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類別(Class)與模組(Module)

Rails 不是一種程式語言,它是使用 Ruby 這個程式語言所開發出來的網頁開發框架(Web Framework)。

這個章節的目的並不是要詳細的介紹 Ruby 這個程式語言所有的功能,而是希望讓大家對 Ruby 有足夠的基本認識,之後大家在閱讀或撰寫 Rails 專案的時候,會比較知道 Rails 在寫些什麼。

類別(Class)

Ruby 是一款物件導向程式語言(Objected-Oriented Programming, OOP),這是一款物件化的很徹底的程式語言,在 Ruby 的世界裡,幾乎所有的東西都是物件。但,到底什麼是「物件」?

什麼是物件?

物件(object) = 狀態(state) + 行為(behavior)

在現實生活中,路上跑的車子、天上飛的鳥,你我他,看得到、摸得到的都可通稱為之物件(Object)。物件會有狀態跟行為,例如我本人有是「黑色頭髮」、「黃色皮膚」、「年紀 18 歲(?)」等狀態,也有「吃飯」、「睡覺」、「走路」、「講話」等行為。

為了讓大家更容易學習程式設計,許多程式語言都有引進物件導向的概念,讓程式架構更容易組織、整理。而 Ruby 又是一款物件化相當徹底的程式語言,在 Ruby 的世界,你看得到的東西幾乎都是物件,數字 1、字串 “hello”,陣列、Hash 都是物件。

等等,為什麼說「幾乎」?

「在 Ruby 裡所有東西都是物件」,但其實也是有例外的,在上個章節介紹到的 Block 就不是物件,Block 本身沒辦法單獨的存活在 Ruby 的世界裡。

什麼是類別?

不知道大家有沒有在夜市有看過或吃過雞蛋糕,有小貓、小狗等可愛動物造型,只要把調配好的麵粉糊倒進模具,蓋上蓋子,幾分鐘後就會有香噴噴又造型可愛的雞蛋糕可以吃了。

image photo by Bryan Liu

那個烤盤模具,就是類別(Class)的概念。如果沒意外,一樣形狀的模具,放一樣的原料進去,做出來雞蛋糕的型狀應該都會長得一樣。而這個做出來的雞蛋糕,以物件導向程式設計的概念來說便稱之「實體(Instance)」。

定義類別

在 Ruby 要定義一個類別,使用的關鍵字是 class

  class 類別的名字
    #...
  end

如果我想定義一個小貓類別,順便在裡面先定義好一些方法,就可以這樣寫:

  class Cat
    def eat(food)
      puts "#{food} 好好吃!!"
    end
  end

其中,類別的名字規定必須是常數,也就是必須是大寫英文字母開頭。有了 Cat 類別之後,就可以用這個類別的 new 方法來產生實體:

  kitty = Cat.new
  kitty.eat "鮪魚罐頭"  #=> 印出「鮪魚罐頭 好好吃!!」

  nancy = Cat.new
  nancy.eat "小魚餅干"  #=> 印出「小魚餅干 好好吃!!」

在這裡我用 Cat 類別做了兩個不同的實體,分別叫做 kittynancy,這兩個物件因為都是用 Cat 類別做出來的,所以都有 eat 方法。

初始化

一樣形狀的烤盤,在一開始的時候放入不同的原料就可以做出不同口味的雞蛋糕。一樣的概念,在使用 new 方法製作實體的時候,也可以順便傳參數進去。

  class Cat
    def initialize(name, gender)
      @name = name
      @gender = gender
    end

    def say_hello
      puts "hello, my name is #{@name}"
    end
  end

  kitty = Cat.new("kitty", "female")
  kitty.say_hello    # => hello, my name is kitty

如果要透過 new 方法傳參數進來,在類別裡面必須有個名為 initialize 的方法來接收傳進來的參數。在 initialize 方法裡,常見的手法是會把參數傳進來給內部的實體變數(instance variable)。

實體變數(instance variable)

在 Ruby 裡的實體變數是有一個 @ 開頭的變數,顧名思義,是活在每個實體裡的變數,而且每個實體之間互不相影響。

前面這個範例來說,@name@gender 就是實體變數。

在 Rails 專案中,實體變數使用的頻率很高,最常用的地方應該是 Controller 與 View 之間的溝通,隨便舉一個 Controller 為例:

  class PostsController < ApplicationController
    def index
      @posts = Post.all    # 取得所有的 Post 資料
    end
  end

更多細詳內容將會於 MVC(Model, View, Controler)章節再做說明。

取用實體變數

Ruby 的實體變數沒辦法直接從外部取用,像這樣直接取用會發生錯誤訊息:

  kitty = Cat.new("kitty", "female")
  kitty.name = "nancy"     # 這會發生錯誤
  puts kitty.name          # 這也會發生錯誤

因為 Ruby 並沒有「屬性」(property/attribute)這樣的設計,要取用實體變數,需要另外定義的方法才行:

  class Cat
    def initialize(name, gender)
      @name = name
      @gender = gender
    end

    def say_hello
      puts "hello, my name is #{@name}"
    end

    def name
      @name
    end

    def name=(new_name)
      @name = new_name
    end
  end

  kitty = Cat.new("kitty", "female")
  kitty.name = "nancy"
  puts kitty.name        # => nancy

這裡定義的 name 以及 name= 方法(是的,你沒看錯,等號 = 也是方法的一部份)就是負責回傳及設定 @name 這個實體變數的。

也許你會想,每次要這樣取用或設定實體變數的值都要這麼麻煩嗎?還好,Ruby 有幫我們定義了三個方法來解決這件事,分別是 attr_readerattr_writer 以及 attr_accessor。這三個方法分別會做出「讀取」、「設定」以及「讀取 + 設定」的方法,所以原來的有點囉嗦的寫法就可使用 attr_accessor 改寫成這樣:

  class Cat
    attr_accessor :name

    def initialize(name, gender)
      @name = name
      @gender = gender
    end

    def say_hello
      puts "hello, my name is #{@name}"
    end
  end

實體方法與類別方法

依據方法作用的對像不同,有分實體方法(instance method)及類別方法(class method),舉個例子來說:

  kitty = Cat.new("kitty", "female")
  kitty.say_hello

這個 say_hello 是作用在 kitty 這個「實體」,所以稱這個 say_hello 為實體方法。如果是這樣:

  class PostsController < ApplicationController
    def index
      @posts = Post.all    # 取得所有的 Post 資料
    end
  end

這裡的 all 方法是直接作用在 Post 這個「類別」上,故稱之類別方法。在 Ruby 要定義類別方法有幾種寫法,其中一種比較簡單的,就是在前面加上 self

  class Cat
    def self.all
      # ...
    end
  end

這樣就可以直接用 Cat.all 的方式呼叫了。下面這是另一種寫法:

  class Cat
    class << self
      def all
        # ...
      end
    end
  end

這樣的寫法跟前面的一樣,但這樣就不需要特別在方法前面加上 self。當一個類別裡面有很多類別方法的時候,我常會選擇這樣的寫法。

繼承(Inheritance)

到目前為止的範例都是只有單一類別,但在真實的世界裡其實是更複雜的,像是如果想要再加入一個小狗類別:

  class Cat
    def eat(food)
      puts "#{food} 好好吃!!"
    end
  end

  class Dog
    def eat(food)
      puts "#{food} 好好吃!!"
    end
  end

在這個例子,不管是 Cat 或 Dog 類別都有定義了 eat 方法,在物件導向的概念裡,如果這些類別的用途是同一型的(例如 Cat 跟 Dog 都是動物),通常會把相同功能的方法移到「上一層」的類別裡,然後再去繼承它:

  class Animal
    def eat(food)
      puts "#{food} 好好吃!!"
    end
  end

  class Cat < Animal
  end

  class Dog < Animal
  end

在這裡,我定義了一個 Animal 類別,然後讓 Cat 跟 Dog 都去繼承它,那個小於符號 < 就是「繼承」的意思。這樣一來,就算 Cat 跟 Dog 類別空空的什麼都沒寫,也一樣有 eat 方法可以用。雖然 Cat 跟 Dog 本身是兩個不同的類別,但我們可以說「Cat 是一種 Animal,Dog 也是一種 Animal」,利用這樣的設計,可以把程式碼整理得更漂亮,不會寫出一堆重複的程式碼。

開放類別(Open Class)

大家請先看一下這段程式碼:

  class Cat
    def abc
      # ...
    end
  end

  class Cat
    def xyz
      # ...
    end
  end

  kitty = Cat.new
  kitty.abc       # => 會發生什麼事?
  kitty.xyz       # => 會發生什麼事?

一個不小心,在這裡定義了兩個名字都叫做 Cat 的類別,你可能會猜,後面寫的類別應該會蓋掉前面先寫的類別,所以 kitty.xyz 可正常運作,但 kitty.abc 會出錯。

但在 Ruby 裡,如果遇到兩個一樣名字的類別,其實並不會「覆蓋」,而是會進行「融合」,上面這兩個類別最後會變成這樣:

  class Cat
    def abc
      # ...
    end

    def xyz
      # ...
    end
  end

然後 abcxyz 兩個方法都可以正常執行。利用這個特性,可以做出有趣的效果:

  class String
    def say_hello
      "hi, I am #{self}"
    end
  end

  puts "eddie".say_hello  # => hi, I am eddie
  puts "kitty".say_hello  # => hi, I am kitty

在這裡,我先定義一個 String 類別,並且在裡面定義了 say_hello 方法,根據前面的規則,遇到「同名」的類別的話,方法會互相「融合」,所以在那之後所有的字串就都有 say_hello 方法可以用了。等等,那個 String 類別不是內建的類別嗎?是的,你沒看錯,在 Ruby 即使是內建的類別,也是可以幫它「加料」的,這個技巧稱之開放類別(Open Class)。

這是我個人很喜歡的功能,有些人可能會認為這樣的設計感覺很隨便,竟然連內建的類別都可以任意修改,但我想大家都是大人了,應該不會沒事亂 open 然後去惡搞自己或自己的同事吧。事實上,Rails 本身也正是利用這個特性,讓程式碼的可讀性變得更好,例如:

  puts 3.days.ago    # => Wed, 21 Dec 2016 12:06:13 UTC +00:00
  puts 10.megabyte   # => 10485760

這樣不是很酷嗎 :)

一加一不等於二?

還記得在前面有提到,1 + 2 其實是「1 這個數字物件,呼叫了 + 方法,並且把 2 這個數字物件當做參數傳給它」,事實上,open class 不僅能幫原來的類別加功能,連原來即有的行為都可以改掉:

  class Integer
    def +(n)
      1000
    end
  end

  puts 1 + 2   #=> 得到 1000
  puts 3 + 4   #=> 得到 1000

在這裡,我在 Integer 類別裡重新定義了 + 方法,讓它總是回傳數字 1000,這樣一來,不管是 1 + 2 或是 3 + 4,答案都會是 1000。

這樣其實沒什麼用,不過可以再做一點事情,讓原本的 + 還是能算出它原本的答案,但又還可以做些額外的事:

  class Integer
    alias :original_plus :+

    def +(n)
      puts "hey hey hey"
      original_plus(n)
    end
  end

  puts 1 + 2
  puts 3 + 4

在這裡我使用了 Ruby 內建的 alias 方法把原本的 + 方法加個別名 original_plus,然後再新定義的 + 方法裡,再呼叫它原本的算法。執行之後就會發現計算結果跟原本的 + 是一樣的,但會偷偷多印了 hey hey hey 字樣在畫面上。至於這個 hey hey hey 可以做什麼,就看大家各自的想像力了。

Ruby 是個設計上很特別也很彈性的程式語言,不僅很多東西都不是它看起來的樣子(例如 + 號竟然只是個方法),連內建的方法如果不喜歡都可以直接改掉(例如把 + 方法的結果改掉)。

模組(Module)

如果我有一個小貓類別,我想要這個小貓類別有飛行功能,你會怎麼做?

  1. 直接寫一個有飛行功能的小鳥類別,然後再叫小貓類別去繼承它?
  2. 直接把飛行功能寫在小貓類別裡?

「繼承」的概念是:

我只要讓小貓類別去繼承小鳥類別就好啦,反正小鳥會飛,所以繼承之後的小貓就會飛了!

但第 1 種做法的設計有點怪怪的,好好的貓不當,為什麼要去當鳥?為了想要有飛行功能就去當別人家的小孩…。第 2 種做法看來似乎可行,但如果之後又有「我希望我的這個小狗類別也會飛!」的需求,那這樣又得在小狗類別裡寫一段飛行功能,飛行功能的程式碼沒辦法共用。

這時候,模組就可以派上用場了。

飛行模組

在 Ruby 定義模組,使用的是 module 這個關鍵字:

  module Flyable
    def fly
      puts "I can fly!"
    end
  end

寫起來的手感跟類別一樣,連模組名字的規定也跟類別一樣,必須是常數(也就是大字英文字母開頭)。模組定義好了之後,如果要把它拿來用,只要用 include 這個方法:

  class Cat
    include Flyable
  end

  kitty = Cat.new
  kitty.fly        # => I can fly!

就可以把這個飛行模組掛上去,然後小貓就會飛了!之後如果小狗類別也想要有飛行功能的話,只要這樣一行:

  class Dog
    include Flyable
  end

小狗也會飛了。

類別跟模組寫起來好像?

如果你注意到,在寫類別或模組的時候,除了一個是用 class,另一個是用 module,其它幾乎沒什麼差別。事實上,在 Ruby 裡,「類別」的上層類別就是「模組」,開 IRB 實驗一下:

$ irb
>> Class.superclass
=> Module

即然類別跟模組之間是繼承關係,讓我們來看看這兩個類別之間的差別:

$ irb
>> Class.instance_methods - Module.instance_methods
=> [:new, :allocate, :superclass]

可以發現身為「後代」的 Class 類別,比 Module 類別多了 3 個方法,就是因為 Module 類別少了這 3 個方法,所以它跟 Class 最大的差別,就是:

  1. 模組沒辦法 new 一個新的實體出來。
  2. 模組沒辦法繼承別的模組。

除此之外,模組跟類別在本質上沒什麼太大的差別。

要用繼承還是要用模組?

如果你發現你要做的這個功能,它可能在很多不同體系的類別裡都會用得到,那你可以考慮把功能寫在模組裡,然後需要的時候再 include 進來即可。但如果你還是不知道到底類別跟模組有什麼差別,我再舉二個例子。

不知道大家有沒看過火影忍者這部漫畫,漫畫裡的主人公之一,宇智波佐助,因為他們家族血統的關係,他寫輪眼這個功能是天生就有的,你可以想像他這個功能算是從他的家族「繼承」來的。而佐助的老師,旗木卡卡西,他雖然也有寫輪眼功能,但他的寫輪眼並非繼承來的,事實上是他在年輕時候 include 了某位朋友的寫輪眼模組,所以才有這個效果。

另一個例子,海賊王漫畫裡,主角魯夫本來是普通人,但在偶然的機會下,他 include 了橡膠果實之後,他就有了橡膠人的能力了,並不是因為他老爸是橡膠人所以他才是橡膠人。

在 Rails 專案中,模組用在哪些地方?

在 Rails 專案中有不少地方有用到模組,常見主要是用在 View 的 Helper 以及 Model 跟 Controller 的 Concern,這待到後面的 Rails 章節再做詳細的介紹。

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