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

Иерархия – это упорядочение абстракций, расположение их по уровням. Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются иерархии типа "является" и иерархии типа "имеет".

Иерархия "является" подразумевает, что элемент, стоящий на нижнем уровне абстракции, является разновидностью элемента, стоящего на верхнем уровне.

Например, лазерный принтер является разновидностью принтеров (лазерный принтер является принтером), принтер Хьюлет-Паккард 6L является разновидностью лазерных принтеров (принтер Хьюлет-Паккард 6L является лазерным принтером). Понятие "принтер" обобщает свойства, присущие всем принтерам, а лазерный принтер – это просто особый тип принтера со свойствами, которые отличают его, например, от матричного или струйного принтера.

Важный элемент объектно-ориентированных систем и основной вид иерархии "является" – иерархия обобщения (наследования) (отношение родитель-потомок).

Обобщение означает такое отношение между абстракциями, когда абстракция-потомок заимствует структурную или функциональную часть одной или нескольких абстракций-родителей. Если абстракция-потомок заимствует часть одной абстракции-родителя, то говорят об одиночном наследовании. Если же потомок заимствует часть нескольких родителей, то говорят о множественном наследовании. Часто потомок достраивает или переписывает компоненты родителя.

В наследственной иерархии общая часть структуры и поведения сосредоточена в наиболее общей абстракции. Потомок представляет собой специализированный частный случай своего предка. По этой причине говорят о наследовании как об иерархии обобщение-специализация. Таким образом, абстракция, стоящая на верхнем уровне, является обобщением для нижестоящей, а нижестоящая – специализацией вышестоящей.

Принцип наследования позволяет упростить выражение абстракций, делает проект менее громоздким и более выразительным. В отсутствие наследования каждая часть сложной системы становится самостоятельным блоком и должна разрабатываться "с нуля". Абстракции лишаются общности, поскольку каждый программист реализует их по-своему. Стройность системы достигается тогда только за счет дисциплинированности программистов.

С другой стороны, принципы иерархичности, инкапсуляции и абстрагирования находятся между собой в некоем здоровом конфликте. Абстрагирование данных создает непрозрачный барьер, скрывающий состояние и функции объекта; принцип наследования требует открыть доступ и к состоянию, и к функциям объекта для производных объектов.

Пример. Одиночное наследование. Вернемся к иерархии "принтер – лазерный принтер" (лазерный принтер является разновидностью принтеров).

Абстракция "лазерный принтер" строится на основе родительской абстракции "принтер". "Лазерный принтер" наследует от "принтера" свойства, определяющие все принтера. Кроме того, лазерный принтер имеет структурные и функциональные части, реализующие свойства, которые характерны именно для лазерных принтеров.

Пример. Множественное наследование. Введем абстракции "временный работник" и "секретарь". Секретарь может быть постоянным работником или временным. В последнем случае абстракция "временно работающий секретарь" наследует компоненты обеих абстракций. Временно работающий секретарь выполняет обязанности секретаря и имеет правовой статус временного работника.

Множественным наследованием часто злоупотребляют. Например, сладкая вата – это частный случай сладости, но никак не ваты. Следует применять ту же "лакмусовую бумажку": если В не есть А, то ему не стоит наследовать от А^[9].

Иерархия "имеет" вводит отношение агрегации (целое/часть). В иерархии "имеет" некоторая абстракция находится на более высоком уровне, чем любая из использованных при ее реализации.

Агрегация есть во всех языках, использующих структуры или записи, состоящие из разнотипных данных. Но в объектно-ориентированном программировании она обретает новую мощь: агрегация позволяет физически сгруппировать логически связанные структуры, а наследование с легкостью копирует эти общие группы в различные абстракции.

Пример. Компьютер имеет системный блок (системный блок является частью компьютера). Системный блок компьютера одновременно имеет (агрегирует) материнскую плату, платы оперативной памяти, центральный процессор и множество других компонент. Заметим, что от замены процессора на более мощный, от добавления нескольких плат оперативной памяти или второго жесткого диска системный блок не становится другим системным блоком. Если же мы разбираем системный блок, мы уничтожает его как объект, однако его компоненты остаются и могут быть использованы в других системных блоках. Другими словами, системный блок и его компоненты имеют свои отдельные и независимые сроки жизни.

2.5. Типизация

Типизация – это способ защититься от использования объектов одного класса (типа) вместо другого, или, по крайней мере, управлять таким использованием.

Идея согласования типов занимает в понятии типизации центральное место. Возьмем, к примеру, физические единицы измерения. Разделив расстояние на время, мы ожидаем получить скорость, а не вес. В умножении температуры на силу смысла нет, а в умножении расстояния на силу есть. Все это примеры сильной типизации, когда прикладная область диктует правила и ограничения на использование и сочетание абстракций.

Важным понятием объектно-ориентированного подхода в целом является полиморфизм.

Полиморфизм – это способ присваивать различные значения (смыслы) одному и тому же сообщению. Смысл зависит от типа обрабатываемых данных.

Имеется несколько типов полиморфизма.

Принудительное приведение. Функция или оператор работает с несколькими различными типами, преобразуя их значения к требуемому типу.

Перегрузка. Функция или оператор вызывается на основе сигнатуры.

Если в описание класса ввести определение функции-члена с именем типа "operator оператор", то это означает, что данный оператор может быть применен к объектам или объекту данного класса, так же как и к переменным стандартных типов. При этом тело данной функции определяет смысл оператора.

Есть другие типы полиморфизма – включение и параметрический полиморфизм. Для осуществления явных преобразований переменных одного типа к другому типу имеются специальные операторы приведения.

2.6. Параллелизм

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, в параллельной системе таких потоков много.

Век одних потоков недолог, а другие живут в течение всего сеанса работы системы.

Параллелизм главное внимание уделяет абстрагированию и синхронизации процессов.

Объект, полученный из абстракции реального мира, может представлять собой отдельный поток управления (т.е. абстракцию процесса). Такой объект называется активным.

Для систем, построенных на основе объектно-ориентированного проектирования, мир может быть представлен как совокупность взаимодействующих объектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительных центров. На этой основе дадим следующее определение параллелизма.

Параллелизм – это свойство, отличающее активные объекты от неактивных.

2.7. Сохраняемость

Любой программный объект существует в памяти и живет во времени.

Существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения. Но есть и такие (например, как базы данных), которые существуют независимо от программы. Временной спектр сохраняемости объектов охватывает: промежуточные результаты вычисления выражений; локальные переменные в вызове процедур; глобальные переменные и динамически создаваемые данные; данные, сохраняющиеся между сеансами выполнения программы; данные, сохраняемые при переходе на новую версию программы; данные, которые вообще переживают программу.

По традиции, первыми тремя уровнями занимаются языки программирования, а последними – базы данных. Языки программирования, как правило, не поддерживают понятия сохраняемости. Можно записывать объекты в неструктурированные файлы, но этот подход пригоден только для небольших систем. Как правило, сохраняемость достигается применением специальных объектно-ориентированных баз данных.

В большинстве систем объектам при их создании отводится место в памяти, которое не изменяется и в котором объект находится всю свою жизнь. Однако иногда необходимо обеспечивать возможность перемещения объектов в пространстве так, чтобы их можно было переносить с машины на машину и изменять форму представления объекта в памяти. Это касается систем, распределенных в пространстве.

Итак, сохраняемость – это способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

3. ОБЪЕКТЫ

Объект можно определить как осязаемую реальность, проявляющую четко наблюдаемое поведение. Объект моделирует часть окружающей действительности и таким образом существует во времени и пространстве. Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью; структура и поведение схожих объектов определяет общий для них класс; термины "экземпляр класса" и "объект" взаимозаменяемы.

3.1. Состояние

Пример^[10]. Рассмотрим торговый автомат, продающий напитки. Поведение такого объекта состоит в том, что после опускания в него монеты и нажатия кнопки автомат выдает выбранный напиток. Предположим, что сначала нажата кнопка выбора напитка, а потом уже опущена монета. Большинство автоматов при этом просто ничего не сделают, так как пользователь нарушил их основные правила. То есть автомат играл роль (ожидание монеты), которую пользователь игнорировал, нажав сначала кнопку. Предположим далее, что пользователь автомата не обратил внимание на предупреждающий сигнал "Бросьте столько мелочи, сколько стоит напиток" и опустил в автомат лишнюю монету. В большинстве случаев автоматы не дружественны к пользователю и заглатывают все деньги.

В каждой из таких ситуаций поведение объекта определяется его историей: важна последовательность совершаемых над объектом действий. Такая зависимость поведения от событий и от времени объясняется тем, что у объекта есть внутреннее состояние. Для торгового автомата, например, состояние определяется суммой денег, опущенных до нажатия кнопки выбора. Другая важная информация – это набор воспринимаемых монет и запас напитков.

Итак, состояние объекта характеризуется перечнем (обычно неизменным) всех свойств данного объекта и текущими (обычно изменяющимися) значениями каждого из этих свойств. В число свойств входят атрибуты объекта и атрибуты всех его агрегированных частей.

Одним из свойств торгового автомата является способность принимать монеты. Это статическое (фиксированное) свойство, в том смысле, что оно – существенная характеристика торгового автомата. С другой стороны, этому свойству соответствует динамическое значение, характеризующее количество принятых монет. Сумма увеличивается по мере опускания монет в автомат и уменьшается, когда продавец забирает деньги из автомата.

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.

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.

3.2. 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. Поведение объекта – это его наблюдаемая и проверяемая извне деятельность.

Операция – это услуга, которую можно запросить у любого объекта класса для воздействия на его поведение.