Файл: Проектирование диаграммы классов «Склад».pdf

Введение

Центральное место в объектно-ориентированном программировании занимает разработка логической модели системы в виде диаграммы классов. Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов может отражать, в частности, различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывать их внутреннюю структуру и типы отношений.

Диаграмма классов представляет собой граф, вершинами которого являются элементы типа «классификатор», связанные различными типами структурных отношений. Диаграмма классов может также содержать интерфейсы, пакеты, отношения и даже отдельные экземпляры, такие как объекты и связи.

Целью данной курсовой работы является изучение основ объектно-ориентированного программирования, языка графического описания UML и отражение с помощью него общего вида диаграммы исследуемой сущности.

ГЛАВА 1 ОСНОВЫ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1.1. Объектно-ориентированное программирование.

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

Идеологически ООП — подход к программированию как к моделированию информационных объектов, решающий на новом уровне основную задачу структурного программирования: структурирование информации с точки зрения управляемости, что существенно улучшает управляемость самим процессом моделирования, что в свою очередь особенно важно при реализации крупных проектов. Управляемость для иерархических систем предполагает минимизацию избыточности данных (аналогичную нормализации) и их целостность, поэтому созданное удобно управляемым — будет и удобно пониматься. Таким образом через тактическую задачу управляемости решается стратегическая задача — транслировать понимание задачи программистом в наиболее удобную для дальнейшего использования форму.

Основные принципы структурирования в случае ООП связаны с различными аспектами базового понимания предметной задачи, которое требуется для оптимального управления соответствующей моделью:

- абстрагирование для выделения в моделируемом предмете важного для решения конкретной задачи по предмету, в конечном счете — контекстное понимание предмета, формализуемое в виде класса;

- инкапсуляция для быстрой и безопасной организации собственно иерархической управляемости: чтобы было достаточно простой команды «что делать», без одновременного уточнения как именно делать, так как это уже другой уровень управления;

- наследование для быстрой и безопасной организации родственных понятий: чтобы было достаточно на каждом иерархическом шаге учитывать только изменения, не дублируя все остальное, учтенное на предыдущих шагах;

- полиморфизм для определения точки, в которой единое управление лучше распараллелить или наоборот — собрать воедино.

То есть фактически речь идет о прогрессирующей организации информации согласно первичным семантическим критериям: «важное/неважное», «ключевое/подробности», «родительское/дочернее», «единое/множественное». Прогрессирование, в частности, на последнем этапе дает возможность перехода на следующий уровень детализации, что замыкает общий процесс.

Обычный человеческий язык в целом отражает идеологию ООП, начиная с инкапсуляции представления о предмете в виде его имени и заканчивая полиморфизмом использования слова в переносном смысле, что в итоге развивает выражение представления через имя предмета до полноценного понятия-класса.

Основные понятия ООП

Различают следующие основные понятия ООП:

• Класс;
• Объект;
• Абстракция данных;
• Инкапсуляция;
• Полиморфизм;
• Наследование.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Класс — универсальный, комплексный тип данных, состоящий из тематически единого набора «полей» (переменных более элементарных типов) и «методов» (функций для работы с этими полями), то есть он является моделью информационной сущности с внутренним и внешним интерфейсами для оперирования своим содержимым (значениями полей). В частности, в классах широко используются специальные блоки из одного или чаще двух спаренных методов, отвечающих за элементарные операции с определенным полем (интерфейс присваивания и считывания значения), которые имитируют непосредственный доступ к полю. Эти блоки называются «свойствами» и почти совпадают по конкретному имени со своим полем (например, имя поля может начинаться со строчной, а имя свойства — с заглавной буквы). Другим проявлением интерфейсной природы класса является то, что при копировании соответствующей переменной через присваивание, копируется только интерфейс, но не сами данные, то есть класс — ссылочный тип данных. Переменная-объект, относящаяся к заданному классом типу, называется экземпляром этого класса. При этом в некоторых исполняющих системах класс также может представляться некоторым объектом при выполнении программы посредством динамической идентификации типа данных. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы обеспечить отвечающие природе объекта и решаемой задаче целостность данных объекта, а также удобный и простой интерфейс. В свою очередь, целостность предметной области объектов и их интерфейсов, а также удобство их проектирования, обеспечивается наследованием.

Объект - это экземпляр класса. Один класс в общем случае может иметь произвольное число экземпляров - конкретных реализаций. В большинстве случаев именно конкретными реализациями и оперирует программист во время своей работы. Поясним сказанное на примере. Рассмотрим класс computer - абстракцию Компьютер. К свойствам класса могут быть отнесены модель, габариты, характеристики, количество PCI слотов и так далее. К методам – включение, выключение, перезагрузка.

Абстракция данных

Абстрагирование означает выделение значимой информации и исключение из рассмотрения незначимой. В ООП рассматривают лишь абстракцию данных (нередко называя её просто «абстракцией»), подразумевая набор значимых характеристик объекта, доступный остальной программе.

Инкапсуляция — свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе. Одни языки (например, С++, Java или Ruby) отождествляют инкапсуляцию с сокрытием, но другие (Smalltalk, Eiffel, OCaml) различают эти понятия.

Под сокрытием понимается способ, позволяющий ограничивать доступ к компонентам программной системы. Общее правило таково: если компоненту нет необходимости знать что-либо о внутреннем устройстве другого элемента, то он не должен этого знать. Поля и методы, доступ к которым не требуется другой сущности для работы, должны быть скрыты от нее. Основной целью инкапсуляции является достижение согласованного состояния элементов. Запрет доступа к определенным членам класса позволяет контролировать изменения и прогнозировать результат некоторых действий.

Наследование — свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс — потомком, наследником, дочерним или производным классом.

Например, бытовая техника имеет общие признаки: габариты, характеристики, производитель и так далее. А стиральная машина имеет свои признаки: класс потребления электроэнергии, класс шума и т.д. Он в то же время относится к бытовой техники и имеет те же характеристики.

Бытовая техника

Стиральная машина

Габариты

Производитель

Характеристики

Класс потребления электроэнергии

Класс шума

Множественное наследование

При множественном наследовании, у класса может быть более одного предка. В этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого подхода в большей гибкости.

Множественное наследование реализовано в «C++». Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить «Python» и «Eiffel». Множественное наследование поддерживается в языке «UML».

Множественное наследование — потенциальный источник ошибок, которые могут возникнуть из-за наличия одинаковых имён методов в предках. В языках, которые позиционируются как наследники «C++» («Java», «C#» и другие), от множественного наследования было решено отказаться в пользу интерфейсов. Практически всегда можно обойтись без использования данного механизма. Однако, если такая необходимость всё-таки возникла, то для разрешения конфликтов использования наследованных методов с одинаковыми именами возможно, например, применить операцию расширения видимости — «::» — для вызова конкретного метода конкретного родителя.

Попытка решения проблемы наличия одинаковых имён методов в предках была предпринята в языке «Eiffel», в котором при описании нового класса необходимо явно указывать импортируемые члены каждого из наследуемых классов и их именование в дочернем классе.

Большинство современных объектно-ориентированных языков программирования («C#», «Java», «Delphi» и другие) поддерживают возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм позволяет во многом заменить множественное наследование — методы интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при наследовании функциональности одинаковых методов различных классов-предков.

Полиморфизм - свойство системы, позволяющее использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта. Так же существуют и другие определения:

• Полиморфизм в программировании - это способность предоставлять один и тот же интерфейс для различных базовых форм (типов данных);
• Полиморфизм - возможность объектов иметь различную реализацию;
• «один интерфейс - много реализаций»;
• Полиморфизм - положение теории типов;
• Абстракция невозможна без инкапсуляции и наследования, как невозможен полиморфизм без наследования.

Одним из основных механизмов, лежащих в основе полиморфизма, выступает динамическое связывание. В процедурных языках тело функции связывается с местом ее вызова на этапе компиляции. Такой подход получил название статического (или раннего) связывания. В объектных языках же возможна ситуация, кода указатель на экземпляр класса А на самом деле связан с экземпляром класса В (при этом В является наследником А). Вызов перегруженного метода через указатель должен повлечь работу метода из В, однако компилятору это не известно. Решением проблемы является динамическое (или позднее) связывание, то есть привязка тела метода к месту вызова непосредственно во время выполнения.

Наиболее популярным способом организации динамического связывания является аппарат виртуальных функций. Виртуальным называется метод класса, который может быть переопределен в потомке таким образом, что конкретная реализация будет выбираться во время выполнения. Технически работа с виртуальными функциями осуществляется через наше восприятие объекта, то параметрические полиморфизм влияет на используемые методы, так как можно создавать методы родственных классов, откладывая объявление типов до времени выполнения. Для избежания написания отдельного метода каждого типа применяется параметрический полиморфизм, при этом тип параметров будет являться таким же параметром, как и операнды.

Параметрические типы. Вместо того, чтобы писать класс для каждого конкретного типа следует создать типы, которые будут реализованы во время выполнения программы, то есть мы создаем параметрический тип. Полиморфизм переопределения. Абстрактные методы часто относятся к отложенным методам. Класс, в котором определен этот метод может вызвать метод и полиморфизм обеспечивает вызов подходящей версии отложенного метода в дочерних классах. Специальный полиморфизм допускает специальную реализацию для данных каждого типа. Полиморфизм-перегрузка - это частный случай полиморфизма. С помощью перегрузки одно и то же имя может обозначать различные методы, причем методы могут различаться количеством и типом параметров, то есть не зависят от своих аргументов. Метод может не ограничиваться специфическими типами параметров многих различных типов.

Специальные таблицы. Каждый объект, имеющий хотя бы одну виртуальную функцию, хранит указатель на таблицу своего класса, с помощью которой вычисляется адрес расположения необходимой реализации метода в памяти. Остается добавить, что использование виртуальных функций актуально не для всех языков программирования.

Формы полиморфизма

Используя Параметрический полиморфизм можно создавать универсальные базовые типы. В случае параметрического полиморфизма, функция реализуется для всех типов одинаково и таким образом функция реализована для произвольного типа. В параметрическом полиморфизме рассматриваются параметрические методы и типы.

Язык графического описания UML

Язык UML представляет собой общецелевой язык визуального моделирования, который разработан для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем. Язык UML одновременно является простым и мощным средством моделирования, который может быть эффективно использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем самого различного целевого назначения.