面向对象编程

面向对象编程的特点

在使用设计良好的类时，面向对象编程可以显著提高代码的重用性，并使程序更易于维护和扩展。用类和对象编程与一般的结构化编程有下面一些主要区别：

（1）能实现函数和运算符重载。

（2）可以覆盖已经存在的MATLAB函数表示的方法。

（3）当把用户定义的对象作为参数调用函数时，MATLAB首先要进行检查，看是否有定义对象类的方法。如果有，则调用它。

（4）可以实现数据的封装。

（5）对象属性在命令行中不可见，只能用类方法访问它们。

（6）可以创建类的继承层次。子类可以从一个父类（单继承）和多个父类（多继承）那里进行继承。利用继承，可以共享父函数。

（7）可以用组合创建类，其中一个对象包含另一个对象。此种方法适用于一种对象是另一种对象的一部分的情况。

由于篇幅所限，本节主要介绍在MATLAB中创建类和对象的基本方法和流程。

类的定义

类是一种模板，用于提供对类的所有实例共有元素的描述。类的成员包括定义类的属性、方法和事件。

MATLAB中的类用代码块进行定义。

1．生成类的块

MATLAB在组织类的时候，将代码组织成块，如下所示，每个块以关键词开始，以end语句结束：

classdef…end ——定义所有类组件。

properties…end——声明属性名，定义属性并指定默认值。

methods…end——声明方法签名，定义方法和函数代码。

events…end ——声明事件名称，进行定义。

enumeration…end ——声明枚举类的成员和值。

Properties，methods，events和enumeration都是关键字，它们只应用在calssdef块中。

2．类定义块

类文件中的classdef块包含类的定义代码，以classdef关键字开始，以end语句结束。

classdef(ClassAttributes) ClassName < SuperClass
  ...
end

ClassAttributes定义类的特性，SuperClass定义类的父类，即继承性。

3．属性块

属性块包含属性的定义代码，以properties关键字开始，以end语句结束。

classdef ClassName
  properties(PropertyAttributes)
    ...
  end
  ...
end

例如，下面的类定义一个名为Prop1的属性。

classdef MyClass
  properties
    Prop1
  end
  ...
end

使用点标记可以获取属性的值。

A = MyClass;

设置Prop1属性的值。

A.Prop1=10.0;

4．方法块

方法块包含定义类方法的函数，以methods关键字开始，以end语句结束。

classdef ClassName
	properties
		PropertyName
	end
	methods
		function obj=ClassName(arg1,...)
			obj.PropertyName=arg1;
			...
		end
		function ordinaryMethod(obj,arg1,...)
			...
		end
	end

在上面的代码中，ClassName方法被称为构造函数方法，用于创建类的实例。

给MyClass类添加一个构造函数，并设置属性值。

classdef MyClass
    properties
        Prop1
    end
    methods
        function obj=MyClass(Prop1)
            obj.Prop1=prop1;
        end
    end
end

创建MyClass类的实例A：

A=MyClass(date);

对于下面代码定义的一般方法：

classdef MyClass
	methods
		function out = ordinaryMethod(obj,arg1)
			...
		end
	end
end

可以用MATLAB函数语法或点标记两种方式调用一般方法：

obj = MyClass;
r = ordinaryMethod(obj,arg1);

或

obj = MyClass;
r = obj.ordinaryMethod(arg1);

5．事件块

事件块定义类的事件，以events关键字开始，以end语句结束。要定义事件，可以在events块中声明一个事件名称。使用handle类的notify方法触发事件。只有继承自handle类的类才可以定义事件。

6．枚举类

在MATLAB中用enumeration块定义枚举，其中以enumeration关键字开始，以end语句结束。

classdef ClassName < SuperClass
    enumeration
        EnumerationMember
    end
    ...
end

例如，下面的类定义两个枚举成员，表示逻辑上的false和true。

classdef Boolean < logical
    enumeration
        No(0)
        Yes(1)
    end
end

7．函数重载和运算符重载

类可以通过重新定义MATLAB函数来实现名字相同的方法，这就是重载。在定义与已有MATLAB类型类似的特别类时，重载很有用。例如，可以对类对象实现关系操作、绘图操作和其他常用的MATLAB函数定义的操作。

重载一个MATLAB函数：

定义一个名字相同的要重载的函数。

确保方法的变量列表接受类对象，MATLAB用于确定调用哪个版本。

运算符重载是重新定义MATLAB中运算符对应的函数，实现运算符重载以后，可以对对象进行类似数值运算和逻辑运算那样的操作。

在MATLAB中实现类对象的运算符，需要实现相关的类方法。每个运算符都有一个相关的函数，如“+”运算符相关的函数为plus.m，“*”运算符相关的函数为mtimes.m。可以通过创建合适名称的类方法来实现任何的运算符。

节中的实例在直线段cline类中实现了“+”和“*”运算符重载，从而可以很方便地实现直线段的平移和缩放。

类的特性

类的特性如表3-7所示。通过定义特性可以修改类的行为。特性的值在classdef块中进行定义。

classdef(Attribute1 = value1, Attribute2 = value2,...) ClassName
    ...
end

表3-7 类的特性

类成员的特性在classdef，properties，methods和events定义块中指定。语法格式如下：

classdef(attribute-name = expression, ...) ClassName
	properties(attribute-name = expression, ...)
		...
	end
	methods(attribute-name = expression, ...)
		...
	end
	events(attribute-name = expression, ...)
		...
	end
end

类文件和目录

在MATLAB中，类的代码以M文件的形式被保存，类文件的名称就是类的名称，扩展名为.m。包含类文件的目录可以有两种方式：

路径目录——是MATLAB路径上的目录；

类目录——是路径目录下面目录，名称为“@”符号加类名，例如@MyClass。

定义类文件有两种方式：

创建一个自包含的类定义文件，放在路径目录或类目录中。目录的组织如图3-6所示。将各个自包含的类文件都放在路径目录里面，文件名必须与类的名称相匹配，并且扩展名为.m。

用多个文件定义一个类，需要使用类目录（MATLAB的早期版本采用这种方式）如图3-7所示，将一个类的所有类定义文件放到一个以“@”打头的目录中，“@”后面跟类的名称。该目录必须位于路径目录中，并且一个类目录只能定义一个类。

图3-6 定义类文件的方式一 图3-7 定义类文件的方式二

类的优先级

当有多个名字相同的类定义文件时，文件在MATLAB路径上的位置决定文件的优先级。所有类定义文件按照在路径上的先后顺序确定优先级，不管文件是否包含在类目录中。示例文件如表3-8所示。

表3-8 示例文件

续表

下面分析表3-8中各个版本的Foo的优先级。

类fldr1/Foo.m的优先级比fldr3/@Foo的高，因为fldr1/Foo.m在路径上的位置比fldr3/@Foo的靠前。

类fldr3/@Foo的优先级比fldr2/Foo.m的高，因为fldr3/@Foo是类目录中的类，而fldr2/Foo.m不是类。类目录中的类的优先级比函数的高。

函数fldr2/Foo.m的优先级比fldr5/Foo.m的高，因为fldr2/Foo.m在路径上的位置比fldr5/Foo.m的靠前，fldr5/Foo.m不在类目录中。没在类目录中定义的类，遵循函数的先后顺序确定优先级。

类fldr3/@Foo的优先级比类fldr4/@Foo的高，因为方法bar不会被认为是fldr3/@Foo中Foo类的一部分。

如果fldr3/@Foo/Foo.m不包含classdef关键字，则fldr4/@Foo/bar.m成为fldr3/@Foo中Foo类的一个方法。

面向对象编程实例

【例3-25】通过定义一个名为cline的新类，可实现直线段的定义和绘制，以及平移与缩放等几何变换。

1．cline类的数据结构

cline类用直线段的起点和终点坐标值定义直线段。其对象ln是一个具有4个字段的结构。这4个字段分别为ln.startx，ln.starty，ln.endx和ln.endy。

    properties
       startx
       starty
       endx
       endy
    end

2．cline类的方法

cline类实现下面的方法：

构造函数cline

draw方法

重载的+和*运算符

（1）cline类的构造函数

下面是cline类的构造函数cline。

methods
    function ln=cline(varargin)
        %cline对象的构造函数
        %ln=cline(startx,starty,endx,endy)
        switch nargin
        case 0
                %如果没有输入参数，则创建一个默认对象
                ln.startx=0;
                ln.starty=0;
                ln.endx=0;
                ln.endy=0;
        case 1
                %如果只有一个参数，则返回它
                if(isa(varargin{1},'cline'))
                     ln=varargin{1};
                else
                    error('输入参数不是cline对象。')
                end
        case 4
                %用指定的坐标值创建对象
                ln.startx=varargin{1};
                ln.starty=varargin{2};
                ln.endx=varargin{3};
                ln.endy=varargin{4};
        otherwise
                error('输入参数个数错误。')
        end
    end
end

cline类有3个构造函数，它们具有不同的形式。

没有输入参数——如果调用没有参数的构造函数，则MATLAB返回一个带空字段的cline对象。

输入参数为对象——如果调用输入参数为对象的构造函数，则MATLAB返回该对象。

输入参数为直线段起点和终点的坐标值——class函数创建cline对象，并在后面由构造函数返回。下面是一个使用cline类构造函数的例子：

ln=cline(0,0,10,20)

这里将创建一个起点坐标为(0,0)，终点坐标为(10,20)的直线段。

（2）cline类的draw方法

function draw(ln)
    x1=[ln.startx ln.endx];
    y1=[ln.starty ln.endy];
    line(x1,y1)
end

（3）重载算术运算符

在对直线段进行平移和缩放操作时，实际上是对直线段的起点和终点的坐标值进行加法、减法或乘法计算，然后利用得到的结果进行绘图。在本例中，为cline类定义了plus和mtimes方法，以便实现加和乘法等运算。

重载“+”运算符

对图形元素进行平移变换，实际上是对该图形元素的控制点进行平移变换，然后重新绘图。点的平移变换，实际上就是将该点的横坐标值和纵坐标值分别加上或减去x方向和y方向的平移值。如果定义向右和向上平移为正，向左和向下平移为负，则可以将相加和相减运算统一为相加运算。直线段的控制点为其起点和终点，对直线段进行平移，只须计算其起点和终点的平移即可。

如果lno为cline类对象，v为一数组（其值分别表示在x和y方向上平移值的大小），表达式lno+v调用plus函数，则下面的函数为cline类定义“+”运算符。

function ln = plus(lno,v)
    if(isa(lno,'cline'))
        x1=lno.startx+v(1);
        y1=lno.starty+v(2);
        x2=lno.endx+v(1);
        y2=lno.endy+v(2);
        ln=cline(x1,y1,x2,y2);
    else
        error('参数类型错误。')
    end
end

该函数首先判断第一个输入参数是不是cline类型的对象，如果是，则将该对象所表示的直线段的起点和终点的坐标值分别加上x方向和y 方向的平移值；如果不是，给出出错信息。

重载“*”运算符

放大或缩小直线段，实际上是将直线段的起点和终点坐标值乘以缩放系数，然后利用得到的坐标值进行绘图。

如果lno为cline类对象，v为一数组（其值分别表示x和y方向上的缩放比例），表达式lno*v调用mtimes.m函数，则下面的函数为cline类定义“*”运算符。

function ln = mtimes(lno,v)
    if(isa(lno,'cline'))
        x1=lno.startx*v(1);
        y1=lno.starty*v(2);
        x2=lno.endx*v(1);
        y2=lno.endy*v(2);
        ln=cline(x1,y1,x2,y2);
    else
        error('参数类型错误。')
    end
end

使用重载的运算符

下面用methods命令列出类的所有方法。

methods cline
类 cline 的方法:
cline		draw		mtimes	plus

给定cline对象ln=cline(1,0,8,5)，MATLAB在使用语句ln2=ln+[3 -1]时调用plus函数，在使用语句ln3=ln*[2 2]时调用mtimes函数。然后分别绘制这3条直线的图形。

ln=cline(1,0,8,5);
ln2=ln+[3 -1];
ln3=ln*[2 2];
draw(ln);
hold on
draw(ln2);
draw(ln3);
hold off

生成图 3-8所示的图形。图中最上面是最初生成的直线段，最下面是该直线段向下平移1个单位、向右平移3个单位后的图形，中间是放大两倍后的图形。