Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть, представленная ниже, посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Вы описываете все запчасти, из которых состоит ваш автомобиль, а также то, каким образом эти запчасти взаимодействуют между собой. Кроме того, вы описываете, что должен сделать пользователь, чтобы машина затормозила, или включился дальний свет фар. Результатом вашей работы будет некоторый эскиз. Вы только что разработали то, что в ООП называется класс .
Класс – это способ описания сущности, определяющий состояние и поведение, зависящее от этого состояния, а также правила для взаимодействия с данной сущностью (контракт).
С точки зрения программирования класс можно рассматривать как набор данных (полей, атрибутов, членов класса) и функций для работы с ними (методов).
С точки зрения структуры программы, класс является сложным типом данных.
В нашем случае, класс будет отображать сущность – автомобиль. Атрибутами класса будут являться двигатель, подвеска, кузов, четыре колеса и т.д. Методами класса будет «открыть дверь», «нажать на педаль газа», а также «закачать порцию бензина из бензобака в двигатель». Первые два метода доступны для выполнения другим классам (в частности, классу «Водитель»). Последний описывает взаимодействия внутри класса и не доступен пользователю.
В дальнейшем, несмотря на то, что слово «пользователь» ассоциируется с пасьянсом «Косынка» и «Microsoft Word», мы будем называть пользователями тех программистов, которые используют ваш класс, включая вас самих. Человека, который является автором класса, мы будем называть разработчиком.
Объект (экземпляр) – это отдельный представитель класса, имеющий конкретное состояние и поведение, полностью определяемое классом.
Говоря простым языком, объект имеет конкретные значения атрибутов и методы, работающие с этими значениями на основе правил, заданных в классе. В данном примере, если класс – это некоторый абстрактный автомобиль из «мира идей», то объект – это конкретный автомобиль, стоящий у вас под окнами.
Интерфейс – это набор методов класса, доступных для использования другими классами.
Очевидно, что интерфейсом класса будет являться набор всех его публичных методов в совокупности с набором публичных атрибутов. По сути, интерфейс специфицирует класс, чётко определяя все возможные действия над ним.
Хорошим примером интерфейса может служить приборная панель автомобиля, которая позволяет вызвать такие методы, как увеличение скорости, торможение, поворот, переключение передач, включение фар, и т.п. То есть все действия, которые может осуществить другой класс (в нашем случае – водитель) при взаимодействии с автомобилем.
При описании интерфейса класса очень важно соблюсти баланс между гибкостью и простотой. Класс с простым интерфейсом будет легко использовать, но будут существовать задачи, которые с помощью него решить будет не под силу. В то же время, если интерфейс будет гибким, то, скорее всего, он будет состоять из достаточно сложных методов с большим количеством параметров, которые будут позволять делать очень многое, но использование его будет сопряжено с большими сложностями и риском совершить ошибку, что-то перепутав.
Примером простого интерфейса может служить машина с коробкой-автоматом. Освоить её управление очень быстро сможет любая блондинка, окончившая двухнедельные курсы вождения. С другой стороны, чтобы освоить управление современным пассажирским самолётом, необходимо несколько месяцев, а то и лет упорных тренировок. Не хотел бы я находиться на борту Боинга, которым управляет человек, имеющий двухнедельный лётный стаж. С другой стороны, вы никогда не заставите автомобиль подняться в воздух и перелететь из Москвы в Вашингтон.
Я не умею программировать на объектно-ориентированных языках. Не научился. После 5 лет промышленного программирования на Java я всё ещё не знаю, как создать хорошую систему в объектно-ориентированном стиле. Просто не понимаю.
Я пытался научиться, честно. Я изучал паттерны, читал код open source проектов, пытался строить в голове стройные концепции, но так и не понял принципы создания качественных объектно-ориентированных программ. Возможно кто-то другой их понял, но не я.
И вот несколько вещей, которые вызывают у меня непонимание.
Абстракция
Абстракция - это мощнейшее средство программирования. Именно то, что позволяет нам строить большие системы и поддерживать контроль над ними. Вряд ли мы когда-либо подошли бы хотя бы близко к сегодняшнему уровню программ, если бы не были вооружены таким инструментом. Однако как абстракция соотносится с ООП?
Во-первых, абстрагирование не является атрибутом исключительно ООП, да и вообще программирования. Процесс создания уровней абстракции распространяется практически на все области знаний человека. Так, мы можем делать суждения о материалах, не вдаваясь в подробности их молекулярной структуры. Или говорить о предметах, не упоминая материалы, из которых они сделаны. Или рассуждать о сложных механизмах, таких как компьютер, турбина самолёта или человеческое тело, не вспоминая отдельных деталей этих сущностей.
Во-вторых, абстракции в программировании были всегда, начиная с записей Ады Лавлейс, которую принято считать первым в истории программистом. С тех пор люди бесперерывно создавали в своих программах абстракции, зачастую имея для этого лишь простейшие средства. Так, Абельсон и Сассман в своей небезызвестной книге описывают, как создать систему решения уравнений с поддержкой комплексных чисел и даже полиномов, имея на вооружении только процедуры и связные списки. Так какие же дополнительные средства абстрагирования несёт в себе ООП? Понятия не имею. Выделение кода в подпрограммы? Это умеет любой высокоуровневый язык. Объединение подпрограмм в одном месте? Для этого достаточно модулей. Типизация? Она была задолго до ООП. Пример с системой решения уравнений хорошо показывает, что построение уровней абстракции не столько зависит от средств языка, сколько от способностей программиста.
Инкапсуляция
Главный козырь инкапсуляции в сокрытии реализации. Клиентский код видит только интерфейс, и только на него может рассчитывать. Это развязывает руки разработчикам, которые могут решить изменить реализацию. И это действительно круто. Но вопрос опять же в том, причём тут ООП? Все вышеперечисленные парадигмы подразумевают сокрытие реализации. Программируя на C вы выделяете интерфейс в header-файлы, Oberon позволяет делать поля и методы локальными для модуля, наконец, абстракция во многих языках строится просто посредствам подпрограмм, которые также инкапсулируют реализацию. Более того, объектно-ориентированные языки сами зачастую нарушают правило инкапсуляции , предоставляя доступ к данным через специальные методы - getters и setters в Java, properties в C# и т.д. (В комментариях выяснили, что некоторые объекты в языках программирования не являются объектами с точки зрения ООП: data transfer objects отвечают исключительно за перенос данных, и поэтому не являются полноценными сущностями ООП, и, следовательно, для них нет необходимости сохранять инкапсуляцию. С другой стороны, методы доступа лучше сохранять для поддержания гибкости архитектуры. Вот так всё непросто.) Более того, некоторые объектно-ориентированные языки, такие как Python, вообще не пытаются что-то скрыть, а расчитывают исключительно на разумность разработчиков, использующих этот код.
Наследование
Наследование - это одна из немногих новых вещей, которые действительно вышли на сцену благодаря ООП. Нет, объектно-ориентированные языки не создали новую идею - наследование вполне можно реализовать и в любой другой парадигме - однако ООП впервые вывело эту концепцию на уровень самого языка. Очевидны и плюсы наследования: когда вас почти устраивает какой-то класс, вы можете создать потомка и переопределить какую-то часть его функциональности. В языках, поддерживающих множественное наследование, таких как C++ или Scala (в последней - за счёт traits), появляется ещё один вариант использования - mixins, небольшие классы, позволяющие «примешивать» функциональность к новому классу, не копируя код.
Значит, вот оно - то, что выделяет ООП как парадигму среди других? Хмм… если так, то почему мы так редко используем его в реальном коде? Помните, я говорил про 95% кода, подчиняющихся правилам доминирующей парадигмы? Я ведь не шутил. В функцинальном программировании не меньше 95% кода использует неизменяемые данные и функции без side-эффектов. В модульном практически весь код логично расфасован по модулям. Преверженцы структурного программирования, следуя заветам Дейкстры, стараются разбивать все части программы на небольшие части. Наследование используется гораздо реже. Может быть в 10% кода, может быть в 50%, в отдельных случаях (например, при наследовании от классов фреймворка) - в 70%, но не больше. Потому что в большинстве ситуаций это просто не нужно .
Более того, наследование опасно для хорошего дизайна. Настолько опасно, что Банда Четырех (казалось бы, проповедники ООП) в своей книге рекомендуют при возможности заменять его на делегирование. Наследование в том виде, в котором оно существует в популярных ныне языках ведёт к хрупкому дизайну. Унаследовавшись от одного предка, класс уже не может наследоваться от других. Изменение предка так же становится опасным. Существуют, конечно, модификаторы private/protected, но и они требуют неслабых экстрасенсорных способностей для угадывания, как класс может измениться и как его может использовать клиентский код. Наследование настолько опасно и неудобно, что крупные фреймворки (такие как Spring и EJB в Java) отказываются от них, переходя на другие, не объектно-ориентированные средства (например, метапрограммирование). Последствия настолько непредсказуемы, что некоторые библиотеки (такие как Guava) прописывает своим классам модификаторы, запрещающие наследование, а в новом языке Go было решено вообще отказаться от иерархии наследования.
Полиморфизм
Пожалуй, полиморфизм - это лучшее, что есть в объектно-ориентированном программировании. Благодаря полиморфизму объект типа Person при выводе выглядит как «Шандоркин Адам Имполитович», а объект типа Point - как "". Именно он позволяет написать «Mat1 * Mat2» и получить произведение матриц, аналогично произведению обычных чисел. Без него не получилось бы и считывать данные из входного потока, не заботясь о том, приходят они из сети, файла или строки в памяти. Везде, где есть интерфейсы, подразумевается и полиморфизм.
Мне правда нравится полиморфизм. Поэтому я даже не стану говорить о его проблемах в мейнстримовых языках. Я также промолчу про узость подхода диспетчеризации только по типу, и про то, как это могло бы быть сделано . В большинстве случаев он работает как надо, а это уже неплохо. Вопрос в другом: является ли полиморфизм тем самым принципом, отличающим ООП от других парадигм? Если бы вы спросили меня (а раз уж вы читаете этот текст, значит, можно считать, что спросили), я бы ответил «нет». И причина всё в тех же процентах использования в коде. Возможно, интерфейсы и полиморфные методы встречаются немного чаще наследования. Но сравните количество строк кода, занимаемое ими, с количеством строк, написанных в обычном процедурном стиле - последних всегда больше. Глядя на языки, поощряющие такой стиль программирования, я не могу назвать их полиморфными. Языки с поддержкой полиморфизма - да, так нормально. Но не полиморфные языки.
(Впрочем, это моё мнение. Вы всегда можете не согласиться.)
Итак, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм - всё это есть в ООП, но ничто из этого не является его неотъемлемым атрибутом. Тогда что такое ООП? Есть мнение, что суть объектно-ориентированного программирования лежит в, собственно, объектах (звучит вполне логично) и классах. Именно идея объединения кода и данных, а также мысль о том, что объекты в программе отражают сущности реального мира. К этому мнению мы ещё вернёмся, но для начала расставим некоторые точки над i.
Чтобы лучше понять суть ООП в Java и C#, пробежимся по примерам реализации этой парадигмы в других языках.
Smalltalk. В отличие от своих современных коллег, этот язык имел динамическую типизацию и использовал message-passing style для реализации ООП. Вместо вызовов методов объекты посылали друг другу сообщения, а если получатель не мог обработать то, что пришло, он просто пересылал сообщение кому-то ещё.
Common Lisp. Изначально CL придерживался такой же парадигмы. Затем разработчики решили, что писать `(send obj "some-message)` - это слишком долго, и преобразовали нотацию в вызов метода - `(some-method obj)`. На сегодняшний день Common Lisp имеет развитую систему объектно-ориентированного программирования (CLOS) с поддержкой множественного наследования, мультиметодов и метаклассов. Отличительной чертой является то, что ООП в CL крутится не вокруг объектов, а вокруг обобщённых функций.
Clojure. Clojure имеет целых 2 системы объектно-ориентированного программирования - одну, унаследованную от Java, и вторую, основанную на мультиметодах и более похожую на CLOS.
R. Этот язык для статистического анализа данных также имеет 2 системы объектно-ориентированного программирования - S3 и S4. Обе унаследованы от языка S (что не удивительно, учитывая, что R - это open source реализация коммерческого S). S4 по большей части соотвествует реализациям ООП в современных мейнстримовых языках. S3 является более легковесным вариантом, элементарно реализуемым средствами самого языка: создаётся одна общая функция, диспетчеризирующая запросы по атрибуту «class» полученного объекта.
JavaScript. По идеологии похож на Smalltalk, хотя и использует другой синтаксис. Вместо наследования использует прототипирование: если искомого свойства или вызванного метода в самом объекте нет, то запрос передаётся объекту-прототипу (свойство prototype всех объектов JavaScript). Интересным является факт, что поведение всех объектов класса можно поменять, заменив один из методов прототипа (очень красиво, например, выглядит добавление метода `.toBASE64` для класса строки).
Python. В целом придерживается той же концепции, что и мейнcтримовые языки, но кроме этого поддерживает передачу поиска атрибута другому объекту, как в JavaScript или Smalltalk.
Haskell. В Haskell вообще нет состояния, а значит и объектов в обычном понимании. Тем не менее, своеобразное ООП там всё-таки есть: типы данных (types) могут принадлежать одному или более классам типов (type classes). Например, практически все типы в Haskell состоят в классе Eq (отвечает за операции сравнения 2-х объектов), а все числа дополнительно в классах Num (операции над числами) и Ord (операции <, <=, >=, >). В менстримовых языках типам соответствуют классы (данных), а классам типов - интерфейсы.
Ну ладно, у нас есть методы доступа к данным. Пойдём на этот маленький самообман и притворимся, что данные у нас действительно скрыты. Зато я теперь знаю, что объекты - это в первую очередь данные, а потом уже, возможно, методы их обрабатывающие. Я понял, как писать программы, к чему нужно стремиться при проектировании.
Не успел я насладиться просветлением, как увидил в интернетах слово stateless (готов поклясться, оно было окружено сиянием, а над буквами t и l висел нимб). Короткое изучение литературы открыло чудесный мир прозрачного потока управления и простой многопоточности без необходимости отслеживать согласованность объекта. Конечно, мне сразу захотелось прикоснуться к этому чудесному миру. Однако это означало полный отказ от любых правил - теперь было непонятно, следует ли собаке самой себя выгуливать, или для этого нужен специальный ВыгулМенеджер; нужен ли аккаунт, или со всей работой справится Банк, а если так, то должен он списывать деньги статически или динамически и т.д. Количество вариантов использования возрасло экспоненциально, и все варианты в будущем могли привести к необходимости серьёзного рефакторинга.
Я до сих пор не знаю, когда объект следует сделать stateless, когда stateful, а когда просто контейнером данных. Иногда это очевидно, но чаще всего нет.
Другая проблема - это значение null, которое может быть передано практически вместо любого объекта в Java и вместо любого Nullable объекта в C#. null принадлежит сразу всем типам, и в то же время не принадлежит ни одному. null не имеет ни полей, ни методов, поэтому любое обращение к нему (кроме проверки на null) приводит к ошибке. Вроде бы все к этому привыкли, но для сравнения Haskell (да и та же Scala) заставлют использовать специальные типы (Maybe в Haskell, Option в Scala) для обёртки функций, которые в других языках могли бы вернуть null. В итоге про Haskell часто говорят «скомпилировать программу на нём сложно, но если всё-таки получилось, значит скорее всего она работает корректно».
С другой стороны, мейнстримовые языки, очевидно, не являются динамически типизированными, а значит не обладают такими свойствами, как простота интерфейсов и гибкость процедур. В итоге писать в стиле Python или Lisp также становится невозможным.
Какая разница, как называется такая типизация, если все правила всё равно известны? Разница в том, с какой стороны подходить к проектированию архитектуры. Существует давний спор, как строить систему: делать много типов и мало функций, или мало типов и много функций? Первый подход активно используется в Haskell, второй в Lisp. В современных объектно-ориентированных языках используется что-то среднее. Я не хочу сказать, что это плохо - наверное у него есть свои плюсы (в конце концов не стоит забывать, что за Java и C# стоят мультиязыковые платформы), но каждый раз приступая к новому проекту я задумываюсь, с чего начать проектирования - с типов или с функционала.
Может быть я сноб, но мне было гораздо приятней, когда данные в компьютере были просто данными, даже если описывали мою собаку или счёт в банке. С данными я мог сделать то, что удобно, без оглядки на реальный мир.
Я также не знаю, как правильно декомпозировать функционал. В Python или C++, если мне нужна была маленькая функция для преобразования строки в число, я просто писал её в конце файла. В Java или C# я вынужден выносить её в отдельный класс StringUtils. В недо-ОО-языках я мог объявить ad hoc обёртку для возврата двух значений из функции (снятую сумму и остаток на счету). В ООП языках мне придётся создать полноценный класс РезультатТранзакции. И для нового человека на проекте (или даже меня самого через неделю) этот класс будет выглядеть точно таким же важным и фундаментальным в архитектуре системы. 150 файлов, и все одинаково важные и фундаментальные - о да, прозрачная архитектура, прекрасные уровни абстракции.
Я не умею писать эффективные программы. Эффективные программы используют мало памяти - иначе сборщик мусора будет постоянно тормозить выполнение. Но чтобы совершить простейшую операцию в объектно-ориентированных языках приходится создавать дюжину объектов. Чтобы сделать один HTTP запрос мне нужно создать объект типа URL, затем объект типа HttpConnection, затем объект типа Request… ну, вы поняли. В процедурном программировании я бы просто вызвал несколько процедур, передав им созданную на стеке структуру. Скорее всего, в памяти был бы создан всего один объект - для хранения результата. В ООП мне приходится засорять память постоянно.
Возможно, ООП - это действительно красивая и элегантная парадигма. Возможно, я просто недостаточно умён, чтобы понять её. Наверное, есть кто-то, кто может создать действительно красивую программу на объектно-ориентированном языке. Ну что ж, мне остаётся только позавидовать им.
Все объектно-ориентированные языки используют три базовых принципа объектно-ориентированного программирования:
Первым принципом ООП является инкапсуляция. Инкапсуляция – это механизм программирования, связывающий воедино код и данные, которыми он манипулирует, ограждающий их от внешнего доступа и неправильного применения и скрывающий средствами языка детали реализации. Например, предположим, что мы используем класс представляющий объекты типа пера (Pen). Такой класс инкапсулирует внутренние способности объектов рисовать точки, линии и фигуры разной толщины и цвета. Принцип инкапсуляции позволяет упростить задачу программирования в том смысле, что уже нет необходимости беспокоится о многочисленных строках программного кода, который выполняет работу класса пера "за кулисами". Все, что требуется, так - это создание экземпляра класса пера и взаимодействовать с ним путем обращения к его функциям.
Одним из важных аспектов инкапсуляции является защита данных. В идеале данные, характеризующие состояние объекта, должны определяться, как закрытые и недоступные для внешнего окружения. В этом случае внешнее окружение объекта будет вынуждено запрашивать право на изменение или чтение соответствующих значений. Таким образом, понятие инкапсуляции отражает общее правило, согласно которому поля данных объекта не должны быть непосредственно доступны из открытого интерфейса. Если пользователю необходимо изменить состояние объекта, то он должен сделать это не напрямую, а косвенно, с помощью функций чтения (get ()) и модификации (set ()). В С# доступность данных реализуется на уровне синтаксиса с помощью ключевых слов public , private , protected , и protected internal .
В пределах объекта код, данные или и код и данные могут быть закрытыми для других объектов, либо открытыми. Закрытые код и данные известны и доступны из другой части только этого объекта (т.е. только самому объекту). Поэтому к закрытому коду и данным не может быть осуществлен доступ из той части программы, которая существует за пределами данного объекта.
Следующим принципом ООП является наследование , означающее способность языка обеспечить построение определений новых классов на основе определений уже существующих классов. В сущности, наследование позволяет расширить возможности поведения базового класса (называемого также родительским классом ) с помощью построения подкласса (называемого производным или дочерним классом ), наследующего характеристики и функциональные возможности родительского класса. По сути дела такая форма наследования представляет собой повторное использование программного кода одного (базового) класса в других (производных от него) классах. Как правило, в этом случае дочерний класс расширяет возможности базового класса, добавляя к ним некоторые новые возможности, отсутствующие в базовом классе. Такая форма наследования получила название "is-a" (т.е. быть тем же самым, но с более широкими возможностями).
Существует и другая форма многократного использования программного кода – это модель локализации/делегирования (также известная, как отношение локализации "has-a"). Эта форма не используется для создания отношений "класс-подкласс". Вместо этого класс может определить в своем составе некоторую переменную другого класса и открыть часть или все ее функциональные возможности для внешнего окружения. В этом случае класс больше похож на контейнер, в котором содержатся экземпляры других классов.
Третьим принципом ООП является полиморфизм . Он характеризует способность языка одинаково интерпретировать родственные объекты. Эта особенность объектно-ориентированного языка позволяет базовому классу определить множество членов для всех производных классов. Формально это общее членов называют полиморфным интерфейсом. Полиморфный интерфейс для класса строится с помощью определения некоторого произвольного числа виртуальных и абстрактных функций. Виртуальную функцию класса можно изменить в производном классе, а абстрактную функцию можно только переопределить. Когда производные классы переопределяют функции, определенные в базовом классе, то они, по существу, переопределяют свою реакцию на соответствующий запрос. Кроме возможности переопределения функций язык С# предоставляет возможность использовать другую форму полиморфизма – перегрузку функций. Перегрузку следует рассматривать, как дополнительную возможность различать функции с одинаковым названием, отличающихся разным количеством или типом аргументов. Поэтому перегрузку можно применять не только к функциям – членам класса, но и к глобальным функциям.
Основные принципы и этапы объектно-ориентированного
программирования
В теории программирования ООП определяется как технология создания сложного программного обеспечения, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов , каждый из которых является экземпляром определенноготипа (класса ), а классы образуют иерархию с
наследованием свойств .
Взаимодействие программных объектов в такой системе осуществляется путем передачи сообщений .
П р и м е ч а н и е. Такое представление программы впервые было использовано в языке имитационного моделирования сложных систем Simula, появившемся еще в 60-х годах.
Естественный для языков моделирования способ представления программы получил развитие в другом специализированном языке моделирования - языке Smalltalk (70-е годы), а затем был
Страница 2 из51 | Основные принципы ООП |
использован в новых версиях универсальных языков программирования, таких как Pascal, С++,
Основное достоинство ООП - сокращение количества межмодульных вызовов и уменьшение объемов информации, передаваемой между модулями,
по сравнению с модульным программированием. Это достигается за счет более полной локализации данных и интегрирования их с подпрограммами обработки,
что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей
(объектов) программы.
Кроме этого, объектный подход предлагает новые технологические средства разработки, такие как наследование, полиморфизм, композиция, наполнение ,
позволяющие конструировать сложные объекты из более простых. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов,
появляется возможность создания библиотек объектов для различных применений, и разработчикам предоставляются дополнительные возможности создания систем повышенной сложности.
Основной недостаток ООП - некоторое снижение быстродействия за счет более сложной организации программной системы.
В основу ООП положены следующие п р и н ц и п ы : абстрагирование,
ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм,
устойчивость.
Рассмотрим, что представляет собой каждый принцип.
А б с т р а г и р о в а н и е - процесс выделения абстракций в предметной области задачи.Абстракция - совокупность существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и,
таким образом, четко определяют особенности данного объекта с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа. В соответствии с определением применяемая абстракция реального предмета существенно зависит от решаемой задачи: в одном случае нас будет интересовать форма предмета, в другом вес, в
третьем - материалы, из которых он сделан, в четвертом - закон движения
Страница 3 из51 | Основные принципы ООП |
предмета и т.д. Современный уровень абстракции предполагает объединение всех свойств абстракции (как касающихся состояния анализируемого объекта,
так и определяющих его поведение) в единую программную единицу некий
абстрактный тип (класс).
О г р а н и ч е н и е д о с т у п а - сокрытие отдельных элементов реализации абстракции, не затрагивающих существенных характеристик ее как целого.
Необходимость ограничения доступа предполагает разграничение двух частей в описании абстракции:
интерфейс - совокупность доступных извне элементов реализации абстракции (основные характеристики состояния и поведения);
реализация - совокупность недоступных извне элементов реализации абстракции (внутренняя организация абстракции и механизмы реализации ее поведения).
Ограничение доступа в ООП позволяет разработчику:
∙ выполнять конструирование системы поэтапно, не отвлекаясь на особенности реализации используемых абстракций;
∙ легко модифицировать реализацию отдельных объектов, что в правильно организованной системе не потребует изменения других объектов.
Сочетание объединения всех свойств предмета (составляющих его состояния и поведения) в единую абстракцию и ограничения доступа к реализации этих свойств получило название инкапсуляции.
М о д у л ь н о с т ь - принцип разработки программной системы,
предполагающий реализацию ее в виде отдельных частей (модулей). При выполнении декомпозиции системы на модули желательно объединять логически связанные части, по возможности обеспечивая сокращение количества внешних связей между модулями. Принцип унаследован от
Страница 4 из51 | Основные принципы ООП |
модульного программирования, следование ему упрощает проектирование и
отладку программы.
И е р а р х и я - ранжированная или упорядоченная система абстракций.
Принцип иерархичности предполагает использование иерархий при разработке программных систем.
В ООП используются два вида иерархии.
Иерархия «целое/часть» - показывает, что некоторые абстракции включены
в рассматриваемую абстракцию как ее части, например, лампа состоит из цоколя, нити накаливания и колбы. Этот вариант иерархии используется в процессе разбиения системы на разных этапах проектирования (на логическом уровне - при декомпозиции предметной области на объекты, на физическом уровне - при декомпозиции системы на модули и при выделении отдельных процессов в мультипроцессной системе).
Иерархия «общее/частное» - показывает, что некоторая абстракция является частным случаем другой абстракции, например, « обеденный стол -
конкретный вид стола», а « столы - конкретный вид мебели». Используется при
разработке структуры классов, когда сложные классы строятся на базе более простых путем добавления к ним новых характеристик и, возможно, уточнения имеющихся.
Один из важнейших механизмов ООП - наследование свойств в иерархии общее/частное. Наследование - такое соотношение между абстракциями, когда одна из них использует структурную или функциональную часть другой или нескольких других абстракций (соответственно простое и множественное
наследование).
Т и п и з а ц и я - ограничение, накладываемое на свойства объектов и
препятствующее взаимозаменяемости абстракций различных типов (или сильно сужающее возможность такой замены). В языках с жесткой типизацией для каждого программного объекта (переменной, подпрограммы, параметра и т. д.)
объявляется тип, который определяет множество операций над
Страница 5 из51 | Основные принципы ООП |
соответствующим программным объектом. Рассматриваемые далее языки программирования на основе Паскаля используют строгую, а на основе С -
среднюю степень типизации.
Использование принципа типизации обеспечивает:
∙ раннее обнаружение ошибок, связанных с недопустимыми операциями над программными объектами (ошибки обнаруживаются на этапе компиляции программы при проверке допустимости выполнения данной операции над программным объектом);
∙ упрощение документирования;
∙ возможность генерации более эффективного кода.
Тип может связываться с программным объектом статически (тип объекта определен на этапе компиляции - раннее связывание) и динамически (тип объекта определяется только во время выполнения программы -позднее связывание). Реализация позднего связывания в языке программирования позволяет создавать переменные - указатели на объекты, принадлежащие различным классам(полиморфные объекты), что существенно расширяет возможности языка.
П а р а л л е л и з м - свойство нескольких абстракций одновременно находиться в активном состоянии, т.е. выполнять некоторые операции.
Существует целый ряд задач, решение которых требует одновременного выполнения некоторых последовательностей действий. К таким задачам,
например, относятся задачи автоматического управления несколькими процессами.
Реальный параллелизм достигается только при реализации задач такого типа на многопроцессорных системах, когда имеется возможность выполнения каждого процесса отдельным процессором. Системы с одним процессором имитируют параллелизм за счет разделения времени процессора между задачами управления различными процессами. В зависимости от типа используемой операционной системы (одноили мультипрограммной)
Страница 6 из51 | Основные принципы ООП |
разделение времени может выполняться либо разрабатываемой системой (как в
MS DOS), либо используемой ОС (как в системах Windows).
У с т о й ч и в о с т ь - свойство абстракции существовать во времени независимо от процесса, породившего данный программный объект, и/или в пространстве, перемещаясь из адресного пространства, в котором он был создан.
Различают:
∙ временные объекты, хранящие промежуточные результаты некоторых действий, например вычислений;
∙ локальные объекты, существующие внутри подпрограмм, время жизни которых исчисляется от вызова подпрограммы до ее завершения;
∙ глобальные объекты, существующие пока программа загружена в память;
∙ сохраняемые объекты, данные которых хранятся в файлах внешней памяти между сеансами работы программы.
Все указанные выше принципы в той или иной степени реализованы в различных версиях объектно-ориентированных языков.
Объектно-ориентированные языки программирования.Язык считается объектно-ориентированным, если в нем реализованы первые четыре из рассмотренных семи принципов.
Особое место занимают объектные модели Delphi и C++Builder. Эти модели обобщают опыт ООП для MS DOS и включают некоторые новые средства,
обеспечивающие эффективное создание более сложных систем. На базе этих моделей созданы визуальные среды для разработки приложений Windows.
Сложность программирования под Windows удалось существенно
снизить за счет создания специальных библиотек объектов, « спрятавших» многие элементы техники программирования.
Страница 7 из51 | Основные принципы ООП |
Этапы разработки программных систем с использованием ООП.
Процесс разработки программного обеспечения с использованием ООП включает четыре этапа: анализ, проектирование, эволюция, модификация.
Рассмотрим эти этапы.
А н а л и з . Цель анализа - максимально полное описание задачи. На этом этапе выполняется анализ предметной области задачи, объектная декомпозиция разрабатываемой системы и определяются важнейшие особенности поведения объектов (описание абстракций). По результатам анализа разрабатывается структурная схема программного продукта, на которой показываются основные объекты и сообщения, передаваемые между ними, а также выполняется описание абстракций.
Проект ирование .Различают :
логическое проектирование, при котором принимаемые решения практически не зависят от условий эксплуатации (операционной системы и используемого оборудования);
физическое проектирование, при котором приходится принимать во внимание указанные факторы.
Логическое проектирование заключается в разработке структуры классов:
определяются поля для хранения составляющих состояния объектов и алгоритмы методов, реализующих аспекты поведения объектов. При этом используются рассмотренные выше приемы разработки классов (наследование,
композиция, наполнение, полиморфизм и т.д.). Результатом является иерархия или диаграмма классов, отражающие взаимосвязь классов, и описание классов.
Физическое проектирование включает объединение описаний классов в модули, выбор схемы их подключения (статическая или динамическая компоновка), определение способов взаимодействия с оборудованием, с
операционной системой и/или другим программным обеспечением (например,
базами данных, сетевыми программами), обеспечение синхронизации процессов для систем параллельной обработки и т.д.
Страница 8 из51 | Основные принципы ООП |
Э в о л ю ц и я с и с т е м ы. Это процесс поэтапной реализации и
подключения классов к проекту. Процесс начинается с создания основной программы или проекта будущего программного продукта. Затем реализуются и подключаются классы, так чтобы создать грубый, но, по возможности,
работающий прототип будущей системы. Он тестируется и отлаживается.
Например, таким прототипом может служить система, включающая реализацию основного интерфейса программного продукта (передача сообщений в отсутствующую пока часть системы не выполняется). В результате мы получаем работоспособный прототип продукта, который может быть, например, показан заказчику для уточнения требований. Затем к системе подключается следующая группа классов, например, связанная с реализацией некоторого пункта меню.
Полученный вариант также тестируется и отлаживается, и так далее, до реализации всех возможностей системы.
Использование поэтапной реализации существенно упрощает тестирование и отладку программного продукта.
Модификация. Это процесс добавления новых функциональных возможностей или изменение существующих свойств системы. Как правило,
изменения затрагивают реализацию класса, оставляя без изменения его интерфейс, что при использовании ООП обычно обходится без особых неприятностей, так как процесс изменений затрагивает локальную область.
Изменение интерфейса - также не очень сложная задача, но ее решение может повлечь за собой необходимость согласования процессов взаимодействия объектов, что потребует изменений в других классах программы. Однако сокращение количества параметров в интерфейсной части по сравнению с модульным программированием существенно облегчает и этот процесс.
Простота модификации позволяет сравнительно легко адаптировать программные системы к изменяющимся условиям эксплуатации, что увеличивает время жизни систем, на разработку которых затрачиваются огромные временные и материальные ресурсы.
Страница 9 из51 | Основные принципы ООП |
Особенностью ООП является то, что объект или группа объектов могут разрабатываться отдельно, и, следовательно, их проектирование может находиться на различных этапах. Например, интерфейсные классы уже реализованы, а структура классов предметной области еще только уточняется.
Обычно проектирование начинается, когда какой-либо фрагмент предметной области достаточно полно описан в процессе анализа.
Рассмотрение основных приемов объектного подхода начнем с объектной декомпозиции.
Объектная декомпозиция
Как уже упоминалось выше, при использовании технологии ООП решение представляется в виде результата взаимодействия отдельных функциональных элементов некоторой системы, имитирующей процессы,
происходящие в предметной области поставленной задачи.
В такой системе каждый функциональный элемент, получив некоторое входное воздействие (называемое сообщением) в процессе решения задачи,
выполняет заранее определенные действия (например, может изменить собственное состояние, выполнить некоторые вычисления, нарисовать окно или график и в свою очередь воздействовать на другие элементы). Процессом решения задачи управляет последовательность сообщений. Передавая эти сообщения от элемента к элементу, система выполняет необходимые действия.
Функциональные элементы системы, параметры и поведение которой определяются условием задачи, обладающие самостоятельным поведением
(т.е. « умеющие» выполнять некоторые действия, зависящие от полученных сообщений и состояния элемента), получили название объектов.
Процесс представления предметной области задачи в виде совокупности объектов, обменивающихся сообщениями, называется объектной декомпозицией.
Страница 10 из51 | Основные принципы ООП |
Для того чтобы понять, о каких объектах и сообщениях идет речь при выполнении объектной декомпозиции в каждом конкретном случае, следует вспомнить, что первоначально объектный подход был предложен для разработки имитационных моделей поведения сложных систем. Набор объектов таких систем обычно определяется при анализе моделируемых процессов.
Пример. Объектная декомпозиция (имитационная модель
бензоколонки). Пусть нас интересует зависимость длины очереди к бензоколонке от количества заправочных мест, параметров обслуживания каждого заправочного места и интенсивности поступления заявок на заправку топливом (рассматриваем топливо одного типа).
Задачи такого вида обычно решаются с использованием имитационных моделей. Модель программно имитирует реальный процесс с заданными параметрами, параллельно фиксируя его характеристики. Многократно повторяя процесс имитации с различными значениями параметров обслуживания или поступления заявок, исследователь получает конкретные значения характеристик, по которым строятся графики анализируемых зависимостей.
Процесс работы бензоколонки с тремя заправочными местами можно представить в виде диаграммы.
Почему объектно-ориентированному программированию отдается предпочтение в большинстве проектов? ООП предлагает эффективный способ борьбы с их сложностью. Вместо того чтобы рассматривать программу как последовательность исполняемых инструкций, оно представляет ее как группу объектов с определенными свойствами и производит с ними определенные действия. Это приводит к созданию более ясных, более надежных и легкосопровождаемых приложений.
Основные принципы сформировались потому, что в существовавших ранее подходах были обнаружены ограничения. Среди них - неограниченный доступ к данным и большое количество связей, которые накладывают ограничения на внесение изменений. Их осознание и причины важны для того, чтобы понять, что такое ООП в программировании и каковы его преимущества.
C, Pascal, FORTRAN и подобные языки являются процедурными. То есть каждый их оператор приказывает компьютеру что-то сделать: получить данные, сложить числа, разделить на шесть, отобразить результат. Приложение на процедурном языке представляет собой список инструкций. Если он небольшой, никакого другого организационного принципа (часто называемого парадигмой) не требуется. Программист создает список инструкций, и компьютер выполняет их.
Когда приложения становятся больше, список получается громоздким. Немногие могут понять более нескольких сотен инструкций, пока они не будут сгруппированы. По этой причине функция стала способом сделать приложения более понятными для своих создателей. В некоторых языках та же концепция может носить название подпрограммы или процедуры.
Приложение разделено на функции, каждая из которых имеет четко определенную цель и интерфейс.
Идея разделения на процедуры может быть расширена их группированием в больший объект, называемый модулем, но принцип аналогичен: группирование компонентов, которые выполняют списки инструкций.
Разделение на функции и модули - один из краеугольных камней структурного программирования, которое в течение нескольких десятилетий до появления ООП являлось довлеющей парадигмой.
Поскольку приложения становились все более крупными, структурное программирование начало испытывать трудности. Проекты становились слишком сложными. Графики сдвигались. Задействовалось большее число программистов. Сложность росла. Затраты взлетали, график сдвигался дальше, и наступал крах.
Анализ причин этих неудач показал недостатки процедурной парадигмы. Независимо от того, насколько хорошо реализован структурированный подход к программированию, крупные приложения становятся чрезмерно сложными.
Каковы причины этих проблем, связанных с процедурными языками? Во-первых, функции имеют неограниченный доступ к глобальным данным. Во-вторых, не связанные между собой процедуры и значения плохо моделируют реальный мир.
Если рассматривать эти проблемы в контексте программы учета запасов, то одним из важнейших глобальных элементов данных является совокупность учетных единиц. Разные функции могут обращаться к ним для ввода нового значения, его отображения, изменения и т. д.
В программе, написанной, например, на C, есть два вида данных. Локальные скрыты внутри функции и другими процедурами не используются.
Когда две и более функций должны получить доступ к одним и тем же данным, то последние должны быть глобальными. Такими, например, являются сведения об учитываемых предметах. Глобальные данные могут быть доступны любой процедуре.
В большой программе есть множество функций и много глобальных элементов. Проблема процедурной парадигмы состоит в том, что это приводит к еще большему числу потенциальных связей между ними.
Такое большое количество соединений вызывает несколько затруднений. Во-первых, это осложняет понимание структуры программы. Во-вторых, затрудняет внесение изменений. Изменение в глобальном элементе данных может потребовать корректирования всех функций, имеющих к нему доступ.
Например, в программе учета кто-то решит, что код учитываемого предмета должен состоять не из 5 цифр, а из 12. Это потребует изменить с short на long. Теперь связанные с кодом функции должны быть изменены для работы с новым форматом.
Когда элементы изменяются в большом приложении, трудно сказать, какие процедуры имеют к ним доступ. Но даже если это выяснить, их изменение может привести к неправильной работе с другими глобальными данными. Все связано со всем остальным, поэтому изменение в одном месте аукнется в другом.
Второй и более важной проблемой процедурной парадигмы является то, что ее расположение отдельных данных и функций плохо моделирует вещи в реальном мире. Здесь мы имеем дело с такими объектами, как люди и автомобили. Они не похожи ни на данные, ни на функции. Сложные реальные объекты обладают атрибутами и поведением.
Примерами атрибутов (иногда называемых характеристиками) для людей являются цвет глаз и название должности, для автомобилей - мощность и количество дверей. Как оказалось, атрибуты в реальном мире эквивалентны данным в программе. Они имеют конкретные значения, такие как синий (цвет глаз) или четыре (количество дверей).
Поведение - это то, что объекты реального мира производят в ответ на какое-то воздействие. Если попросить начальство о повышении зарплаты, ответ будет "да" или "нет". Если нажать на тормоз, то автомобиль остановится. Произнесение и остановка являются примерами поведения. Поведение подобно процедуре: его вызывают, чтобы сделать что-то, и оно делает это. Таким образом, данные и функции сами по себе не моделируют объекты реального мира эффективно.
Объект в ООП представляется как совокупность данных и функций. Только процедуры, которые называются функциями-членами в C ++, позволяют получить его значения. Данные скрыты и защищены от изменения. Значения и функции инкапсулированы в одно целое. Инкапсуляция и упрятывание - основные термины в описании ОО-языков.
Если требуется изменить данные, точно известно, какие функции взаимодействуют с ними. Никакие другие процедуры не могут получить к ним доступ. Это упрощает написание, отладку и поддержание программы.
Приложение, как правило, состоит из нескольких объектов, которые взаимодействуют друг с другом, вызывая функции-члены.
Сегодня наиболее широко используемый программирование) - C++ (плюс-плюс). В Java отсутствуют некоторые функции, такие как указатели, шаблоны и множественное наследование, что делает его менее мощным и универсальным, чем C++. C# еще не достиг популярности C++.
Следует отметить, что так называемые функции-члены в C++ называются методами в некоторых других ОО-языках, таких как Smalltalk. Элементы данных называются атрибутами. Вызов метода объекта является посылкой ему сообщения.
Можно представить объекты отделами компании. В большинстве организаций сотрудники не работают один день с кадрами, на следующий начисляя зарплату, а затем неделю занимаясь розничной торговлей. У каждого отдела есть свой персонал с четко возложенными на него обязанностями. Есть и собственные данные: показатели заработной платы, продаж, учет сотрудников и т. д. Люди в отделах работают со своей информацией. Разделение компании, таким образом, облегчает контроль за ее деятельностью и поддерживает целостность данных. Бухгалтерия отвечает за Если необходимо знать общую сумму заработной платы, выплачиваемой в южном филиале в июле, не нужно рыться в архиве. Достаточно направить записку ответственному лицу, подождать, пока этот человек получит доступ к данным и отправит ответ с требуемой информацией. Это гарантирует соответствие регламенту и отсутствие постороннего вмешательства. Таким же образом объект в ООП обеспечивает организацию приложения.
Следует помнить, что ориентация на объекты не касается подробностей работы программы. Большинство инструкций C++ соответствует операторам процедурных языков, таких как С. Действительно, функции-члены в C++ очень похожи на функции в С. Только более широкий контекст позволит установить, является ли инструкция процедурной или объектно-ориентированной.
При рассмотрении задачи программирования на ОО-языке вместо вопросов о ее разделении на отдельные функции возникает проблема разделения на объекты. ООП-мышление намного облегчает разработку приложений. Это происходит в результате сходства программных и реальных объектов.
Какие вещи становятся объектами в ООП? Ниже представлены типичные категории.
Физический объект в ООП - это:
Элементы среды компьютера пользователя:
Связь объектов реального мира и ООП стало результатом сочетания функций и данных: они произвели переворот в программировании. Такого близкого соответствия в процедурных языках нет.
Объекты в ООП - это члены классов. Что это значит? Языки программирования имеют встроенные типы данных. Тип int, т. е. целое число, предопределен в C++. Можно объявлять сколько угодно переменных int.
Аналогично определяется множество объектов одного класса. Он определяет функции и данные, включаемые в его объекты, не создавая их, так же как int не создает переменные.
Класс в ООП - это описание ряда похожих объектов. Принц, Стинг и Мадонна являются певцами. Нет ни одного человека с таким именем, но люди могут так называться, если они обладают соответствующими характеристиками. Объект ООП - это экземпляр класса.
В жизни классы разделены на подклассы. Например, животные делятся на земноводных, млекопитающих, птиц, насекомых и т. д.
Принцип такого рода деления состоит в том, что каждый подкласс имеет общие характеристики с классом, от которого происходит. Все автомобили имеют колеса и двигатель. Это определяющие характеристики транспортных средств. В дополнение к общим характеристикам каждый подкласс обладает своими особенностями. У автобусов много посадочных мест, а грузовики имеют пространство для перевозки тяжелых грузов.
Аналогично базовый класс может стать родителем нескольких производных подклассов, которые могут быть определены так, что они будут разделять его характеристики с добавлением собственных. Наследование подобно функции, упрощающей процедурную программу. Если несколько частей кода делают почти то же, можно извлечь общие элементы и поместить их в одну процедуру. Три участка приложения могут вызвать функцию, чтобы выполнить общие действия, но они могут производить и свои собственные операции. Подобно этому базовый класс содержит данные, общие для группы производных. Подобно функциям наследование сокращает ОО-программу и проясняет взаимосвязь ее элементов.
После того как класс создан и отлажен, он может быть передан другим программистам для повторного использования в собственных приложениях. Это похоже на библиотеку функций, которая может входить в разные приложения.
В ООП наследование является расширением идеи многократного использования. Из существующего класса, не изменяя его, можно образовать новый с добавлением других функций. Легкость повторного использования существующего ПО - важное преимущество ООП. Считается, что это обеспечивает рост доходности от первоначальных инвестиций.
Объекты удобны для создания новых типов данных. Предположим, в программе используются двумерные значения (например, координаты или широта и долгота), и есть желание выразить действия с ними арифметическими операциями:
position1 = position + origin,
где и origin - пары независимых численных величин. Создание класса, включающего в себя эти два значения, и объявление переменных его объектами создает новый тип данных.
Операторы = (равно) и + (плюс), используемые в позиционной арифметике выше, не действуют так же, как с встроенными типами, такими как int. Объекты position и др. не предопределены, а заданы программным путем. Каким образом эти операторы знают, как с ними обращаться? Ответ заключается в том, что для них можно задать новые модели поведения. Эти операции будут функциями-членами класса Position.
Использование операторов или процедур в зависимости от того, с чем они работают, называется полиморфизмом. Когда существующий оператор, такой как + или =, получает возможность работать с новым типом данных, говорят, что он перегружен. Перегрузка в ООП - это вид полиморфизма. Она является его важной чертой.
Книга об ООП «Объектно-ориентированное программирование для чайников» позволит всем желающим ознакомиться с данной темой подробнее.
