Файл: История и развитие методологии объектно-ориентированного программирования. Сферы применения».pdf

Построим теперь иерархию классов для емкостей:

Class StorageTank { 
public:

StorageTank(); 
virtual ~StorageTank(); 
virtual void fill(); 
virtual void startDraining(); 
virtual void stopDraining(); 
Boolean isEmpty() const; 
Level level() const;

protected: 
... 
};

class WaterTank : public StorageTank{ 
public:

WaterTank(); 
virtual ~WaterTank(); 
virtual void fill(); 
virtual void startDraining(); 
virtual void stopDraining(); 
void startHeating(); 
void stopHeating(); 
Temperature currentTemperature() const;

protected: 
... 
};

class NutrientTank : public StorageTank { 
public:

NutrientTank(); 
virtual ~NutrientTank(); 
virtual void startDrainingt(); 
virtual void stopDraining();

protected: 
... 
};

Класс StorageTank - это базовый класс иерархии. Он обеспечивает структуру и поведение общие для всех емкостей: возможность их наполнять или опустошать. Классы WaterTank (емкость для воды) и NutrientTank (для удобрений) наследуют свойства StorageTank, частично переопределяют их и добавляют кое-что свое: например, класс WaterTank вводит новое поведение, связанное с температурой.

1.9 Параллелизм

Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

В объектно-ориентированной системе, использующей принципы и средства параллелизма, потоки управления представляются активными объектами, которые являются инициаторами всех происходящих в системе действий.

Таким образом, объекты делятся на активные (являющиеся своего рода отдельными вычислительными центрами) и пассивные, на которые направленно воздействие активных объектов.

Параллелизм дает возможность объектам действовать одновременно. Есть задачи, в которых автоматические системы должны обрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительной мощности превышает ресурсы одного процессора.

В каждой из таких ситуаций естественно использовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность на многопроцессорном компьютере.

Процесс (поток управления) - это фундаментальная единица действия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления, параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течении всего сеанса работы системы.

Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмов разделения времени.

Кроме этого "аппаратного" различия, мы будем различать "тяжелую" и "легкую" параллельность по потребности в ресурсах.

"Тяжелые" процессы управляются операционной системой независимо от других, и под них выделяется отдельное защищенное адресное пространство.

"Легкие" сосуществуют в одном адресном пространстве. "Тяжелые" процессы общаются друг с другом через операционную систему, что обычно медленно и накладно.

Связь "легких" процессов осуществляется гораздо проще, часто они используют одни и те же данные.

В то время, как объектно-ориентированное программирование основано на абстракции, инкапсуляции и наследовании, параллелизм главное внимание уделяет абстрагированию и синхронизации процессов.

Объект есть понятие, на котором эти две точки зрения сходятся: каждый объект (полученный из абстракции реального мира) может представлять собой отдельный поток управления (абстракцию процесса). Такой объект называется активным. 

Для систем, построенных на основе OOD, мир может быть представлен, как совокупность взаимодействующих объектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительных центров.

Примеры

Ранее мы обзавелись классом ActiveTemperatureSensor, поведение которого предписывает ему периодически измерять температуру и обращаться к известной ему функции вызова, когда температура отклоняется на некоторую величину от установленного значения. Как он будет это делать, мы в тот момент не объяснили. При всех секретах реализации понятно, что это - активный объект и, следовательно, без параллелизма тут не обойтись. В объектно-ориентированном проектировании есть три подхода к параллелизму.

Во-первых, параллелизм - это внутреннее свойство некоторых языков программирования. Так, для языка Ada механизм параллельных процессов реализуется как задача. В Smalltalk есть класс process, которому наследуют все активные объекты. Есть много других языков со встроенными механизмами для параллельного выполнения и синхронизации процессов - Actors, Orient 84/K, ABCL/1, которые предусматривают сходные механизмы параллелизма и синхронизации. Во всех этих языках можно создавать активные объекты, код которых постоянно выполняется параллельно с другими активными объектами.

Во-вторых, можно использовать библиотеку классов, реализующих какую-нибудь разновидность "легкого" параллелизма. Например, библиотека AT&T для C++ содержит классы Shed, Timer, Task и т.д. Ее реализация, естественно, зависит от платформы, хотя интерфейс достаточно хорошо переносим. При этом подходе механизмы параллельного выполнения не встраиваются в язык (и, значит, не влияют на системы без параллельности), но в то же время практически воспринимаются как встроенные.

Наконец, в-третьих, можно создать иллюзию многозадачности с помощью прерываний. Для этого надо кое-что знать об аппаратуре. Например, в нашей реализации класса ActiveTemperatureSensor мы могли бы иметь аппаратный таймер, периодически прерывающий приложение, после чего все датчики измеряли бы температуру и обращались бы, если нужно, к своим функциям вызова.

1.10 Сохраняемость

Любой программный объект существует в памяти и живет во времени. Сохраняемость - это не только проблема сохранения данных.

Сохраняемость - способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Любой объект или данные в программной системе существуют во времени и пространстве (памятиЭВМ).Одни объекты существуют только как промежуточные результаты вычисления выражения, другие могут вообще пережить программу, оставаясь сохраненным и в базе данных. Этот спектр подразделяется на следующие уровни:

• Промежуточные результаты вычислений выражений.

•Локальные переменные и объекты в блоках, а также, при вызове процедур и функций (как правило эти данные существуют на стеке).

•Статические переменные классов, а также, глобальные переменные и объекты в динамической памяти.

• Данные, сохраняемые между сеансами выполнения программы.

• Данные, сохраняемые при переходе на другую версию программы.

• Данные, переживающие программу.

Кроме сохранения объектов во времени,актуальным является вопрос возможности транспортировки (переноса) объектов из одной среды исполнения в другую, возможно находящуюся на удаленном компьютере. Речь идет, прежде всего, о построении распределенных систем.

Для решения этой задачи могут применяться специальные технологии на подобие CORBA, Microsoft COM+, SOAP, Java RMI.

2. Объекты

Способностью к распознанию объектов физического мира человек обладает с самого раннего возраста. Ярко окрашенный мяч привлекает внимание младенца, но, если спрятать мяч, младенец, как правило, не пытается его искать: как только предмет покидает поле зрения, он перестает существовать для младенца.

Объект моделирует часть окружающей действительности и таким образом существует во времени и пространстве.

Термин объект в программном обеспечении впервые был введен в языке Simula и применялся для моделирования реальности.

Объект представляет собой конкретный опознаваемый предмет, единицу или сущность (реальную или абстрактную), имеющую четко определенное функциональное назначение в данной предметной области.

В еще более общем плане объект может быть определен как нечто, имеющее четко очерченные границы.

Существуют такие объекты, для которых определены явные концептуальные границы, но сами объекты представляют собой неосязаемые события или процессы.

Например, химический процесс на заводе можно трактовать как объект, так как он имеет четкую концептуальную границу, взаимодействует с другими объектами посредством упорядоченного и распределенного во времени набора операций и проявляет хорошо определенное поведение.

Объекты могут быть осязаемыми, но иметь размытые физические границы: реки, туман или толпы людей. 

Подобно тому, как взявший в руки молоток начинает видеть во всем окружающем только гвозди, проектировщик с объектно-ориентированным мышлением начинает воспринимать весь мир в виде объектов.

Разумеется, такой взгляд несколько упрощен, так как существуют понятия, явно не являющиеся объектами.

К их числу относятся атрибуты, такие, как время, красота, цвет, эмоции (например, любовь или гнев). Однако, потенциально все перечисленное - это свойства, присущие объектам.

Можно, например, утверждать, что некоторый человек (объект) любит свою жену (другой объект), или что конкретный кот (еще один объект) - серый.

В языках программирования С++, Java и C# однотипные объекты описываются схоже со структурой языка С, элементами которой теперь являются не только объявления данных, представляющих состояние объекта, но и объявления (или описания) функций (методов), определяющих его поведение.

Этот вновь введённый тип, описывающий объекты и отсутствующий в языке С, но появившийся в языках С++, Java и C# называется классом (class). Из класса создаются переменные типа class, называемые объектами. Объект - это ограниченная сущность, характеризующаяся своим состоянием и поведением.

Объект является экземпляром класса. Класс описывает всё множество объектов определённого типа, то есть объектов с таким же состоянием и поведением.

Перед написанием объектно-ориентированной программы необходимо проанализировать решаемую проблему, выделить (осуществить декомпозицию) основные сущности - будущие объекты, объединить эти сущности во множества, каждое из которых представляется своим состоянием и поведением.

Теперь можно представить каждое множество сущностей в видс класса, объявив в нём общие данные и функции, и обеспечить статическую взаимосвязь этих классов.

Функции классов должны обеспечить динамическое создание, использование и уничтожение объектов взаимосвязанных классов. В конечном счёте, объектно-ориентированная программа выполняется как организованная совокупность взаимодействующих объектов.

Объектами можно представить всё, что требуется в программе например, прикладное окно, кнопки и меню в этом окне, таблицы, списки, стеки, графы, изображения и т.д. и т.п.

 Объект - это нечто, имеющее четко определенные границы, но этого недостаточно, чтобы отделить один объект от другого или дать оценку качества абстракции. На основе имеющегося опыта можно дать следующее определение:

Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью; структура и поведение схожих объектов определяет общий для них класс; термины "экземпляр класса" и "объект" взаимозаменяемы.

2.1 Состояние

Состояние объекта характеризуется перечнем (обычно статическим) всех свойств данного объекта и текущими (обычно динамическими) значениями каждого из этих свойств.

К числу свойств объекта относятся присущие ему или приобретаемые им характеристики, черты, качества или способности, делающие данный объект самим собой.

Например, для лифта характерным является то, что он сконструирован для поездок вверх и вниз, а не горизонтально.

Перечень свойств объекта является, как правило, статическим, поскольку эти свойства составляют неизменяемую основу объекта. Мы говорим "как правило", потому что в ряде случаев состав свойств объекта может изменяться.

Примером может служить робот с возможностью самообучения. Робот первоначально может рассматривать некоторое препятствие как статическое, а затем обнаруживает, что это дверь, которую можно открыть. В такой ситуации по мере получения новых знаний изменяется создаваемая роботом концептуальная модель мира.

Все свойства имеют некоторые значения. Эти значения могут быть простыми количественными характеристиками, а могут ссылаться на другой объект.

Состояние лифта может описываться числом 3, означающим номер этажа, на котором лифт в данный момент находится.

Состояние торгового автомата описывается в терминах других объектов, например, имеющихся в наличии напитков.

Конкретные напитки - это самостоятельные объекты, отличные от торгового автомата (их можно пить, а автомат нет, и совершать с ними иные действия).

Тот факт, что всякий объект имеет состояние, означает, что всякий объект занимает определенное пространство (физически или в памяти компьютера).

2.2 Поведение

Объекты не существуют изолированно, а подвергаются воздействию или сами воздействуют на другие объекты.

Поведение - это то, как объект действует и реагирует; поведение выражается в терминах состояния объекта и передачи сообщений.

Иными словами, поведение объекта - это его наблюдаемая и проверяемая извне деятельность.