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

В чисто объектно-ориентированном языке принято говорить о передаче сообщений между объектами. В C++ мы говорим, что один объект вызывает функцию-член другого. В основном понятие сообщение совпадает с понятием операции над объектами^[11].

Передача сообщений – это один уровень, задающий поведение. Из определения следует, что состояние объекта также влияет на его поведение.

Рассмотрим торговый автомат. Мы можем сделать выбор, но поведение автомата будет зависеть от его состояния. Если мы не опустили в него достаточную сумму, скорее всего ничего не произойдет. Если же денег достаточно, автомат выдаст нам желаемое (и тем самым изменит свое состояние).

Некоторые операции изменяют состояние. В связи с вышесказанным можно заключить, что состояние объекта представляет суммарный результат его поведения.

Операция – это услуга, которую класс может предоставить своим клиентам. На практике типичный клиент совершает над объектами операции следующих видов:

– модификатор – это операция, которая изменяет состояние объекта;

– селектор – это операция, считывающая состояние объекта, но не меняющая состояния;

– конструктор – это операция создания объекта и/или его инициализации;

– деструктор – это операция, освобождающая ресурсы, которые использует объект, и/или разрушающая сам объект.

Две последние операции являются универсальными. Они обеспечивают инфраструктуру, необходимую для создания и уничтожения экземпляров класса. Если у класса есть конструктор, то он вызывается всегда, когда создается объект класса. Если у класса есть деструктор, то он вызывается всегда, когда объект класса уничтожается.

Объекты могут создаваться следующим образом: автоматический объект создается каждый раз, когда его описание встречается при выполнении программы, и уничтожается каждый раз при выходе из блока, в котором оно появилось; статический объект создается один раз, при запуске программы, и уничтожается один раз, при ее завершении; объект в свободной памяти создается с помощью операции new и уничтожается с помощью операции delete; объект-член создается как подобъект другого класса.

Для инициализации отдельных частей объекта с помощью конструктора служат инициализаторы конструктора. Важность инициализаторов в том, что только с их помощью можно инициализировать константные члены и члены, являющиеся ссылками.

В чисто объектно-ориентированных языках определять процедуры и функции вне классов не допускается.

Операции, определенные вне классов, называют свободными подпрограммами.

Свободные подпрограммы – это процедуры и функции, которые выполняют роль операций высокого уровня над объектом или объектами одного или разных классов. Свободные процедуры обычно группируются в соответствии с классами, для которых они создаются.

3.3. Идентичность

Идентичность – это такое свойство объекта, которое отличает его от всех других объектов.

Источником ошибок в объектно-ориентированном программировании является неумение отличать имя объекта от самого объекта.

Ситуацию, когда объект именуется более чем одним способом несколькими синонимичными именами, называют структурной зависимостью.

Структурная зависимость порождает в объектно-ориентированном программировании много проблем. Трудность распознания побочных эффектов при действиях с синонимичными объектами часто приводит к утечкам памяти, неправильному доступу к памяти и, хуже того, непрогнозируемому изменению состояния.

3.4. Отношения между объектами

В процессе взаимодействия объектов реализуется система. Например, самолет – это "совокупность элементов, каждый из которых по своей природе стремится упасть на землю, но за счет совместных непрерывных усилий преодолевающих эту тенденцию". Он летит только благодаря согласованным усилиям своих компонентов.

Отношения двух любых объектов основываются на предположениях, которыми один обладает относительно другого: об операциях, которые можно выполнять, и об ожидаемом поведении.

Рассмотрим два типа отношений между объектами: связь и агрегация. Связь – это семантическое соединение между объектами. Объект сотрудничает с другими объектами, посылая сообщения через связи, соединяющие его с ними.

Связь – сопоставление, через которое один объект находит путь к другому.

Пусть есть два объекта А и В и связь между ними. Чтобы А мог послать В сообщение, В должен быть в каком-то смысле видим для А.

Перечислим следующие четыре способа обеспечить видимость: сервер глобален по отношению к клиенту; сервер (или указатель на него) передан клиенту в качестве параметра операции; сервер является частью клиента; сервер локально порождается клиентом в ходе выполнения какой-либо операции.

Если связи обозначают равноправные или "клиент-серверные" отношения между объектами, то агрегация описывает отношения целого и части, приводящие к соответствующей иерархии объектов, причем, идя от целого (агрегата), мы можем прийти к его частям (атрибутам).

Агрегация может означать физическое вхождение одного объекта в другой, но не обязательно. Самолет состоит из крыльев, двигателей, шасси и прочих частей. С другой стороны, отношения акционера с его акциями – это агрегация, которая не предусматривает физического включения. Акционер монопольно владеет своими акциями, но они в него не входят физически.

4. КЛАССЫ

Понятия класса и объекта настолько тесно связаны, что невозможно говорить об объекте безотносительно к его классу. Однако существует важное различие этих двух понятий. В то время как объект обозначает конкретную сущность, определенную во времени и в пространстве, класс определяет лишь абстракцию существенного в объекте.

Класс – это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. Любой конкретный объект является экземпляром класса.

Пример. Рассмотрим сходства и различия между следующими классами: цветы, маргаритки, красные розы, желтые розы, лепестки и пчелы. Мы можем заметить следующее: маргаритка – цветок; роза – (другой) цветок; – красная и желтая розы – розы; лепесток является частью обоих видов цветов; пчелы опыляют цветы и питаются их нектаром.

Из этого простого примера следует, что классы, как и объекты, не существуют изолированно. В каждой проблемной области абстракции, описывающие ее, взаимодействуют различными способами.

Известны три основных типа отношений между классами. Во-первых, это отношение "обобщение/специализация" (общее и частное), т.е. иерархия "является". Розы являются цветами, что значит: розы являются специализированным частным случаем, подклассом более общего класса "цветы". Во-вторых, это отношение "целое/часть", т.е. иерархия "имеет". Например, лепестки являются частью цветов. В-третьих, это семантические, смысловые отношения, ассоциации. Например, пчелы ассоциируются с цветами. Языки программирования выработали несколько общих подходов к выражению таких отношений. В частности, большинство объектно-ориентированных языков непосредственно поддерживает следующие виды отношений: ассоциация; агрегация; обобщение; зависимость; инстанцирование.

4.1. Ассоциация

Ассоциация – смысловая связь. По умолчанию, она не имеет направления и не объясняет, как классы общаются друг с другом. Мы можем только отметить семантическую зависимость, указав, какие роли играют классы друг для друга.

Так, ассоциация "Product – Sale" – двустороннее отношение: задавшись товаром, можно выйти на сделку, в которой он был продан, а пойдя от сделки, найти, что было продано^[12].

Кратность (мощность) ассоциации – это количество ее участников. Различают три случая кратности ассоциации: один-к-одному; один-ко-многим; многие-ко-многим.

Рассмотренная в примере ассоциация имеет тип один-ко-многим: каждый экземпляр товара относится только к одной последней продаже, в то время как каждый экземпляр Sale может указывать на совокупность проданных товаров.

Отношение один-к-одному обозначает очень узкую ассоциацию. Например, в розничной системе продаж примером могла бы быть связь между классом "Продажа" и классом "Снятие денег с кредитной карточки": каждая продажа соответствует ровно одному снятию денег с данной кредитной карточки.

Отношение многие-ко-многим тоже нередко. Например, каждый объект класса "Покупатель" может инициировать сделку с несколькими объектами класса "Торговый агент", и каждый "Торговый агент" может взаимодействовать с несколькими объектами класса "Покупатель".

Класс может иметь ассоциацию с самим собой. Такая ассоциация называется рефлексивной.

4.2. Агрегация

Агрегация является частным случаем ассоциации. Отношение агрегации между классами имеет непосредственное отношение к агрегации между их экземплярами.

Пример. Вернемся к классу Controller, который является абстракцией объектов, управляющих температурой в теплице ( п. 2.1 настоящей работы).

Класс Controller – это целое, а экземпляр класса Heater (нагреватель) – одна из его частей. В рассмотренном случае мы имеем специальный случай агрегации – композицию.

Композиция – форма агрегирования, в которой целое владеет своими частями, имеющими одинаковое с ним время жизни. Части с нефиксированной кратностью могут быть созданы после создания агрегата, но, будучи созданными, живут и умирают вместе с ним. Такие части могут также быть явно удалены перед уничтожением агрегата. В случае композитного агрегирования объект в любой момент времени может быть частью только одного композита.

4.3. Обобщение

Обобщение (наследование) – это такое отношение между классами, когда один класс повторяет структуру и поведение другого класса (одиночное наследование) или других классов (множественное наследование).

Для описания полиморфизма используются два различных понятия: операция и метод. У класса есть операции, которые определяют его поведение, и методы – реализации данных операций. При этом каждый потомок класса может предоставить метод, реализующий любую унаследованную операцию, отличный от соответствующего метода предка. Чисто виртуальная функция (абстрактная операция) не имеет соответствующего метода.

Самый общий класс в иерархии классов называется базовым. В большинстве приложений базовых классов бывает несколько, и они отражают наиболее общие абстракции предметной области.

У класса обычно бывает два вида клиентов: экземпляры классов и подклассы. Часто полезно иметь для них разные интерфейсы. В частности, мы хотим показать только внешне видимое поведение для клиентов-экземпляров, но нам нужно открыть служебные функции и представления клиентам-подклассам.

Для этой цели описание класса разделяется на три части: открытую (public), видимую всем клиентам; защищенную (protected), видимую самому классу, его подклассам и друзьям (friend); закрытую (private), видимую только самому классу и его друзьям.

Вопросы построения наследственных иерархий тесно связаны с типизацией (в языках с сильной типизацией), поскольку при использовании наследования формируется и система типов.

При определении класса его суперкласс можно объявить public (как в нашем примере). В этом случае открытые и защищенные члены суперкласса становятся открытыми и защищенными членами подкласса. Таким образом, подкласс считается также и подтипом, то есть обязуется выполнять все обязательства суперкласса. В частности, он обеспечивает совместимое с суперклассом подмножество интерфейса и обладает неразличимым с точки зрения клиентов суперкласса поведением.

Если при определении класса объявить его суперкласс как private, это будет означать, что, наследуя структуру и поведение суперкласса, подкласс уже не будет его подтипом. Открытые и защищенные члены суперкласса станут закрытыми членами подкласса, и, следовательно, они будут недоступны подклассам более низкого уровня. В этом случае подкласс и суперкласс обладают несовместимыми интерфейсами с точки зрения клиента.