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用类表示结构化数据

将对象作为数据结构体

以下示例定义用于存储具有特定结构的数据的类。使用一致的结构存储数据，从而更轻松地创建函数来操作数据。MATLAB® struct 可以包含说明特定数据元素的字段名称，这是一种有用的数据组织方式。但是，类可以定义数据存储（属性）和对该数据执行的操作（方法）。本示例说明了这些优点。

示例背景

对于本示例，数据表示拉伸应力/应变测量值。这些数据用于计算各种材料的弹性模数。简而言之，应力是施加在材料上的力，应变是由此产生的形变。其比率决定材料的特性。虽然这种方法是一个大大简化了的流程，但足以满足本示例的目的。

数据的结构

下表说明了数据的结构。

数据

描述

Material

char 标识被测材料的类型的向量

SampleNumber

测试样本的编号

Stress

表示测试过程中施加给样本的应力的数值向量。

Strain

表示所施加应力对应值处应变的数值向量。

Modulus

定义在测材料弹性模数的数值，该数值由应力和应变数据计算得出

TensileData 类

以下示例从类的简单实现开始，并以此实现为基础来说明特性如何增强类的有用性。

该类的第一个版本仅提供数据存储。该类为每个必需的数据元素定义一个属性。 

classdef TensileData
   properties
      Material
      SampleNumber
      Stress
      Strain
      Modulus
   end
end

创建实例并赋给数据

以下语句将创建一个 TensileData 对象，并为其进行数据赋值：

td = TensileData;
td.Material = 'Carbon Steel';
td.SampleNumber = 001;
td.Stress = [2e4 4e4 6e4 8e4];
td.Strain = [.12 .20 .31 .40];
td.Modulus = mean(td.Stress./td.Strain);

类相对于结构体的优势

像处理任何 MATLAB 结构体一样处理 TensileData 对象（在以前的语句中为 td）。但是，相对于使用通用数据结构（例如 MATLAB struct），将特化数据结构体定义为类具有以下优势：

  • 用户不小心拼错字段名称时会收到错误消息。例如，键入以下内容：

    td.Modulus = ...

    会直接在结构体中添加一个字段。但如果 td 是 TensileData 类的一个实例，则将返回错误。

  • 类易于重用。一旦定义了类，就可以轻松地使用添加新属性的子类来扩展它。

  • 类易于识别。类有名称，因此您可以使用 whos 和 class 函数与工作区浏览器来识别对象。使用类名，可以轻松地用有意义的名称来引用记录。

  • 赋值时，类可以验证各个字段值，包括类或值。

  • 类可以限制对字段的访问，例如，允许读取某个特定字段，但不能更改该字段。

将属性限制为特定值

可以通过定义属性 set 访问方法，将属性限制为特定值。MATLAB 每次设置属性值时都会调用 set 访问方法。

Material 属性 set 函数

Material 属性 set 方法将属性的赋值限制为以下字符串之一：aluminum、stainless steel 或 carbon steel。

将此函数定义添加到方法代码块中。

classdef TensileData
   properties
      Material
      SampleNumber
      Stress
      Strain
      Modulus
   end
   methods
      function obj = set.Material(obj,material)
         if (strcmpi(material,'aluminum') ||...
               strcmpi(material,'stainless steel') ||...
               strcmpi(material,'carbon steel'))
            obj.Material = material;
         else
            error('Invalid Material')
         end
      end
   end
end

当尝试设置 Material 属性时，MATLAB 在设置属性值之前会调用 set.Material 方法。

如果该值与可接受值匹配，函数便将属性设置为该值。set 方法中的代码可以直接访问属性，以避免递归调用属性 set 方法。

例如：

td = TensileData;
td.Material = 'brass';
Error using TensileData/set.Material
Invalid Material

用构造函数简化接口

通过添加一个构造函数来简化与 TensileData 类的接口，该构造函数：

  • 使您能够将数据作为参量传递给构造函数

  • 为属性赋值

该构造函数是一个与类同名的方法。 

methods
   function td = TensileData(material,samplenum,stress,strain)
      if nargin > 0
         td.Material = material;
         td.SampleNumber = samplenum;
         td.Stress = stress;
         td.Strain = strain;
      end
   end 
end

使用以下语句创建一个完整填充了数据的 TensileData 对象：

td = TensileData('carbon steel',1,...
      [2e4 4e4 6e4 8e4],...
      [.12 .20 .31 .40]);

按需计算数据

如果某个属性的值取决于其他属性的值，请使用 Dependent 特性定义该属性。MATLAB 不存储从属属性的值。当访问从属属性时，将使用从属属性 get 方法来确定属性值。当显示对象属性或作为显式查询的结果时，可以进行访问。

计算模数

TensileData 对象不存储 Modulus 属性的值。构造函数没有 Modulus 属性值的输入参量。Modulus 的值：

  • 根据 Stress 和 Strain 属性的值计算得出

  • 在 Stress 或 Strain 属性的值发生变化时也必定会改变

因此，最好仅在需要时计算 Modulus 属性的值。使用属性 get 访问方法计算 Modulus 的值。

Modulus 属性 get 方法

Modulus 属性取决于 Stress 和 Strain，因此其 Dependent 特性为 true。将 Modulus 属性放在单独的 properties 代码块中，并设置 Dependent 特性。

get.Modulus 方法计算并返回 Modulus 属性的值。 

properties (Dependent)
   Modulus
end

仅使用默认特性在 methods 代码块中定义属性 get 方法。

methods
   function modulus = get.Modulus(obj)
      ind = find(obj.Strain > 0);
      modulus = mean(obj.Stress(ind)./obj.Strain(ind));
   end
end

此方法在消除分母数据中的零后，计算应力与应变数据的平均比率。

查询属性时，MATLAB 会调用 get.Modulus 方法。例如，

td = TensileData('carbon steel',1,...
      [2e4 4e4 6e4 8e4],...
      [.12 .20 .31 .40]);
td.Modulus

ans =
  1.9005e+005

Modulus 属性 set 方法

要设置 Dependent 属性的值，该类必须实现属性 set 方法。不需要允许显式设置 Modulus 属性。但您可以使用 set 方法提供自定义的错误消息。Modulus set 方法引用当前属性值，然后返回错误：

methods
   function obj = set.Modulus(obj,~)
      fprintf('%s%d\n','Modulus is: ',obj.Modulus)
      error('You cannot set the Modulus property');
   end
end

显示 TensileData 对象

TensileData 类重载 disp 方法。此方法控制命令行窗口中的对象显示。

disp 方法显示 Material、SampleNumber、Modulus 属性的值。它不显示 Stress 和 Strain 属性数据。这些属性包含在命令行窗口中不容易查看的原始数据。

disp 方法使用 fprintf 在命令行窗口中显示格式化的文本：

methods
   function disp(td)
      fprintf(1,...
         'Material: %s\nSample Number: %g\nModulus: %1.5g\n',...
         td.Material,td.SampleNumber,td.Modulus);
   end 
end

绘制应力对应变的图的方法

查看应力/应变数据图有助于确定材料在所施加的拉力范围内的行为。TensileData 类会重载 MATLAB plot 函数。

plot 方法创建应力对应变数据的线性图，并添加标题和轴标签，从而生成一个拉力数据记录的标准化图：

methods
   function plot(td,varargin)
      plot(td.Strain,td.Stress,varargin{:})
      title(['Stress/Strain plot for Sample',...
         num2str(td.SampleNumber)])
      ylabel('Stress (psi)')
      xlabel('Strain %')
   end 
end

该方法的第一个参量是包含数据的 TensileData 对象。

该方法将参量的变量列表 (varargin) 直接传递给内置 plot 函数。TensileData plot 方法允许您传递线条设定符参量或属性名称-值对组。

例如：

td = TensileData('carbon steel',1,...
      [2e4 4e4 6e4 8e4],[.12 .20 .31 .40]);
plot(td,'-+b','LineWidth',2)

Stress graphed as function of strain

TensileData 类概要

示例代码讨论
classdef TensileData

值类支持对象的独立副本。有关详细信息，请参阅句柄类和值类的比较

   properties
      Material
      SampleNumber
      Stress
      Strain
   end

请参阅数据的结构

   properties (Dependent)
      Modulus
   end

查询时计算 Modulus。有关此代码的信息，请参阅按需计算数据。

有关一般信息，请参阅从属属性的 get 和 set 方法

   methods

有关方法的一般信息，请参阅Ordinary Methods

   function td = TensileData(material,samplenum,...
      stress,strain)
      if nargin > 0
         td.Material = material;
         td.SampleNumber = samplenum;
         td.Stress = stress;
         td.Strain = strain;
      end
   end

有关此代码的信息，请参阅用构造函数简化接口。

有关构造函数的一般信息，请参阅类构造函数方法

   function obj = set.Material(obj,material)
      if (strcmpi(material,'aluminum') ||...
         strcmpi(material,'stainless steel') ||...
         strcmpi(material,'carbon steel'))
         obj.Material = material;
      else
         error('Invalid Material')
      end
   end

限制 Material 属性的可能值。

有关此代码的信息，请参阅将属性限制为特定值。

有关属性 set 方法的一般信息，请参阅属性 get 和 set 方法。

   function m = get.Modulus(obj)
      ind = find(obj.Strain > 0); 
      m = mean(obj.Stress(ind)./obj.Strain(ind)); 
   end

查询时计算 Modulus 属性。

有关此代码的信息，请参阅Modulus 属性 get 方法。

有关属性 get 方法的一般信息，请参阅属性 get 和 set 方法。

   function obj = set.Modulus(obj,~)
      fprintf('%s%d\n','Modulus is: ',obj.Modulus)
      error('You cannot set Modulus property'); 
   end

为 Dependent Modulus 属性添加 set 方法。有关此代码的信息，请参阅Modulus 属性 set 方法。

有关属性 set 方法的一般信息，请参阅属性 get 和 set 方法。

   function disp(td)
      fprintf(1,'Material: %s\nSample Number: %g\nModulus: %1.5g\n',...
      td.Material,td.SampleNumber,td.Modulus)
   end

重载 disp 方法以显示特定属性。

有关此代码的信息，请参阅显示 TensileData 对象

有关重载 disp 的一般信息，请参阅Overloading the disp Function

   function plot(td,varargin)
      plot(td.Strain,td.Stress,varargin{:})
      title(['Stress/Strain plot for Sample',...
         num2str(td.SampleNumber)])
      ylabel('Stress (psi)')
      xlabel('Strain %')
   end

重载 plot 函数以接受 TensileData 对象和应力对应变的图。

绘制应力对应变的图的方法 

   end
end

methods 和 classdef 的 end 语句。

 展开类代码

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