Добавлен: 31.03.2023
Просмотров: 93
Скачиваний: 2
Ведение
По мере совершенствования вычислительной техники компьютеры стали использоваться для решения все более и более сложных задач. Оказалось, что для решения сложных задач важна не только повышенная вычислительная мощность компьютеров, но и эффективность написания сложных программ. Объектно-ориентированное программирование (ООП) появилось именно как эффективный способ преодоления трудностей, возникающих при создании сложных программ. Наиболее значимой частью ООП является особый подход к решению сложных задач программирования, называемый объектно-ориентированным анализом, а объектно-ориентированные языки программирования — просто удобные инструменты для реализации этого подхода. Концепция объектно-ориентированного программирования подразумевает, что основой управления процессом реализации программы является передача сообщений объектам. Поэтому объекты должны определяться совместно с сообщениями, на которые они должны реагировать при выполнении программы. В этом состоит главное отличие ООП от процедурного программирования, где отдельно определённые структуры данных передаются в процедуры (функции) в качестве параметров. Таким образом, объектно-ориентированная программа состоит из объектов – отдельных фрагментов кода, обрабатывающего данные, которые взаимодействуют друг с другом через определённые интерфейсы.
Объектно-ориентированное программирование позволяет программисту моделировать объекты определённой предметной области путем программирования их содержания и поведения в пределах класса. Конструкция «класс» обеспечивает механизм инкапсуляции для реализации абстрактных типов данных. Инкапсуляция как бы скрывает и подробности внутренней реализации типов, и внешние операции и функции, допустимые для выполнения над объектами этого типа.
1. История Создания ООП
На заре появления вычислительных машин программирование, как область знания, находилось в зачаточном состоянии. Первые программы создавались посредством переключателей на панели компьютера. Очевидно, что такой способ подходил только для небольших программ. Затем программы стали писать на языке машинных команд, а изобретение ассемблера позволило писать уже сравнительно длинные программы.
Следующий шаг был сделан в 1950 году, когда был создан первый язык программирования высокого уровня Фортран. Теперь программисты могли создавать программы длиной до нескольких тысяч строк длиной. Однако язык программирования, легко понимаемый в простых программах, когда дело касалось больших программ, становился нечитаемы. Избавление от таких неструктурированных программ пришло после изобретения в 1960 году языков структурного программирования (Алгол, Паскаль и С). Структурное программирование подразумевает точно обозначенные управляющие структуры, программные блоки отсутствие операторов GOTO, автономные подпрограммы, в которых поддерживается рекурсия и локальные переменные.
С появлением структурного программирования появилась возможность разбиения программы на составляющие ее элементы. Теперь уже один программист был в состоянии создать и поддерживать программу в несколько десятков тысяч строк длиной. Хотя структурное программирование и принесло выдающиеся результаты, даже оно оказалось несостоятельным, когда программа достигала определенной длины.
Чтобы писать более сложную программу, необходим был новый подход к программированию. В итоге были разработаны принципы объектно-ориентированного программирования, которое аккумулировало лучшие идеи, воплощенные в структурном программировании, в сочетании с мощными новыми концепциями, позволяющими оптимально организовать программы. ООП позволяет разложить проблему на связанные между собой задачи. Каждая проблема становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, которые относятся к этому объекту. В этом случае исходная задача в целом упрощается, и программист получает возможность оперировать с гораздо большими по объему программами.
Первым компьютерным решением, воплотившим в себе объектный подход, стал программно-аппаратный графический Планшет (Sketchpad: A Man-machine Graphical Communications System), использовавший оборудование DEC PDP. Его в 1963 г. разработал 25-летний Иван Сазерленд, помогавший в создании симуляторов вертолетов военному научному агентству DARPA, а затем занявшийся в Массачусетском технологическом институте докторской диссертацией. С помощью светового пера и системы выпадающих меню пользователь Планшета мог рисовать различные несложные изображения на аналоговом дисплее, перемещать их и точно располагать в определенных позициях экрана, а также хранить. В качестве понятия класса Сазерленд использовал определение "мастер", разделяя описание и реально существующий на экране объект (экземпляр "мастера").
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 языкаов 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. Он привлек к сотрудничеству Оле Джохана Дала, коллегу по экспериментальной группе Министерства обороны Норвегии, которую возглавлял Йан Гэрвик, основатель информатики в этой стране.
Особенностью Simula было то, что программа, написанная на языке, была организована по объектам программирования. Объекты имели инструкции, называемые методами, и данные, которые назывались переменными; методы и данные определяли поведение объекта. В процессе моделирования объект вел себя согласно своему стандартному поведению и, в случае необходимости, изменял данные для отражения влияния назначенного ему действия.
Сегодня существует достаточное количество объектно-ориентированных языков программирования, наиболее популярными из которых в настоящее время являются C++, Delphi, Java, Visual Basic, Flash. Но, кроме того, многие языки, которые принято причислять к процедурной парадигме, тоже обладают свойствами ООП, имея возможность работать с объектами. Так, объектно-ориентированное программирование в C — это большой раздел программирования на данном языке, то же самое касается ООП в python и многих других структурных языках. Говоря об ООП, часто всплывает еще одно определение — визуальное программирование. Оно дополнительно предоставляет широкие возможности использования прототипов объектов, которые определяются как классы объектов. Во многих средах визуального программирования реализована характеристика (помимо инкапсуляции, полиморфизма и наследования) объекта – событие. Событиями в объектно-ориентированном программировании называется возможность обработки так называемых сообщений (или событий), получаемых от операционной системы Windows или самой программы. Данный принцип характерен для всех компонентов среды, которые обрабатывают различные события, возникающие в процессе выполнения программы. По сути, событие — это некоторое действие, которое активизирует стандартную реакцию объекта. Событием может рассматриваться, например, щелчок по кнопке мыши, наведение курсора мыши на пункт меню, открытие вкладки и т.п. Очередность выполнения тех или иных действий определяется как раз-таки событиями, возникающими в системе, и реакцией на них объектов.
2. Особенности ООП
Основная идея ООП заключается в том, что следует создавать программные структуры, поведение и взаимодействие которых имитирует поведение и взаимодействие объектов реального мира (т.е. в программе как бы создаются виртуальные аналоги реальных сущностей). Объектно-ориентированные языки программирования должны предоставлять средства для удобного и быстрого воплощения этого подхода. В обыденной жизни люди используют (пусть даже неосознанно) различные приемы “экономии мышления”, позволяющие осмысливать и выражать сложные явления в простых понятиях. Типичными приемами “экономии мышления” являются: · абстрагирование (отбрасывание несущественных деталей);
· обобщение (выделение общих существенных признаков у разных явлений или предметов);
· классификация (осознание связи между явлениями и степени их схожести). Эти простые приемы помогают человеку справиться со сложностью рассматриваемых явлений. И объектно-ориентированные языки программирования также должны предоставлять подобные средства для “борьбы со сложностью” программ. Для реализации объектно-ориентированного подхода в языки программирования вводятся новые понятия:
· объекты — особые программные структуры, объединяющие данные и алгоритмы их обработки;
· инкапсуляция — сокрытие подробностей функционирования объектов;
· наследование — “сокращенный” способ создания новых классов;
· полиморфизм — возможность применения нескольких реализаций одной функции.
3. Объект в ООП
Понятию “объект” сопоставляют ряд дополняющих друг друга определений. Ниже приведены некоторые из них.
Объект - это осязаемая реальность, характеризующаяся четко определяемым поведением.
Объект - особый опознаваемый предмет, блок или сущность (реальная или абстрактная), имеющая важное функциональное назначение в данной предметной области.
Объект может быть охарактеризован структурой, его состоянием, поведением и индивидуальностью. Состояние объекта определяется перечнем всех возможных (обычно статических) свойств и текущими значениями (обычно динамическими) каждого из этих свойств. Свойства объекта характеризуются значениями его параметров. Поведение объекта описывает, как объект воздействует на другие объекты или как он подвергается воздействию со стороны других объектов с точки зрения изменения его собственного состояния и состояния других объектов. Говорят, также, что поведение объекта определяется его действиями. Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называют операцией. В объектно-ориентированных языках программирования операции называют методами.
Можно выделить пять типов операций:
- конструктор, создание и инициализация объекта;
- деструктор, разрушающий объект;
- модификатор, изменяющий состояние объекта;
- селектор для доступа к переменным объекта без их изменения;
- итератор для доступа к содержанию объекта по частям в определенной последовательности.
Известна и другая классификация методов объекта, когда выделяют функции управления, реализации, доступа и вспомогательные функции.
Под индивидуальностью объекта понимают свойство объекта, позволяющее отличать этот объект от всех других объектов.
Объекты могут находиться в определенных отношениях друг к другу. Эти отношения могут быть иерархическими. Основные иерархические отношения - это отношения использования и включения. Отношение использования реализуется посылкой сообщений от объекта A к объекту B. При этом объект A может выступать в роли:
- активного или воздействующего объекта, когда он воздействует на другие объекты, но сам воздействию не подвергается;
- пассивного или исполняющего, когда объект подвергается воздействию, но сам на другие объекты не воздействует;
- посредника, если объект и воздействует и сам подвергается воздействию.
Отношение включения имеет место, когда составной объект содержит другие объекты.
3.1. Инкапсуляция
Объекты моделируют характеристики и поведение элементов мира, в котором мы живем. Они являются окончательной абстракцией данных.
Объекты содержат вместе все свои характеристики и особенности поведения. Отношения частей к целому и взаимоотношения между частями становятся понятнее тогда, когда все содержится вместе в одной упаковке. Это и называется инкапсуляцией.
3.2. Наследование как важнейшее свойство объекта
Не менее важным является и тот факт, что объекты могут наследовать характеристики и поведение того, что мы называем порождающие, родительские объекты (или предки). Здесь происходит качественный скачок: наследование, возможно, является сегодня единственным самым крупным различием между обычным программированием на Паскале и объектно-ориентированным программированием в Borland Pascal.
В терминах Паскаля, объект во многом схож с записью, которая является оболочкой для объединения нескольких связанных элементов под одним именем.
Процесс, с помощью которого один тип наследует характеристики другого типа, называется наследованием. Наследник называется порожденным (дочерним) типом, а тип, которому наследует дочерний тип, называется порождающим (родительским) типом. Ранее известные типы записей Паскаля не могут наследовать. Однако Borland Pascal расширяет язык Паскаля для поддержки наследования. Одним из этих расширений является новая категория структуры данных, связанная с записями, но значительно более мощная. Типы данных в этой новой категории определяются с помощью нового зарезервированного слова object. Тип объекта может быть определен как полный, самостоятельный тип в манере описания записей Паскаля, но он может определяться и как потомок существующего типа объекта путем помещения порождающего (родительского) типа в скобки после зарезервированного слова object.