结构为核心，将程序分解成一个个函数或子程序，每个函数或子程序都是按先后顺序执行的，之间没有太多联系，因此很难对代码进行可扩展性优化，维护起来也比较困难。

而面向对象设计则侧重于对象的行为和属性，以对象为核心，将程序分解成一些相对独立的对象，由这些对象完成具体的任务。这些对象之间通过消息传递进行交互和协作，每个对象都承担了特定的功能和行为，这种设计可以使程序更加灵活、可扩展和易于维护。

问：

面向对象和面向过程的设计模式的特点分别是什么？

答：

面向对象的设计模式的特点是：

1. 把全局函数或变量转换成一个个独立的类和对象；