MATLAB - 用户定义类

MATLAB 中的现代面向对象编程 (OOP)

尽管 MATLAB 擅长过程式和基于矩阵的编程，但其面向对象功能在构建复杂、模块化和可重用应用程序方面非常强大。用户定义的类允许您创建自定义数据类型，将数据（属性）和对该数据进行操作的函数（方法）捆绑到一个单一实体中。

定义一个简单类

类在与类同名的 .m 文件中定义，使用 classdef 关键字。

% 保存为 BasicCounter.m
classdef BasicCounter
    properties
        Count = 0; % 用于存储数据的属性
    end

    methods
        % 构造方法：在创建对象时调用
        function obj = BasicCounter(initialValue)
            if nargin > 0
                % 使用 validateattributes 进行健壮的输入检查
                validateattributes(initialValue, {'numeric'}, {'scalar', 'integer'});
                obj.Count = initialValue;
            end
        end

        % 修改对象状态的常规方法
        function obj = increment(obj)
            obj.Count = obj.Count + 1;
        end

        % 显示对象状态的方法
        function displayState(obj)
            fprintf('当前计数为：%d\n', obj.Count);
        end
    end
end

要使用此类型：

myCounter = BasicCounter(5); % 创建一个实例
myCounter = myCounter.increment(); % 调用一个方法
myCounter.displayState();
Current count is: 6

关键概念：值类与句柄类

这是 MATLAB OOP 中最重要的区别。默认情况下，类是值类。

值类 (classdef MyClass)：行为类似于标准的 MATLAB 数据类型（例如，数字、结构体）。当您将一个值对象传递给函数或将其赋值给另一个变量时，MATLAB 会创建一个副本。修改副本不会影响原始对象。在我们的 BasicCounter 示例中，increment 必须返回修改后的对象（function obj = increment(obj)）。
句柄类 (classdef MyClass < handle)：行为类似于指针或引用。当您传递一个句柄对象时，只传递一个引用（句柄）。通过其句柄修改对象会影响该对象的唯一实例。这对于大型对象来说更节省内存。

句柄类示例

% 保存为 HandleCounter.m
classdef HandleCounter < handle % 继承自 'handle' 类
    properties
        Count = 0;
    end

    methods
        function obj = HandleCounter(initialValue)
            if nargin > 0
                obj.Count = initialValue;
            end
        end

        % 注意：此方法无需返回 'obj'
        function increment(obj)
            obj.Count = obj.Count + 1;
        end
    end
end

% 用法：
hCounter = HandleCounter(10);
hCounter2 = hCounter; % 两个变量指向同一个对象
hCounter.increment(); % 通过第一个句柄修改对象
fprintf('hCounter count: %d\n', hCounter.Count);   % 输出: 11
fprintf('hCounter2 count: %d\n', hCounter2.Count); % 输出: 11 (也改变了！)

封装与属性特性

您可以使用特性来控制对属性和方法的访问，以强制封装。

classdef BankAccount < handle
    properties (SetAccess = private) % 只能由该类的方法设置
        Balance = 0;
    end

    properties (Constant)
        ACCOUNT_TYPE = 'Checking';
    end

    methods
        function obj = BankAccount(initialDeposit)
            obj.deposit(initialDeposit);
        end

        function deposit(obj, amount)
            validateattributes(amount, {'numeric'}, {'>=', 0});
            obj.Balance = obj.Balance + amount;
            fprintf('Deposited %.2f. New balance: %.2f\n', amount, obj.Balance);
        end

        function withdraw(obj, amount)
            validateattributes(amount, {'numeric'}, {'>', 0});
            if amount > obj.Balance
                error('Insufficient funds.');
            end
            obj.Balance = obj.Balance - amount;
            fprintf('Withdrew %.2f. New balance: %.2f\n', amount, obj.Balance);
        end
    end
end

% myAccount = BankAccount(100);
% myAccount.deposit(50);
% myAccount.Balance = 5000; % 这将导致错误！很好。

继承与多态

继承允许一个类（子类）从另一个类（超类）继承属性和方法，从而促进代码重用。

示例：一个 `Shape` 超类

% 保存为 Shape.m
classdef (Abstract) Shape < handle % 抽象类不能实例化
    properties
        Name
    end

    methods (Abstract) % 子类必须实现此方法
        area = calculateArea(obj);
    end

    methods
        function display(obj) % 所有形状都将具有的具体方法
            fprintf('这个形状是一个 %s，面积为 %.2f\n', obj.Name, obj.calculateArea());
        end
    end
end

% 保存为 Circle.m
classdef Circle < Shape % Circle 继承自 Shape
    properties
        Radius
    end

    methods
        function obj = Circle(radius)
            obj.Name = 'Circle';
            obj.Radius = radius;
        end

        % 实现 Shape 中的抽象方法
        function area = calculateArea(obj)
            area = pi * obj.Radius^2;
        end
    end
end

% myCircle = Circle(5);
% myCircle.display(); % 调用 Circle 和 Shape 中的方法
% 这个形状是一个 Circle，面积为 78.54

MATLAB OOP 的最佳实践

值类与句柄类：当您需要类似引用的行为时（例如，用于 GUI 元素、原地修改的数据容器），请使用句柄类。当您需要按修改复制的行为时（例如，用于不可变数学对象），请使用值类。
验证：在构造函数和属性 set 方法中使用 validateattributes 和 validatestring 以编写健壮的代码。
封装：使用 (Access = private) 或 (SetAccess = private) 来保护内部状态并暴露一个清晰的公共 API。
组合优于继承：在使用继承之前，请考虑是否可以通过一个对象包含另一个对象来解决问题（例如，一个 Car 类包含一个 Motor 对象作为属性）。
命名：类名使用 PascalCase（例如，MyClassName），属性和方法使用 camelCase（例如，myProperty）。