Objective-C & Sprite Kit太空历险记 ： 4. 打造作战单位——面向对象编程（上）

原文
http://www.ituring.com.cn/article/213488

各位都已经是初级军官了，为了迎接更多的挑战，大家必须了解太空舰队中的各种作战单位，当然，最好的方法就是了解它们的制造过程，这也是我们来到α科研中心的目的，我们将亲自加入到作战单位的研发和制造工作当中。在这里，我们将开始讨论Objective-C的真正强大的方面，即面向对象编程（OOP），主要内容包括：

面向对象编程基础
定义类
方法
属性
初始化方法
对象的释放
继承
分类
类与对象的应用
动态处理类和对象

4.1. 面向对象编程基础

O博士：现在，由我带领大家进行本部分分的的实习任务，我们将打造一个机器人控制系统，而且是要求模块化设计，这样才能更有效地控制与扩展。首先，大家可以试着使用前面学习到的内容进行相关的工作。首先，我们需要一个机器人，它应该是什么类型的呢？

Robot类型，怎么样？

实际上，我们现在还没有这个类型，那就先假装有一下得了！现在，我们需要一个机器人变量，如下面的代码。

Robot robot5;

接下来，让机器人robot5走两步看看，对于动作处理，到现在为止只能使用函数，如下面的代码。

robot_move(robot5, 2);

发现敌人要开火，如下面的代码。

robot_fire(robot5, target);

O博士：现在，大家还有兴趣继续玩下去吗？我们换一种方式玩吧。首先，还是假设有Robot类型和一个robot5变量，如果能使用下面的代码来完成移动、开火等操作是不是更直观呢。

Robot *robot5;  // 为什么要加*，这可不是为了装，稍后道来
robot5.name = @"No.5";  // 机器人5号，5号活了
[robot5 move:2];  // 走两步
[robot5 fire:target];  // 射击目标

O博士：这就是面向对象编程的基本形式，我们将一个事物的特性（属性）和动作（方法）进行封装，从而能够更加直观地编写代码，同时，也会使代码更具有逻辑性、可读性，以及可维护性。

接下来，我们就先来了解一些面向对象编程的基本概念，稍后我们讨论如何在Objective-C项目中实现面向对象编程。

类与对象

O博士：在面向对象编程概念中，我们可以将“类（class）”看作为一个复杂的数据类型，就是比结构更复杂的数据类型。有了一定的数据类型，我们就可以创建这些类型的变量，而基于类类型的变量就是对象（object），或者称为类的实例（instance）。当然，我们创建对象的过程并不会像操作基本数据类型那么简单，在这一过程中，往往需要一些内存分配、数据初始化，以及资源调用等操作，这些操作都会在创建对象时进行初始化，这些创建对象的过程，我们又可以称为类的实例化。

假如我们定义了机器人类型CRobot类，我们可以创建一个具体的机器人对象，如“5号”机器人；那么，“5号”就是CRobot类的一个实例，或者说是CRobot类型的对象。

请注意，在类类型前加一个大写的C是我的编程习惯，你可以在一定的范围内根据自己的习惯和项目和约定、标准对类进行命名。

属性与方法（任务）

对象的特性，如速度、颜色、名称、位置等等，我们都可以通过属性来表示，如robot1.name=@"No.5"中，name属性就表示机器人的名称。

对象的动作，如开火、移动等等，我们就可以定义为方法来实现，如[spaceship fire]。请注意，方法（method）是面向对象编程概念中的术语，但Apple的官方文档称为任务（task），在本书中，我们会使用习惯性的面向对象编程术语，即方法（method）。在Objective-C中，它的定义方式和函数还是很大区别的，稍后我们就会看到。

继承

O博士：前面我们提到过，一个对象的创建需要有内存分配等初始化操作，如果每一个类的全部操作都需要自身的代码来实现，这些工作可不是闹着玩的；还好，我们不必要一切从零开始。

在Foundation框架中定义了NSObject类，我们定义的类，如果没有特殊要求，都可以继承NSObject类型；这样，就可以使用NSObject类中定义的成员，如属性和方法，从而简化了创建类的工作量。

从另一方面来看，在创建复杂的应用程序时，我们可以利用很已经存在的类，包括Cocoa中的资源，或者是自定义的资源，从而进一步提高开发效率。

比如，我们创建了一个汽车类CAuto，一些衍生车型就可以继承它的基本特点和功能，如CCar、CSuv等。此时，CAuto类就是CCar和CSuv的基类（又称为父类或超类），而CCar和CSuv就是CAuto的子类。

在Objective-C项目中，NSObject类是唯一没有基类的类，而其它的类，特别是我们自定义的类，都必须指定一个基类。

了解了面向对象编程的一些基本概念以后，我们就来看看如何在Objective-C中实现它们。

4.2. 定义类

O博士：现在，我就要创建真正的机器人类了。不过，我们还是先了解一些在Objective-C中定义类的基础知识。

与大多面向对象编程语言最大的区别就在于，在Objective-C中并不使用class关键字来定义类，而是使用两个部分来定义类，包括接口（interface）部分和实现（implementation）部分。

理论上讲，我们可以将类的接口部分、实现，以及应用代码都放在一个文件中，但我们知道，大多数情况下，定义一个类是为了提供给别的代码重复使用的，所以，我们一般会将接口部分定义在头文件（.h），而将实现部分定义在相应的Objective-C模块文件（.m）中。

4.2.1. 接口部分

本章的代码，我们将继续使用前面创建的项目OCDemo；在XCode菜单，通过"File"->"New"->"File"，选择OS X下的Source，然后选择Cocoa Class，接下来，需要我们指定类的名称（Class）及其基类（Subclass of），如下图。

单击“Next”按钮，指定代码保存的路径以后，Xcode会为自动为我们创建同名的头文件和代码文件，我们首先看头文件中的接口部分，如下面的代码（CRobot.h文件）。

#ifndef __CRobot_h__
#define __CRobot_h__

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface CRobot : NSObject

-(void) move;

@end

#endif

我们可以看到，类的接口部分定义在@interface和@end指令之间，而类的名称则定义在@interface指令后面，紧跟其后的冒号（:）含义为继承，本例中，我们定义的CRobot类继承于NSObject类。

在CRobot类中，我们声明了一个名为move的实例方法，它没有返回值（使用void关键字声明）；接下来，我们看一看如何在实现部分具体定义这个方法。

4.2.2. 实现部分

下面的代码，我们将在CRobot.m文件中看到CHello类的定义。

#import "CRobot.h"

@implementation CRobot

-(void) move
{
NSLog(@"机器人移动");
}

@end

在这里，我们可以看到，类的实现部分定义在@implementation和@end指令之间；在@implementation指令后需要类的名称，但不需要再次指定继承哪个类。

在类的实现代码中，我们定义了move方法的具体实现，它的功能很简单，只是显示一条信息。

请注意，在类中定义的方法并没有使用小括号()来包含参数；实际上，其参数的定义和函数有所不同，稍后，我们会详细介绍方法及参数的定义。

4.2.3. 创建对象（实例化）

下面的代码，我们演示了如何在main()函数中使用CRobot类。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "CRobot.h"

int main(int argc, const char *argv[])
{
@autoreleasepool {
CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
[robot5 move];
}
return 0;
}

代码中，我们使用#import指令引用了CRobot.h文件，从而将CRobot类的定义引用到当前代码文件。在main()函数中，我们使用如下代码创建了一个CRobot类的实例，即robot5对象。

CRobot *robot5

大家可以看到，对象实际是被定义为指针类型的，都说了加*不是用来装的。^_^

接下来，给这个对象赋值的代码实际上是完成了对象的实例化过程，这个过程共调用了两个方法，即alloc和init方法，也许大家会问，我们并没有定义这两个方法，它们是从哪里来的呢？答案就是，它们是从继承NSObject类而来；也就是说，这两个方法是定义在NSObject类中的，而在CRobot类中，由于它是NSObject类的子类，所以，我们可以使用NSObject类中定义的这两个方法。

请注意，并不是基类中所有成员都能被子类访问的，稍后我会讨论相关主题。

最后，我们调用了robot5对象的move方法，在Objective-C中，类和对象方法的调用，其基本格式如下：

[<类或对象> <方法名和参数>];

调用类和对象中的方法时，需要使用一对方括号[]包含起来，如果你学习过C#或Java等编程语言，可能对这种方法的调用格式有些不适应，不过，用着用着也就习惯了。^_^

4.2.4. 类的成员

O博士：我们已经讨论了如何定义一个简单的类和一个方法，并在它的实例（对象）中应用。实际开发中，类的成员定义会是一项比较复杂的工作；本节，我们就来讨论一些关于类成员定义的基础知识。

属性和方法

定义一个类时，我们对外部代码提供的公共接口成员主要包括属性和方法，属性用于定义对象的特性，而方法（任务）则是定义对象可执行的动作。稍后，我们会详细讨论属性和方法的创建和使用。

实例方法和类方法

在前面定义的CRobot类中，我们定义的move属于实例方法，使用减号（-）定义，如：

-(void) move;

实例方法的特点时，它必须由对象，即类的实例来调用。

与实例方法相对应的类方法，它由类来调用，类方法使用加号（+）定义，如：

+(void) methodName;

调用类方法时，我们直接使用类的名称，如：

[CRobot methodName];

更多关于方法定义的内容稍后讨论。

实例变量

在类中，我们还可以定义一些实例变量，这些变量可以在实例方法中直接调用，并可以通过@public、@private、@protected指令指定它们的适用范围（称为作用域 、可访问性或访问级别）。

我们可以在类的接口部分或实现部分定义实例变量，此时，应在紧跟接口或实现指令后的一对花括号{}之间，如下面的代码：

@interface CRobot : NSObject
{
int counter;
}
-(void) move;@end

在接口部分定义的实例变量，其默认使用范围（作用域）是@protected，即这些变量可以在当前类及其子类中的实例方法中使用。

实现部分定义的实例变量，只能用于当前类中定义的实例方法，相当于@private作用域。如下面的代码。

@implementation CRobot
{
int counter;
}
// 其它代码
@end

如果想简单点，可以直接在接口部分定义全部的实例变量，并指定其作用域。如下面的代码。

@interface CRobot : NSObject
{
@private
int counter = 0;
@protected
int x;
int y;
@public
int identity;
}
-(void)move;
@end

其中，counter变量为私有实例变量，只能在本类中的实例方法中使用；x和y变量定义为受保护的实例变量，可以在本类或其子类中的实例方法中使用；而identity变量则定义为公共的，它可以由外部代码使用->运算符调用，如下面的代码。

CRobot *robot5 = [[CHello alloc] init];
robot5->identity = 5;
NSLog(@"当前ID : %i", robot5->identity);

不过，在类中定义公共变量并不是好的开发方法，如果我们需要这一类的数据形式，可以将这个数据定义为属性。

作用域

定义一个类时，有些成员是需要提供给外部代码调用的，而有些成员则只能在类的内部使用，此时，我们就应该考虑成员的作用域问题。

一般来讲，我们将公共成员（如属性和方法）声明在接口部分（必须在实现部分实现它们），而只限于本类或其子类使用的成员则可以直接定义在类的实现部分。

4.3. 方法

O博士：本节，我们就来讨论如何在Objective-C的类中实现方法（method）。再次说明，在Apple公司的文档中，方法称为任务（Task）。

4.3.1. 创建方法

前面，我们已经了解到，在类中的方法可以分为实例方法和类方法，在这里，我们将主要讨论实例方法，并根据参数的数量分为三种情况来介绍：

没有参数的方法。
有一个参数的方法。
有两个或更多参数的方法。

为什么要这样分，我想这一定某些人的情怀造成的，相信我，这绝对不是我的原因，我只是想，这样介绍也许更能帮助大家理解。不过，在这之前，我们需要了解，方法都是要设置返回值类型的，与函数不同，类中的方法，共返回值类型需要使用一对圆括号，如下面的代码：

-(int) getId;

如果返回值类型是一个对象类型，不要忘记使用*符号，对象就是指针！，如下面的代码：

-(NSString*) getName;

如果方法没有返回值，则使用void关键字来指定，如：

-(void) move;

接下来，我们再来讨论参数的三种情况。

没有参数的方法

前面，我们的示例中创建的就是没有参数的方法，其格式很简单，如（以实例方法为例）：

-(<返回值类型>) <方法名>;

如下面的代码，我们就会在CRobot类中再定义一个没有参数的方法，首先在接口部分声明它。

@interface CRobot : NSObject
-(void) work;
// 其它代码
@end

然后，在实现部分定义这个方法。

@implementation CRobot
-(void) work
{
NSLog(@"机器人工作中");
}
// 其它代码
@end

在代码中，我们使用如下代码调用这个方法。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
[robot5 work];

有一个参数的方法

当方法有一个参数时，我们使用如下格式定义（以实例方法为例）。

-(<返回值类型>) <方法名> : (<参数类型>)<参数变量>;

我们还是先在接口部分声明方法，如下面的代码。

@interface CRobot : NSObject
-(void) work : (NSString*) name;
// 其它代码
@end

然后，在实现部分定义这个方法。

@implementation CRobot
-(void) work : (NSString*) name
{
NSLog(@"机器人 %@ 正在工作", name);
}
// 其它代码
@end

代码中，我们使用如下代码调用这个方法。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
[robot5 work : @"No.5"];

你也许发现了，我们定义的两个方法都是work，这不会有冲突吗？不会的，它们的参数数量是不一样的，调用时会自动匹配，找到需要执行的那一个方法。

有两个或更多参数的方法

当方法中有两个或更多的参数时，参数之间使用空格符分隔，从第二个参数开始使用下面的定义格式。

<参数名称>:(<参数类型>) <参数变量>

如下面的方法，我们将定义两个参数，首先还是在接口部分声明（以实例方法为例）。

@interface CRobot : NSObject
-(void) moveToX:(float)mx Y:(float) my;
@end

接着，我们在类的实现部分定义这个方法。

@implementation CRobot
-(void) moveToX:(float)mx Y:(float) my
{
NSLog(@"移动坐标到(%f, %f)", mx, my);
}
@end

在代码中，我们使用如下代码来调用这个方法。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
[robot5 moveToX:10.0 Y:15.0];

实际上，我们可以看到，这种定义参数的形式会让方法使用起来更像是一句自然语言，比如这个moveToX方法的调用，包含参数的意思就是“移动到X坐标10.0和Y坐标15.0”。不过，这里的自然语言显然指的是英文。^_^

当然，如果不想在方法中使用绕口的洋文，我也可以不使用<参数名称>，如下面的代码。

// 接口部分
@interface CRobot : NSObject
-(void) moveTo:(float)mx :(float)my;
@end

// 实现部分
@implementation CRobot
-(void) moveTo:(float)mx :(float)my
{
NSLog(@"移动坐标到(%f, %f)", mx, my);
}
@end

如果不使用<参数名称>，则每个参数使用冒号（:）开始，然后包括<参数类型>和<参数变量>即可。我们可以使用如下代码来调用这个方法。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
[robot5 moveTo:100 :200];

4.3.2. description方法与NSLog()函数

O博士：在Objective-C定义的类中，我们可以使用一些特殊成员，description方法就是其中之一，它的功能就是能够让对象以指定的形式显示文本信息，这样做的目的当然是让类或对象的信息更有意义。

如下面的代码，我们将在实现代码中重写这个方法。

@implementation CRobot
-(NSString*) description
{
return @"这是机器人对象";
}
@end

然后，我们可以通过在NSLog()函数中使用%@格式化字符来显示这个信息，如下面的代码。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
NSLog(@"%@", robot5);

此外，我们已经看到NSLog()函数中的一些常用格式化字符，包括第2章介绍的基本数据类型的格式化字符；%@格式化字符则用于显示任意类型的对象信息，而这些信息就可以使用类中的description方法来定义。

通过NSLog()和description方法的配合使用，还可以有效地帮助我们在开发对代码进行调试，如通过信息检测对象的结果是否是我们所期望的那样。

4.4. 属性

O博士：我们说过，在类中定义的属性是表示对象的特性，如名称、颜色、速度、尺寸、位置等等。在Objective-C中，常用的属性定义方式有两种，一种是使用@proeprty和@synthesize指令快速创建，称为存储属性（stored property）；另一种是使用setter和getter方法创建，称为计算属性（compute property）。下面我们就分别介绍这两种创建属性的方式。

4.4.1. 使用@proeprty和@synthesize指令

在类中使用@proeprty和@synthesize指令定义属性，主要有两个步骤。

第一步，在类的接口部分使用@property指令声明属性的类型和名称，如下面的代码。

@interface CRobot : NSObject
@property NSString* name;
// 其它代码
@end

如果多个属性的类型是一样的，我们还可以使用一个@property指令同时声明多个属性，如：

@property float x, y;

在这个代码，我们同时定义了float类型的两个属性，即x和y。

接下来，我们需要做的就是在类的实现部分同步这些属性，如下面的代码：

@implementation CRobot
@synthesize name;
@synthesize x,y;
// 其它代码
@end

请注意，在类的实现部分，使用@synthesize指令同步属性时，不再需要指定属性的数据类型；这样一来，在@synthesize指令中，我们实际上可以将不同类型的属性写成一行代码，如：

@synthesize name, x, y;

应用中，我们可以通过圆点运算符（.）来使用对象的属性，如下面的代码。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
robot5.name = @"No.5";
robot5.x = 5.0;
robot5.y = 6.0;
NSLog(@"机器人%@的位置在(%f, %f)", robot5.name, robot5.x, robot5.y);

使用@property和@synthesize指令创建属性，的确非常方便，但也有一些不足；最明显的就是在设置属性值时，我们无法在类的内部对数据进行更多的操作，只能在设置属性值前对数据进行正确性检查等处理工作。如果我们需要在设置属性值时，在类的内部对数据进行更多的操作，可以使用getter和setter方法来创建类的属性。

4.4.2. 使用setter和getter方法

使用setter和getter方法创建类的属性时，我们一般会使用一个内部实例变量来保存属性的值，然后，我们会定义对应的方法来设置和读取这个变量的值，如下面的代码，我们首先在类的接口部分声明一个属性（speed）的设置和读取方法。

@interface CRobot : NSObject
-(float) speed;
-(void) setSpeed:(float)s;
// 其它代码
@end

接下来，我们会在类的实现部分定义属性数据变量，以及这几个方法的具体实现，如下面的代码。

@implementation CRobot
{
float _speed;
}
-(float) speed
{
return _speed;
}
-(void) setSpeed:(float)s
{
_speed = fabs(s);
}
// 其它代码
@end

在这个代码中，我们需要注意以下几个问题。

计算属性一般会在内部使用一个实例变量保存真正的数据，如代码中的_speed变量。
getter方法用于获取属性值，其名称也就是属性的名称，而它的实现也相对简单，一般来讲，直接返回相应变量的值就可以了。
setter方法用于设置属性值，其命名规则是“set+属性名”，其中，属性名首字母大写。对于本例中的setter方法实现，我们也使用了比较简单的处理方法；我们知道，物体的速度不能是负数，我们直接将传入属性值的绝对值赋值给了变量。这是特殊的处理方式，在实际开发工作中，我们可以根据需要对传入的数据进行检查和再加工。

使用getter和setter方法定义的属性，同样可以使用圆点（.）运算符，调用，如下面的代码。

CRobot *robot5 = [[CRobot alloc] init];
robot5.name = @"五号";
robot5.speed = 50.0;
NSLog(@"%@ 的速度是 %f km/h", robot5.name, robot5.speed);

此外，我们也可以看到，使用setter和getter方法定义的属性，其本质上还是方法，所以，我们也可以使用方法的形式来调用它们；但出于其它实际功能上的考虑，我们还是应该对属性和方法的应用加以区分。