面向对象编程：Java中的封装、继承、多态和设计模式

在计算机编程领域中，面向对象编程（Object-Oriented Programming）是一种非常常用的编程范型。而在Java这种面向对象语言中，有封装（Encapsulation）、继承（Inheritance）、多态（Polymorphism）等核心概念，以及设计模式（Design Pattern）等高级特性。本文将对这些内容进行详细的介绍，并结合实例加深理解。

封装

封装是指将一个类的属性和方法进行合理的保护，使其不受外部干扰，同时提供公共接口供外部使用。在Java中，可以通过private、protected、public等关键字来定义某个成员变量或方法的可见性。下面是一个示例：

public class Person {
    private String name; // 私有成员变量
    private int age;
    
    public void setName(String name) { // 公有方法
        this.name = name;
    }
    
    public String getName() {
        return this.name;
    }
    
    // ... 其他方法和成员变量
}

在上面的代码中，name和age被定义为私有成员变量，只能在Person类内部访问。而setName和getName则是公有方法，可供外部调用来设置或获取name属性值。

继承

继承是指在一个已有的类基础上，通过添加新的属性和方法来创建一个新类的过程。在Java中，通过extends关键字来实现继承。下面是一个示例：

public class Student extends Person {
    private String school;
    
    public void setSchool(String school) {
        this.school = school;
    }
    
    public String getSchool() {
        return this.school;
    }
    
    // ... 其他方法和成员变量
}

在上面的代码中，我们定义了一个Student类，它继承了Person类，并新增了一个school属性和相应的setter和getter方法。因此，所有Person类中的属性和方法都可以在Student类中被使用。这样，我们就可以更好地复用已有的代码，提高程序的可维护性和效率。

多态

多态是指同一种行为或操作具有多个不同的表现形式或状态的能力，即对象在不同的情况下会表现出不同的行为。在Java中，可以通过重载（Overloading）、重写（Overriding）等机制来实现多态。下面是一个示例：

public class Animal {
    public void move() {
        System.out.println("Animal is moving...");
    }
}

public class Dog extends Animal {
    @Override
    public void move() {
        System.out.println("Dog is running...");
    }
}

public class Cat extends Animal {
    @Override
    public void move() {
        System.out.println("Cat is climbing...");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal1 = new Dog();
        Animal animal2 = new Cat();
        
        animal1.move(); // 输出：Dog is running...
        animal2.move(); // 输出：Cat is climbing...
    }
}

在上面的代码中，我们定义了一个Animal类，并在其子类Dog和Cat中分别重写了move方法。在Main类中，我们通过向上转型将Dog和Cat对象分别赋值给Animal类型的变量animal1和animal2，然后调用它们的move方法。由于多态性质的存在，最终输出的结果分别是“Dog is running...”和“Cat is climbing...”。

设计模式

设计模式是指在软件开发过程中经常出现的一些问题的通用解决方案。在Java中，有很多种不同的设计模式，如单例模式、工厂模式、装饰器模式、观察者模式等等。在这里，我们以单例模式和工厂模式为例进行说明。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
    // ... 其他方法和成员变量
}

public interface Shape {
    void draw();
}

public class Rectangle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
    }
}

public class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
    }
}

public class ShapeFactory {
    public static Shape getShape(String shapeType) {
        if (shapeType == null) {
            return null;
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
            return new Rectangle();
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
            return new Circle();
        } else {
            return null;
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Shape shape1 = ShapeFactory.getShape("RECTANGLE");
        shape1.draw(); // 输出：Inside Rectangle::draw() method.
        
        Shape shape2 = ShapeFactory.getShape("CIRCLE");
        shape2.draw(); // 输出：Inside Circle::draw() method.
    }
}