如何设计形状类答案

【问题标题】：How to design shape class如何设计形状类
【发布时间】：2010-04-10 19:10:46
【问题描述】：

我想设计形状类。我需要区分几种不同的形状：

-Point  
-Line  
-Triangle  
-Circle  
-Polygons

这个类的主要目的是计算两个形状之间的距离。
我有计算这些距离的所有方法，但我想有一个可以使用的方法，它应该是这样的：

float Distance(Shape a, Shape b)

最简单的方法是放很多 if 语句，然后调用正确的方法，但这绝对不是 OOP。

如何以 OOP 风格设计这样的类？

【问题讨论】：

这个问题看起来像是个笑话，因为在很多面向对象的编程书籍和教程中都有形状层次结构的例子:)
距离函数会给出什么？中心到中心？最近的边？
是的，这个任务本身就是家庭作业的味道。
@ElectricDialect：我已经阅读了一些教程，但我还没有找到一个层次结构中包含点、线和圆的教程。 @Aarounaught：两个最近点之间的距离，但这没关系。我已经拥有所有这些方法，但我只需要以 OOP 风格进行。 @Johannes：相信我，这不是功课。
@Tomek：你已经有一种方法可以计算任意两个任意形状之间的边缘距离，甚至是不等边的形状？

标签： c# .net class-design shapes

【解决方案1】：

这是一个棘手的问题，因为如果您正在实现使用最近点计算两个对象之间距离的方法，您确实需要知道 both 对象的类型。如果您使用例如中心点来比较它，那么它会很容易 - 您只需添加 GetCenter 方法，但这在这种情况下根本不起作用。

问题在于，如果您可以将类层次结构设计为可扩展的，那么类层次结构很有用——也就是说，允许在不修改现有类型的情况下添加其他类型。这不是这里的情况，因为当您添加Ellipse 时，您需要实现DistancePointEllipse、DistanceTriangleEllipse 等等...使用函数式语言中已知的algebraic data type 来表示它会容易得多.例如在 F# 中：

type Shape = 
  | Circle of float * float * float // center & radius
  | Point of float * float          // center

然后你可以使用模式匹配来处理所有可能的情况：

match shape1, shape2 with
| Circle(x1, y1, r1), Circle(x2, y2, r2) -> // two circles
| Point(x1, y1), Point(x2, y2) -> // two points
| Circle(cx, cy, r), Point(px, py) 
| Point(px, py), Circle(cx, cy, r) ->
    // point and a circle (both combinations

函数式编程似乎更适合这个问题:-)。

无论如何，一种可能的（但仍然是不可扩展的）面向对象的设计是拥有Shape 基类和方法DistanceToPoint、DistanceToTriangle 等来计算从当前类型到另一个类型的距离形状类型（因为你真的需要所有的组合）。

另一种方法是在 C# 中简单地编写重载方法：

float Distance(Triangle t, Point p);
float Distance(Triangle t, Circle c);
// ... etc

这个选项的好处是您可以轻松减少需要编写的方法数量。例如，如果您有 Ellipse 和 Point 的案例，您可以从 Ellipse 继承 Circle，然后在比较 Circle 和 Point 时也使用现有案例。

【讨论】：

+1 用于重载解决方案；这是表达问题症结的一种非常简洁的方式，即任何一对形状的实现都会有所不同。这也增加了编译时的安全性，因为不受支持的形状之间的距离不会编译。请注意，如果您想获取未知形状之间的距离，您仍然需要一个具有所有杂乱切换的函数，但至少这可以让您在众所周知的情况下获得更好的性能/使用。
@Dan Bryant：很好，这仅适用于静态已知类型。我想您可以使用 C# 4 dynamic 使其也适用于未知类型（我认为这实际上不是特别糟糕的解决方案）。

【解决方案2】：

这取决于您对“距离”的定义。您可以给基类一个抽象的 CenterPoint 属性，由每个派生类覆盖。现在很简单。

【讨论】：

@nobugz：我如何定义距离并不重要。我已经有了计算它们的方法。也许是因为今天在波兰发生的事情，但我真的没有看到：|假设我们只有点和线，距离（形状 a，形状 b）应该是什么样子？你可以假设有DistancePointPoint、DistancePointLine、DistanceLineLine等方法
@Tomek：您现在已经多次说过，如何计算距离并不重要，但显然确实如此；如果您正在计算中心距离，那么您需要做的就是获取两个中心点（可以作为抽象方法实现）并在它们上使用距离公式。如果您尝试计算边缘距离，这几乎没有那么简单。
@Aaronaught：我没有将距离计算为中心点之间的距离。我计算了点 a1 和 a2 之间的可能距离，其中 a1 属于第一个形状，a2 属于第二个形状
@Tomek：你不能使用这些是一种很好的 OOP 方式。充其量您可以定义一个虚拟的 DistanceTo(Shape) 方法，这样您至少可以将 DistancePointXxxx 调用集中在 Point.DistanceTo() 方法中。但是当您添加另一种形状类型时，您必须编辑所有这些。顺便说一句，我表示哀悼，这非常悲惨。
谢谢，现在我至少知道它不能以 OOP 方式完成。我认为有一些设计模式可以涵盖这种情况。感谢慰问，这是波兰历史上最大的悲剧……

【解决方案3】：

一种可以使其可扩展的设计是将距离查找封装为对特定形状进行操作的策略。您将为新的 Shape 类型对注册委托，然后系统可以使用它来为任何一对形状类型解析适当的函数。这将允许可扩展性，但也会增加复杂性并降低性能。如果您的层次结构如您所描述的那样简单，那么简单的条件将更快更容易维护。

这里真正的问题是，所讨论的函数不是特定类的简单行为，而是涉及系统中所有形状的知识。您可以为“OOP”做的最好的事情是将所有杂乱的条件封装在一个了解所有形状的管理器类中。您无法避免由于提供此功能而引入的必要耦合，但您至少可以将其隐藏在更简单的界面后面，正如您所描述的那样。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果形状在 X 轴和 Y 轴上都是对称的，并且应该从中心计算距离，那么您可能希望在抽象基类中有一个 Point GetCenter() 方法。从那里，使用distance formula 计算它们之间的距离。

【讨论】：

@Aarounaught：我知道如何计算距离。我有很多方法，例如 DistancePointTriangle(Point p, Triangle t) ，DistanceLinePolygon(Line l, Polygon p) 等等……但正如我所说，我想要一个方法 Distance(Shape a, Shape b)不会使用大量的 if 语句来确定它是什么类型的形状。

【解决方案5】：

您可以创建一个抽象基类Shape，从中继承每个形状的类。在基类中，您为所需的功能声明一个抽象方法（例如，CalculateDistance），但没有任何代码（即没有 body）。在每个继承的类中，您都需要提供此方法的实现。

在相关说明中：为您的Shape 类选择属性和方法，这样您就需要将大量代码从一个形状派生类复制到另一个。如果是这种情况，您应该将该代码放在抽象Shape 类的属性或方法中。最后，每个子类只包含针对每个形状不同的部分的代码。这取决于您的实现，以及如何在内部表示形状。

【讨论】：

【解决方案6】：

使用 flatten 方法创建一个抽象的 Shape 基类，将形状转换为多边形：

abstract class Shape
{
    virtual Polygons Flatten();
}

计算两个多边形之间距离的代码应该很简单。那么您的距离函数如下所示：

float Distance(Shape a, Shape b)
{
    Polygons polygonsA = a.Flatten();
    Polygons polygonsB = b.Flatten();
    return polygonsA.Distance(polygonsB);
}

【讨论】：