物件導向的三大特性：封裝、繼承、多型 A.封裝性（Encapsulation）： 封裝（Encapsulation）的概念就是在程式碼中設置權限，讓不同的物件之間有不同的存取限制，而不是把所有資料都攤在陽光下讓大家使用。「封裝」可防止程式的原始碼被竄改，保障了資料的隱密性，並提高了程式的穩定性和安全性，你總不可能希望辛苦做好發佈出去的程式，可以被使用者隨便亂改吧？ 封裝的程式碼實作是透過「存/取控制修飾子」來達成的，不同的程式語言會有更細緻的分類與不同的使用方法，但我們這裡只介紹最常用的三種：public、private和protected。 封裝性的「存/取控制修飾子」： 「存/取」是兩個動作，也就是儲存和取用，但我們一般把它當作「使用」的意思就好，並直接合併在一起稱呼它為「存取」。

函數中資料的傳遞：傳值、傳址、傳參考 以下的說明是每種程式語言都通用的觀念，但不同程式語言有不同的語法，以及不同的程式語言不一定都支援全部的傳遞方式，要看你使用的是哪種程式語言。 把資料輸入到函數中進行運算，在程式語言中有個專業的術語叫做「傳遞」（pass）。例如函數Y(x) = 3x + 1，若我們設定x = 2，則把x = 2丟進去Y(x)函數中做運算，術語就稱為傳遞，而Y（x）函數輸出的結果是7，數學式寫作Y（2） = 7，應該很容易理解。 另外，關於函數的「引數」與「參數」，這兩個重要觀念很多人說不清楚，可能連程式經驗豐富的人都還是對它們的區別一知半解。但這是很重要的觀念，必須要徹底理解，我有信心這篇文章應該是你看過最清楚的解說了。 所以，在解說函數傳遞的三種方式之前，先釐清一下何謂函數的引數和參數。 函數的引數（argument） v.s. 函數的參數（parameter） 在使用函數（或稱函式或副程式）時，往往會遇到這兩個名詞，時常造成混淆，每人翻譯的也不盡相同，但由於非常重要，必須做好釐清。

物件導向程式設計（Object-Oriented Programming，縮寫為OOP） 「物件導向」是我們每天身在其中已經太過熟悉，以至於平常根本不會把它拿出來特別討論的事情。我們日常生活無時無刻都是物件導向，就像呼吸一樣自然而然，例子多不勝數。例如，我現在坐在電腦前面一邊打字一邊聽音樂，用物件導向的方式來表達的話，就像下面這個樣子： 「我」是個物件、電腦、鍵盤、滑鼠、螢幕、喇叭 … 也都是物件，這個例子就是「我」這個物件和其他物件彼此之間進行互動的過程。 而「人類」是個類別（class），因為地球上的人口有七十幾億，如果不清楚定義出到底是哪一個人在打字，要怎麼開始互動？同理，電腦、滑鼠、鍵盤、螢幕、喇叭 … 也都只是類別（class），還要再指出它的具體名稱，才知道你到底用的是地球上超多台電腦的哪一台，使用的是哪一個鍵盤、滑鼠、螢幕…。之後，把每個物件的屬性和使用方法詳細定義出來，就可以把這些物件集合起來，以物件彼此之間的（使用）方法（method）來做互動了，這就是物件導向的核心觀念。 而現在我們做的事情是使用電腦打字和聽音樂，所以我穿什麼顏色的衣服、聽的是哪一首歌、桌上放的是什麼飲料 … 這些資訊對目前要做的事情都沒有意義，可以不用描述，只要把有意義的東西彙整起來就好了。

我們先說何謂MCU，它是Micro Controller Unit的縮寫，中文翻譯為「微控制器」，但其實它就是一顆CPU（Central Processing Unit），所以我比較喜歡叫它「微處理器」。顧名思義，它就是我們個人電腦（PC，Personal Computer）裡面CPU的微型化版本，我們個人電腦裡面的CPU已經夠小了，不過它還能再縮小，小到能夠塞進一顆IC裡面。如下圖，在IC封裝內部中間那個超小的chip就是MCU的本體，其他都是散熱構造和金屬接點，而整個IC封裝的尺寸就和小拇指差不多。 MCU本質上它就是CPU，它執行的就是各種數學和邏輯運算，和我們個人電腦的CPU功能類似，只是效能弱很多，但如果不玩3D遊戲，一些較為簡單的應用場合已經足夠應付了。而如果把MCU安裝到一塊電路板上，並搭配上記憶體模組、電源I/O模組，以及各種訊號的輸入和輸出接腳，便成了一個比手掌還小的電腦，具備有電腦的一切特質和功能，只是不一定有安裝作業系統（Operation System）。  註：請參考：馮紐曼提出的電腦（或稱計算機，Computer）的五大（硬體）架構。 使用效能比較陽春的MCU，而且沒有安裝作業系統、沒有硬碟，手掌大小的電腦，最著名的產品就是Arduino，俗稱Arduino開發板。 而使用效能比較強、體積比較大一點的MCU，並配上Linux作業系統和更完整的I/O（Input和Output），可以連接和PC一樣的液晶螢幕，還可以使用SD記憶卡充當硬碟，使它更像一台個人電腦，最著名的產品就是樹莓派（Raspberry Pi），所以也有人稱樹莓派為單版電腦。

建構子（constructor） 建構子的英文為constructor，中文沒有統一的翻譯，通常稱為「建構子」、「建構式」、「建構元」或「建構函數」、「建構函式」…，都是在說同一個東西。 我們知道一個類別（class）內部定義了成員變數（JAVA的術語稱為成員屬性，或簡稱屬性（attribute））和成員函數（JAVA的術語稱為成員方法，或簡稱方法（method））。也就是說，類別定義了一些具體的屬性和方法，一旦類別做了實體化的動作之後（new關鍵字），就可以產生物件，這個（具體的）物件就會擁有該類別所定義的屬性、並且可以執行該類別所定義的方法。  註：此處先不討論靜態static的情況。 我們以實際的程式碼來說明，先定義一個類別：

前瞻知識： 方法 method： class Power :// 此稱為一個類別 def computer (): // 此稱為一個方法 ... def phone () // 這也叫一個方法 ... 功能 function: def computer: // 此稱為一個功能 function ...

結構體（struct） 「struct」是個C語言的關鍵字（keyword，又稱保留字），為英文structure的縮寫，中文翻譯作「結構體」，簡稱「結構」，是一種「使用者自訂」的「資料型態i」，並且它是物件導向語言中「類別」（class）的前身。 C語言已經有內建short、long、int、float、double、char … 等「資料型態」，不過由於這些資料型態的變數彼此之間可能會有某種相關性，例如班級中每個學生的成績單上都會有：1.學號（字元陣列或字串型態），2.數學成績（整數型態）3.英文成績（整數型態）4.平均成績（浮點數型態），所以我們就可以說成績單就是一種結構（struct）的資料型態，因為成績單整合（綁定）了字串（在C語言是字元陣列）、整數和浮點數這三種資料型態的變數。 如同成績單的例子，結構（struct）是一種我們自訂的「資料型態」，可以更清楚地表現出變數之間的關聯性，方便我們管理與使用資料。換句話說，struct就像int、float、double、char … 一樣是種「資料型態」，只不過int、float、double、char … 是C語言內建的資料型態，而struct xxx的「xxx」是我們「自訂」的資料型態。 重點是，我們並不是自己創造一個很厲害的資料型態，例如什麼超級整數、快速浮點數、閃電字元…等，這些都是我亂掰的，我們只是「綁定」int、float、double、char … 這些基本的資料型態，成為我們自訂的資料型態。如下圖，我們使用關鍵字struct告訴C語言編譯器，我們現在開始要來做一種自訂的資料型態，我把它命名為「TestScore」來代表成績單使用的資料型態（可任意取名，但名稱要有意義才方便使用），TestScore這種資料型態綁定了char、int、float這三種資料型態（的變數），術語稱為：「TestScore是一種結構化的資料型態（data type）」。  註：習慣上（約定俗成），對於自訂的資料型態名稱，開頭首個字母會使用大寫以示區別，例如這裡的TestScore。它也融合了駝峰式命名法，和「Test_score」是同樣意思。

訊號依據它的特性，分成類比訊號（analog signal）與數位（digital signal）兩種。 大自然產生的訊號絕大多數都是類比（analog）訊號，例如光線的明暗、聲音、力量、溫度、濕度…等，都是連續且平滑的訊號。例如光線，有完全不亮、一點點亮、有點亮、超級亮 … 等程度上的區別，而且它是連續且平滑過度的，並不是只有亮和暗兩種狀態。至於其他的類比訊號，例如溫度、溼度 … 也都很容易理解。 數位（digital）訊號通常是人為產生的，最簡單的例子就是電燈的開與關，除非是可調式的電燈，最簡單的電燈一般只有開（亮）和暗（不亮）兩種狀態。但我們講數位訊號，應用最多的還是在電子電路中，例如電腦（計算機）和各式各樣的電子產品，都只能處理數位訊號。 數位的世界只有0與1，也就是高電壓與低電壓兩種狀態，當然不是連續的訊號，那我們要怎麼輸出自然界常見的的類比訊號呢？科學家們想說，那就用數位訊號去「模擬」類比訊號吧！這就是PWM的基本觀念。 數位to類比轉換器（Analog-to-Digital Converter，簡稱ADC）

當我們已經學會了程式語言的基本觀念，接下來最重要的就是如何活用我們學過的東西，實際做出一個有用的程式，也就是設計並撰寫演算法。 由於計算機（computer、台灣俗稱電腦）的運作是非常簡單而原始的，對已經習慣高階和抽象化思考的人類來說，一開始無法立刻轉換思維去適應機器「這麼笨」的運作方式，當然會覺得困難。但只要經過適當的訓練，將腦袋調整一下，轉換立場站在計算機的角度來思考，就會比較容易寫出演算法。 第一步，我們要先知道自己到底想要做出什麼樣的程式，它是怎麼被使用的，以及會產生什麼樣的結果。之後，我們就要練習把每個具體細節都拆分出來，不斷的拆分、分解成一個個具體可行的數理和邏輯步驟，最終像拼圖一樣把它完整的拼出來，成為一個完整的程式。 對於初學者來說，即使變數、陣列、迴圈、條件判斷…甚至指標的觀念都知道，但要把這些知識串聯起來，實際撰寫一個演算法可能還是有點困難，不知從何下手。也就是說，雖然手邊的材料已經非常齊全了，但初學者還是不知道著手利用這些材料做出一盤好菜。 一般來說這沒有捷徑，只能透過不斷的嘗試錯誤、不斷練習，在跌跌撞撞中學習成長，最後變成高手。話雖這麼說，其實設計一個演算法還是有訣竅的，知道這些訣竅可以減輕新手在學習與成長過程中的痛苦，更快進入適應期。

如果一個類別的{ }之內又定義了其他類別，就稱為（該類別的）內部類別（inner class），而把最外層的類別稱為外部類別（outer class）。  註：若沒有定義內部類別，自然也就沒有區分內、外了，就是我們最常使用的普通類別。 以一個汽車引擎來說，一般人都會把引擎當作是一個物件整體，當故障時我們只會說是引擎故障，請專業人員來維修。不過在專業技師的眼裡，引擎內部還有非常多的內部類別，他明白引擎系統之內還有很多系統，例如電噴系統（或化油器）、火星塞系統、活塞系統、阻風門系統 … 甚至是ECU系統，只要其中一個系統故障，對外呈現出來就是車主說的「引擎故障」。 以這個例子來說，你可以把引擎內部所有的系統都寫成引擎類別的內部類別，也可以不使用內部類別，像我們一般常規的方式，把每個系統都寫成各自的（外部）類別，再組裝成一個引擎整體。 內部類別的程式碼看起來像這樣： class Outer{

this關鍵字： this在英文的意思是「這個、這裡」，不過在程式語言中，要把它記為「這個類別的…」或「這個物件的…」。打個比喻，你要送包裹給大樓的王先生，但如果同一棟大樓裡有很多個王先生，你就必須和大樓管理員說明：「是五樓之三的那個王先生」才能順利把貨送到他手上。 意思就是，程式雖然不容許變數在同一個{ }區塊之內「撞名」（即變數的名稱完全相同），但如果同名的變數位於不同的{ }區塊，程式仍可區分出來，語法上仍是合理的，這就是區域變數（local variable）和全域變數（global variable）的觀念。不過，程式有條預設規則：「當敘述所在之處有相同名稱的全域變數和區域變數時，則該敘述優先使用區域變數」，這就會造成我們無法順利的將資料傳遞到我們想要的地方。  註：回顧個基本觀念，絕大部分的程式語言都會區分大小寫，故apple和Apple是不同的名稱。 來做個示範，以下故意讓類別的屬性（成員變數）和建構子的引數撞名：

指標（pointer）： 「指標」可說是C或C++的大魔王了，指標易學難精，但由於很少有書或資料能夠把指標做清楚的解釋，可能連上課的老師都說不清楚（還是用術語解釋術語），造成多數初學者根本鴨子聽雷，光是連指標是什麼都搞不清楚，就失去學習興趣了。 指標（pointer）是源自於早期電腦科學和程式語言發展的一個必然過程。其實任何程式語言都一定會有指標的觀念和操作，只是後來比較新的程式語言考慮到指標的易學難精，使用難度高，而且有一些副作用，和自己主打簡單易用的理念不合，因此很多比較新的程式語言，都把指標巧妙的包裝成另外的形式，不讓使用者直接使用「 * 」和「&」運算子來操作指標。例如Java就把指標的觀念給巧妙的包裝成為「參考型態」，讓使用者能以更單純的方式操作指標，而不必被「 * 」和「&」運算子搞得頭昏腦脹。 所以反而指標變成C語言（主要發展期：1969年到1973年）最大的招牌特色了，就像市面上的車子已經都改為自動排檔，而還有手動排檔的老車，反而變成了它的特色。 指標用的好，對於熟練的人來說，指標提供了最大的靈活度，讓設計者能對記憶體的使用方式做很好的手動控制，就像開手動排檔的賽車手；而不使用指標，就像開自動排檔的一般人，雖然一樣能到達目的地，但有些過程就無法達到最佳化，要實現某些操作也不那麼方便。 不過，因為指標能夠直接操作電腦的底層硬體，能夠手動控制電腦使用記憶體的方式，因此指標是一把雙面刃。雖然對電腦來說都沒差，但對人類來說，只要觀念不清楚，一旦指標操作錯誤就會造成系統崩潰，或者影響程式的穩定性。而使用指標，對不那麼熟練的人來說，也造成無謂的複雜度，讓程式變得艱澀難懂，不只容易寫錯產生bug，也難以除錯（debug）。

PID是「Proportional–Integral–Derivative」的縮寫，是一種「自動控制」的方法，非常廣泛的應用在各個領域中，以達到精確的控制。 我們以機器手臂來做例子，當我們設定了一個終點座標，讓機器手臂移動過去，假如不使用PID控制，雖然機器忠實的執行在終點座標停下的指令，但會因為前進的慣性，機器手臂仍會在超過終點後的位置才停下來，無法很精確的剛好停在終點那個位置上。更糟糕的是，當機器手臂上的距離感測器（sensor）感測到衝過頭了，於是把訊息反饋（feedback）給MCU，MCU便命令手臂往回折返，但折返時卻仍然一樣會衝過頭，於是就變成像鐘擺一樣，在終點附近不斷晃動搖擺，當然這不是我們要的。 若需要比較精確的控制，則要使用PID控制方法。如上例所說，PID的P代表比例、I代表積分、D代表微分。若採用PID控制，則在一開始機器手臂的位置離終點座標還很遠的時候，PID的比例演算法（P）此時會占有比較大的權重。經過比例計算（P）後，由於目前距離較遠，P值還很大，MCU會讓機器手臂以比較快的速度往終點移動，並在快到終點時讓它逐漸慢下來。 而在目前座標與終點座標的差值更加縮小時，積分（PID的I）的計算便逐漸取得更大的權重。這個積分是計算一段時間內與終點座標誤差的總和，愈加接近終點，積分值自然會愈小，機器便可依據這個值來修正移動的速度。 最後，當距離差值更加縮小時，會計算期望值與實際值之間的變化率（PID的D，即微分），當變化率小於某個程度之後（看寫程式的人怎麼設定），MCU便認為機器手臂到達終點了，讓控制手臂移動的馬達完全停止轉動，機器手臂便可以很平順的剛好停在終點。

final是一個修飾子，專門用來「鎖定」被它修飾的東西，它可以使用在以下三種狀況下： 修飾一個變數和函數內的參數，讓這個變數或參數變成「常數」（constant），使得它的值無法再被取代、更改。 修飾一個方法（method），讓這個方法不能被其子類別給覆寫（override）掉。 修飾一個類別（class），讓這個類別無法建立其子類別，就是把這個類別給「絕育」的意思，術語為「終止繼承」。 以下先講解第1.點，也就是「常數」的應用。 我們知道「變數」（variable）裡面存放的是「變動值」，可以隨時以新值取代舊值。 而常數（constant）裡面存放的是固定值，不可以用新值取代舊值。若不希望之後此值被變動到，可以將之宣告為常數。宣告時在最前方加入「final」關鍵字，會宣告為常數，賦值一次後，不能再修改變更，否則會報錯，也就是說final型態不能重覆賦值。

「抽象化」的概念非常簡單，對於一件事物，它的運作原理可能十分複雜，例如一台汽車，但我們駕駛人在開車的時候不需要去管引擎的運作原理、車內冷卻水的循環、輪胎差速器的運作 … 我們只要把精力放在油門、剎車和方向盤的控制就好了。這種只關注一個事物的某些部份，而把其他部分當作一個整體，或者說是「黑盒子」的作法，就是抽象化。 數學或程式的函數（function）就是抽象化的典型例子。例如，我們只要知道一個函數需要餵給它什麼input，然後它就會吐出什麼output就可以了，即使根本不知道這個函數的演算法到底是怎麼寫的，我們還是可以拿它來完成工作。 也就是說，我們不必是開發這個函數或演算法的專業科學家或工程師，透過「抽象化」的觀念，我們只要知道怎麼去使用它就可以了。而如果我們想要去深究這個函數的詳細內容，只要開發者允許並授權給我們，就可以了。或者，我們也可以自己開發函數，抽象化（撰寫函數的使用說明，例如告知別人如何給input，以及會得到什麼output）之後發布給別人使用。 尤其在科學領域，知識是大量堆疊累積起來的，要求一個人「究天人之際，通古今之變」是不切實際的，所以科學家們大量運用抽象的精神，在很多時候只關注一個複雜模型或理論的某些特性和應用方式，而不去管它的詳細內容。當我們想要了解詳細的內容時，再去把這個「黑盒子」拆開詳細研究就可以了，這樣可以幫助我們把精力聚焦，放在不同時間、不同場合真正應該關注的事情上。 所以也有人把abstraction翻譯為「萃取」、「摘要」或是「歸納」，意思是將某個事物的重點萃取或歸納出來，只關注我們在這時候需要關注的部分。例如我們只是使用者，就可以不用去管機器的運作原理，只要會使用就好了；但如果我們是開發者，就要把精力放在機器的內部結構、製造成本，以及如何讓機器運作得更快更好，更方便使用上。

在Java中，static關鍵字可用來修飾屬性、方法和類別。 在屬性、方法或類別前面加上關鍵字「static」，就是告訴Java編譯器，遇到static修飾的東西，就要優先分配記憶體空間給它。 要更深入了解static的意義，要搭配「全域變數和局部變數」的觀念一起看。static修飾的東西就相當於全域變數，在程式的進入點main（）方法「之前」就會被分配到記憶體空間，並且不會在執行完一段敘述之後就釋放出記憶體空間，除非程式結束，都會保留著static的資料，所以也有「共享」的功能。 比較有加static跟沒有加static修飾的差異，決定性的不同是「載入記憶體的時機」。static關鍵字修飾的東西，在程式的進入點main（）方法「之前」就會被分配到記憶體，並且在整個程式的執行期間都不會釋放掉static資料的記憶體空間，所以才稱為靜態。 可以被宣告成靜態（前面加上static關鍵字）的東西有屬性、方法和類別。不過只建議使用靜態類別，原因以下詳述： 一、靜態屬性（static property）： 我們可以不要用static修飾一整個類別，而可以只修飾類別中的某一個屬性（成員變數）。存取的方式是： 類別名稱 . 靜態屬性 ; 就像我們存取一般物件的屬性一樣，是透過「.」運算子來存取，但靜態屬性要使用類別名稱去存取，而不是物件名稱。

getter（）或setter（）方法 getter（）和setter（）方法是種名詞上的泛稱，用比喻的來說，就是指一個類別（或物件）之中，private屬性（成員變數）的管家。 由於private屬性非常自閉，完全不與同一類別（或物件）以外的任何事物互動，因此只好委託這兩個和它在同一類別（或物件）之內的管家代勞，協助管理private屬性與外界的「溝通」。而這兩個管家，getter（）負責將private的資料傳出到外部，也就是外部的物件可以透過getter（）這位管家得到private屬性的資料，相當於送件員；而setter（）正好相反，它負責接收外部的資料，並將處理過後的資料傳遞給private變數，相當於審查者。 而無論是getter（）或是setter（），其實也就是一般的public方法（成員函數），所以我們可以為它們定義實作的程式碼，告訴它們要如何運算、處理資料，之後才去存 / 取private屬性。也就是說，這個送件員或審查員，可以經過把資料改寫、處理的動作後，才去存 / 取private屬性，保護它不被隨意亂動，但又達到可以使用它的目的，也就是說getter（）或setter（）是作為private屬性輸入 / 輸出的控制方法。 想當然爾，這兩個管家（getter & setter）一定要是public的，這樣它們才有辦法與外界互動，不能連管家都搞自閉。

程式的架構與進入點： 要了解程式的結構，首先要知道程式的進入點，也就是「main（）方法」（也可以稱作main（）函數）。main（）方法，和C語言與其它的程式語言一樣，它是Java程式的「進入點」（Entry point），也就是說，程式的執行順序是由「進入點」開始的。可以把main（）方法比喻成「劇院的入口」，一旦執行程式，Java就會優先找到main（）方法，從該行開始執行程式，而不是程式的第一行喔。 在Java中作為進入點的main（）函數，語法如下： class Test{ public static void main（String[ ] args）{ System.out.println（"Hello Java~~"）; } }

Java的方法鏈（method chain） 方法鏈（method chain）顧名思義，就是把一些方法串接起來，讓前一個方法回傳「處理過後的物件」，並且讓它再去執行下一個方法。 舉個例子，假設我們宣告一個「廚師」類別，並且將它實體化，建立一個叫做「小當家」的具體物件，小當家可以使用「收集食材（）、加水（）、大火快炒（）、加米酒（）、瀝乾（）、加上蔥花（）」這些方法來做菜，但如果我們這樣寫： 小當家 . 收集食材（）; 小當家 . 加水（）; 小當家 . 大火快炒（）; 小當家 . 加米酒（）;