Viiisit [Ruby] - Class & Module！

在 Viiisit Ruby - Ruby 的物件導向程式語言基礎概念!
有提到 Ruby 是一個物件導向的程式語言，在 Ruby 中，所有的東西幾乎都是物件，為什麼說是幾乎？
因為像之前有一篇 Viiisit Ruby on Rails - Scope 前情提要 Block、Proc 和 Lambda!
裡頭有說明 Block 就不是物件！

那麼在物件導向程式裡的特色就是物件，什麼是物件？

物件（Object）是什麼？

物件（object） = 狀態（state） + 行為（behavior）

在現實生活中，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，例如我有「黑色頭髮」、「黃色皮膚」等狀態，也有「吃飯」、「睡覺」等行為。

而，我們要如何在物件導向程式語言定義這些狀態與行為？

就要來開啟認識類別（Class）之路了！

類別（Class）是什麼？

類別是一個程式碼的模板，用來建立具體的物件（實例）。

可以透過關鍵字 class 來定義類別！

初始化

初始化通常是透過一個特殊的方法稱為 initialize 來執行的，
這個方法會在建立該類別的實例時被呼叫。
當一個新的實例被創建時，initialize 方法用於設置實例的初始狀態。

class Person
  def initialize(name, age)
    @name = name
    @age = age
  end
end

# 建立一個 Person 實例
person1 = Person.new("Alice", 30)
person2 = Person.new("Bob", 25)

initialize 方法接受兩個參數 name 和 age，
並使用這些參數來設置 Person 實例的初始狀態。
當我們建立 Person 實例時，我們傳遞相應的參數給 new 方法，這將觸發 initialize 方法。

一旦實例被初始化，我們可以使用實體變數（instance variables）來存儲和訪問實例的狀態。
在 Ruby 中，實體變數以 @ 符號開頭，並且可以在整個類別的方法中訪問。

如何使用實體變數？

Ruby 的實體變數沒辦法直接從外部取用，
因為實例變數的封裝性以及 Ruby 並沒有「屬性」（property/attribute）這樣的設計，
因此只允許通過方法來取用實體變數！

定義兩個方法 get_name 和 get_age，
允許我們從 Person 實例中訪問 @name 和 @age 實體變數。

class Person
  def initialize(name, age)
    @name = name
    @age = age
  end

  def get_name
    @name
  end

  def get_age
    @age
  end
end

person = Person.new("Alice", 30)

puts "Name: #{person.get_name}"  # 輸出：Name: Alice
puts "Age: #{person.get_age}"    # 輸出：Age: 30

attr_ 系列讓你輕鬆建立屬性！

前面提及每次要這樣取用或設定實體變數的值都要建立方法，好像有點麻煩？

別擔心！Ruby 的 attr_ 系列方法可以簡化實例變數的訪問和設置，
這些方法可以自動創建 getter 和 setter 方法，以允許對實例變數的訪問！

• attr_reader ：用於建立 getter 方法，允許訪問實例變數的值。

  class Person
    attr_reader :name
  
    def initialize(name)
      @name = name
    end
  end
  
  person = Person.new("Alice")
  puts person.name # 可以訪問實例變數 @name

• attr_writer ：用於建立 setter 方法，允許設置實例變數的值。

  class Person
    attr_writer :name
  
    def initialize(name)
      @name = name
    end
  end
  
  person = Person.new("Alice")
  person.name = "Bob" # 可以設置實例變數 @name 的值

• attr_accessor ：用於同時建立 getter 和 setter 方法。

  class Person
    attr_accessor :name
  
    def initialize(name)
      @name = name
    end
  end
  
  person = Person.new("Alice")
  puts person.name    # 可以訪問實例變數 @name
  person.name = "Bob" # 可以設置實例變數 @name 的值

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實體方法與類別方法

• 實體方法（Instance Methods）：

  • 實體方法是與類別的實例（物件）關聯的方法，可以訪問和操作實例變數，並且通常用於對特定實例執行操作或訪問其狀態。
  • 實體方法通常定義在類別中，並且通過類別的實例來呼叫。這些方法在操作實例時具有存取實例變數的能力，因為有關聯到特定的實例。
  • 在定義實體方法時，你可以使用 def 關鍵字，而不需要特殊的修飾詞。

  class Person
    def initialize(name)
      @name = name
    end
  
    def greet
      "Hello, my name is #{@name}."
    end
  end
  
  person = Person.new("Alice")
  puts person.greet # 輸出：Hello, my name is Alice.

• 類別方法（Class Methods）：

  • 類別方法是與類別本身關聯的方法，而不是與實例相關聯。通常用於執行與整個類別相關的操作，而不是與單個實例相關。
  • 類別方法在類別級別上定義，通常使用 self. 關鍵字，或者類別名稱來定義。
  • 類別方法可以在不需要實例的情況下呼叫，因為它們與類別本身關聯，而不是與實例變數關聯。

  class MathUtility
    def self.square(x)
      x * x
    end
  
    def self.cube(x)
      x * x * x
    end
  end
  
  puts MathUtility.square(2) # 輸出：4
  puts MathUtility.cube(3)   # 輸出：27

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方法的存取控制

類別的方法存取限制常見的主要有三種：public、protected 以及 private。

• public 方法：在類別內部和外部都可訪問，通常用於定義對外部世界可見的介面，以便外部程式碼可以直接訪問這些方法。

• private 方法：只能在定義他們的類別內部訪問，通常用於實現類別的內部邏輯，以避免外部程式碼干擾或誤用這些方法。

• protected 方法：類似於私有方法，但可以在同一個類別的不同實例之間訪問，通常用於實現特定的類別內部協作，例如當不同實例需要互相訪問彼此的某些方法時。

class Animal
  def initialize(name)
    @name = name
  end

  # 公開方法
  def speak
    puts "#{@name} 發出聲音。"
  end

  # 保護方法
  protected

  def sleep
    puts "#{@name} 正在休息。"
  end

  # 私有方法
  private

  def eat
    puts "#{@name} 正在進食。"
  end
end

class Dog < Animal
  def wag_tail
    # 子類別可以訪問保護方法
    sleep
    puts "#{@name} 開心地搖尾巴。"
  end

  def feed
    # 子類別可以訪問私有方法
    eat
    puts "#{@name} 吃得很開心。"
  end
end

animal = Animal.new("動物")
animal.speak # 動物 發出聲音。

dog = Dog.new("狗")
dog.speak     # 狗 發出聲音。
dog.wag_tail  # 狗 開心地搖尾巴。
dog.feed      # 狗 吃得很開心。

定義一個 Animal 類別，
有一個公開方法 speak、一個保護方法 sleep 和一個私有方法 eat。
然後，建立一個 Dog 類別，
他是繼承自 Animal 類別的子類別，並且可以訪問父類別中的保護和私有方法。

公開方法 speak 可以從任何地方訪問，
保護方法 sleep 可以在 Dog 類別中訪問，而私有方法 eat 也可以在 Dog 類別中訪問。

模組（Module）是什麼？

在 Ruby 中，模組（Modules）在某種程度上類似於類別（Classes），
他們都可以包含方法，就像類別一樣。

然而，模組無法被實例化。也就是說，無法從模組建立物件。
因此，模組不像類別一樣具有 new 方法。
除此之外，模組也無法像類別有繼承的效果，也無法建立子類別。

那，模組實際上的作用到底是什麼？

模組的作用

透過 module 關鍵字來定義模組！

module Greetable
  
  A = "Hi!"

  def greet
    "Hello!"
  end
end

class Person
  include  Greetable
end

puts Greetable::A # Hi!

amy = Person.new
puts amy.greet # Hello!

模組（module） 可以透過雙冒號運算符 (::) 來訪問模組中常數的值

puts Greetable::A # Hi!

模組（module）使用 def 關鍵字定義一個方法，即 def method_name，則該方法為實例方法。
我們無法直接使用點運算符（.）呼叫實例方法，因為無法建立模組（module）的實例。

為了呼叫模組（module）內定義的實例方法，
必須將該模組（module）包含（include）在一個類別（class）中，
然後使用類別（class）實例來訪問該方法。

amy = Person.new
puts amy.greet # Hello!

使用 include 關鍵字在類別（class）中包含模組（module），
這種情況下，模組（module）的作用類似於一個 namespace。

class Person
  include  Greetable
end

amy = Person.new
puts amy.greet # Hello!

補充：Namespace 用意

Namespace 是一個在程式設計中常用的概念，用於區分和組織變數、函數、類別和其他命名實體，
以避免命名衝突，確保代碼的結構化和可讀性。

當在類別（class）中使用 include 關鍵字將一個模組（module）包含在其中時，
這個模組（module）的內容變成該類別（class）的一部分，
可以在該類別（class）中訪問模組（module）中的方法和變數，同時避免了命名衝突。
這就是命名空間的一個實際應用場景。

include vs extend

在 Ruby 中，include 和 extend 是用於引入模組（module）的兩種不同方法。

• include：

  • 使用 include 關鍵字時，模組（module）的方法被引入到類別（class）的實例中。
  • 引入模組（module）的方法可以直接在類別（class）的實例上調用，
    並且這些方法對該實例的每個對象都有效。

• extend：

  • 使用 extend 關鍵字時，模組（module）的方法被引入為類別方法，而不是實例方法。
  • 引入模組（module）的方法只能在類別（class）本身上調用，
    而無法在該類別（class）的實例上調用。

簡而言之，include 用於向類別（class）加上的實例方法，
而 extend 用於向類別（class）本身添加方法，這些方法在類別（class）級別上可用。

透過簡單的舉例，來看看 include 與 extend 的實際應用吧！

• 使用 include：

module Greeting
  def say_hello
    puts "Hello!"
  end
end

class Person
  include Greeting
  attr_reader :name

  def initialize(name)
    @name = name
  end
end

person = Person.new("Alice")
puts person.say_hello # 可以在實例上調用 Greeting 模組中的方法 # Hello!

include Greeting 將 Greeting 模組的方法加到 Person 類的實例中。
因此，person 實例可以調用 say_hello 方法。

• 使用 extend：

module MathFunctions
  def square(num)
    num * num
  end
end

class Calculator
  extend MathFunctions
end

result = Calculator.square(5) # 可以在類別級別調用 MathFunctions 模組中的方法
puts result # 25

extend MathFunctions 將 MathFunctions 模組的方法
加上 Calculator 類別的類別方法。
因此，我們可以直接在類別調用 Calculator.square 方法，而不需要建立類別的實例。

Brief Summary

• 物件（Object）

  • Ruby 是一個物件導向的程式語言，其中幾乎所有東西都是物件，但 Block 不是物件。
  • 物件（Object）在 Ruby 中被定義為擁有狀態（state）和行為（behavior）的實體，
    就像生活中的事物一樣。

• 類別（Class）

  • 類別（Class）是一個建立具體的物件（實例）模板。
    可以透過 class 關鍵字來定義類別，並使用 initialize 方法來初始化物件的狀態。
  • 在 Ruby 中，有不同的方法來訪問和設置實例變數： attr_reader、attr_writer 和 attr_accessor。
  • 方法可分為實體方法和類別方法，實體方法是與類別的實例相關聯的，
    而類別方法是與類別本身相關聯的。
  • 方法具有不同的存取控制，包括 public、protected 和 private，
    以控制它們的可見性和存取權限。

• 模組（Module）

  • 模組（Module）類似於類別，但不能被實例化，
    並且通常用於將方法和常數組織在一個命名空間（namespace）中，以避免命名衝突。
  • include 用於將模組的方法添加到類別的實例中，
    而 extend 用於將模組的方法添加為類別方法。

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參考資料：
➫ Ruby | Module
➫ 類別（Class）與模組（Module）