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

Введение

Целью курсовой работы является изучение совокупность задач не столько связана с написанием кода, сколько с общим анализом требований к будущей программе, а также с анализом конкретной предметной области, для которой разрабатывается программа.

Все эти обстоятельства привели к появлению специальной методологии, получившей название методологии объектно-ориентированного анализа и проектирования (ООАП).

Развитие программной индустрии привело к созданию методов объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования, которые служат для программирования "в большом".

В программировании существует несколько парадигм, ориентированных на процедуры, объекты, логику, правила и ограничения.

Абстракция определяет существенные характеристики некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, абстракция четко очерчивает концептуальную границу объекта с точки зрения наблюдателя.

Инкапсуляция - это процесс разделения устройства и поведения объекта; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации. Модульность - это состояние системы, разложенной на внутренне связные и слабо связанные между собой модули.

Иерархия - это ранжирование или упорядочение абстракций.

Типизация - это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайней мере способ управлять такой подменой.

Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Сохраняемость - способность объекта существовать во времени и (или) в пространстве.

Сам курс объектно- ориентированного программирования построен по следующей схеме: в начале рассматриваются теоретические основы объектной модели, включая эволюцию, основные принципы и рассмотрение природы классов и объектов; далее следует изучение основных инструментальных средств ООП языка программирования С++; изучение инструментальных средств ООП языка программирования Java.

1. Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование - это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

Объектно-ориентированное программирование - это способ программирования, обеспечивающий модульность программ за счет разделения памяти на области, содержащие данные и процедуры. Области могут использоваться в качестве образцов, с которых по требованию могут делаться копии.

В данном определении можно выделить три части: 1) OOP использует в качестве базовых элементов объекты, а не алгоритмы (иерархия "быть частью", которая была определена в главе 1); 2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенного класса; 3) классы организованы иерархически.

Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. В частности, программирование, не основанное на иерархических отношениях, не относится к OOP, а называется программированием на основе абстрактных типов данных.

В соответствии с этим определением не все языки программирования являются объектно-ориентированными.

Карделли и Вегнер говорят, что: "язык программирования является объектно-ориентированным тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

- Поддерживаются объекты, то есть абстракции данных, имеющие интерфейс в виде именованных операций и собственные данные, с ограничением доступа к ним.

- Объекты относятся к соответствующим типам (классам).

- Типы (классы) могут наследовать атрибуты супертипов, поддержка наследования в таких языках означает возможность установления отношения "is-a" ("есть", "это есть", " - это"), например, красная роза - это цветок, а цветок - это растение. Языки, не имеющие таких механизмов, нельзя отнести к объектно-ориентированным.

Карделли и Вегнер назвали такие языки объектными, но не объектно-ориентированными. 

В большинстве ОО систем имеются два разных типа объектов: классы и экземпляры. Классы могут быть логически связаны друг с другом. При этом один из них называется подклассом, а другой суперклассом.

В целом, суперкласс - это более абстрактный класс, а подкласс более конкретный. Так, например, мы можем создать класс мебель, а затем класс шкаф как подкласс класса мебель и книжный шкаф как подкласс класса шкаф. В этом примере класс мебель будет суперклассом для класса шкаф, а шкаф - суперклассом для класса книжный шкаф.

1.1 История и развитие

Основоположниками объектного подхода в программировании считаются норвежцы Оле Джохан Дал и Кристен Нюгорт, авторы языка Симула.

В 1952 г. Нюгорт решил заняться моделированием крупных и сложных систем реального мира, в 1957-м получил возможность компьютерной реализации своих замыслов на машине Ferranti MERCURY, но быстро осознал ограниченность машинных языков и Фортрана.

История Симулы началась в 1962 г. с проекта Simulation Language, предназначенного для программного моделирования метода Монте-Карло.

Нюгорт, занимавший в то время должность директора по науке Норвежского компьютерного центра (NCC), приступил к созданию языка дискретного моделирования в результате прародителем Симулы стал Алгол 60.

Последний был выбран благодаря блочной архитектуре, хорошим средствам сокрытия данных, а также вследствие высокой популярности в европейских научных центрах.

В язык вошли новые средства моделирования и имитации мультипроцессной работы. Авторы также придумали термины "класс" и "объект".

Тогда же возникла и технология наследования - создатели Симулы ввели в язык возможность использования разными классами.

Новая версия языка была закончена в январе 1967-го. Он поддерживал проектирование "сверху вниз" с помощью виртуальных процедур и технологии статического и динамического связывания.

В NCC была сформирована рабочая группа Simula Standards Group. общих свойств путем указания названия класса в виде префикса.

Позже Кей перешел в Стэнфордскую лабораторию по искусственному интеллекту, а в 1972 г. устроился на работу в хорошо известный научный центр Xerox PARC, где и воплотил эти идеи в новом объектном языке SmallTalk, первоначально названном им Biological System и смоделированном на Бейсике, а затем реализованном на ассемблере.

В процессе этой деятельности он предложил знаменитый термин "объектно-ориентированное программирование" (ООП). Заложенные в SmallTalk идеи ООП и по сей день остались непревзойденными ни в каких других языках и системах.

1.2 Объектная модель

Каждый стиль программирования имеет свою концептуальную базу. Каждый стиль требует своего умонастроения и способа восприятия решаемой задачи.

Для объектно-ориентированного стиля концептуальная база - это объектная модель. Она имеет четыре главных элемента:

- абстрагирование;

- инкапсуляция;

- модульность;

- иерархия.

Эти элементы являются главными в том смысле, что без любого из них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, имеются еще три дополнительных элемента:

- типизация;

- параллелизм;

- сохраняемость.

Называя их дополнительными, мы имеем в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательны.

1.3 Абстрагирование

Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач.

Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности поведения от несущественных.

Клиентом называется любой объект, использующий ресурсы другого объекта (называемого сервером). Мы будем характеризовать поведение объекта услугами, которые он оказывает другим объектам, и операциями, которые он выполняет над другими объектами.

Такой подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и приводит к идее, которую Мейер назвал контрактной моделью программирования: внешнее проявление объекта рассматривается с точки зрения его контракта с другими объектами, в соответствии с этим должно быть выполнено и его внутреннее устройство (часто во взаимодействии с другими объектами). Центральной идеей абстракции является понятие инварианта. 

Инвариант - это некоторое логическое условие, значение которого (истина или ложь) должно сохраняться.

Для каждой операции объекта можно задать предусловия (инварианты предполагаемые операцией) и постусловия (инварианты, которым удовлетворяет операция).

Изменение инварианта нарушает контракт, связанный с абстракцией. В частности, если нарушено предусловие, то клиент не соблюдает свои обязательства и сервер не может выполнить свою задачу правильно.

Если же нарушено постусловие, то свои обязательства нарушил сервер, и клиент не может более ему доверять. В случае нарушения какого-либо условия возбуждается исключительная ситуация.

Примеры

В тепличном хозяйстве, использующем гидропонику, растения выращиваются на питательном растворе без песка, гравия или другой почвы.

Управление режимом работы парниковой установки - очень ответственное дело, зависящее как от вида выращиваемых культур, так и от стадии выращивания. Нужно контролировать целый ряд факторов: температуру, влажность, освещение, кислотность (показатель рН) и концентрацию питательных веществ.

В больших хозяйствах для решения этой задачи часто используют автоматические системы, которые контролируют и регулируют указанные факторы. Попросту говоря, цель автоматизации состоит здесь в том, чтобы при минимальном вмешательстве человека добиться соблюдения режима выращивания.

Одна из ключевых абстракций в такой задаче - датчик. Известно несколько разновидностей датчиков. Все, что влияет на урожай, должно быть измерено, так что мы должны иметь датчики температуры воды и воздуха, влажности, рН, освещения и концентрации питательных веществ.

С внешней точки зрения датчик температуры - это объект, который способен измерять температуру там, где он расположен.

Что такое температура? Это числовой параметр, имеющий ограниченный диапазон значений и определенную точность, означающий число градусов по Фаренгейту, Цельсию или Кельвину.

Что такое местоположение датчика? Это некоторое идентифицируемое место в теплице, температуру в котором нам необходимо знать; таких мест, вероятно, немного. Для датчика температуры существенно не столько само местоположение, сколько тот факт, что данный датчик расположен именно в данном месте и это отличает его от других датчиков.

Теперь можно задать вопрос о том, каковы обязанности датчика температуры? Мы решаем, что датчик должен знать температуру в своем местонахождении и сообщать ее по запросу.

Какие же действия может выполнять по отношению к датчику клиент? Мы принимаем решение о том, что клиент может калибровать датчик и получать от него значение текущей температуры.

Итак, вот описания, задающие абстрактный датчик температуры на C++.

//Температура по Фаренгейту 
typedef float Temperature;

// Число, однозначно определяющее положение датчика 
typedef unsigned int Location;

class TemperatureSensor {

public:

TemperatureSensor (Location);

~TemperatureSensor();

void calibrate(Temperature actualTemperature);

Temperature currentTemperature() const;

private: 
... 
};

1.4 Инкапсуляция

Инкапсуляция характеризует сокрытие отдельных деталей внутреннего устройства классов от внешних по отношению к нему объектов или пользователей.

Действительно, взаимодействующему с классом субъекту или клиенту нет необходимости знать, каким образом реализован тот или иной метод класса, услугами которого он решил воспользоваться.

Конкретная реализация присущих классу свойств и методов, которые определяют поведение этого класса, является собственным делом данного класса. Более того, отдельные свойства и методы класса вообще могут быть невидимы за пределами этого класса, что является базовой идеей введения различных категорий видимости для компонентов класса.