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

ВВЕДЕНИЕ

Технология программирования представляет собой совокупность средств и методов, необходимых для разработки программного обеспечения. Решающее значение для специалиста в области информационных технологий и программирования имеет выбор парадигмы программирования, определяющей успешность реализации программного продукта, и соответствующего ей языка программирования. За последние 50 лет появились сотни языков, поддерживающих различные парадигмы, причем некоторые из них используют несколько парадигм (такие языки называют мультипарадигменными). Однако, несмотря на большое количество языков программирования, существует несколько действительно важных концепций программирования, и не так много языков, которые были бы актуальны на протяжении более десяти лет [1.]. Именно парадигмы программирования определяют общий способ проектирования прикладных программ. Парадигмой программирования называют используемый различными языками подход к программированию, то есть, проще говоря, набор идей и понятий, определяющих стиль написания программ. Среди основных парадигм программирования выделяют объектно-ориентированную, императивную, декларативную, структурную, функциональную и логическую. Большинство языков программирования, активно используемых в современной разработке прикладных программ, являются мультипарадигменными.

Концепции структурного и объектно-ориентированного программирования не являются относительно новыми, но эти подходы все еще активно используются в современном программировании, что обеспечивает актуальность данной работы. В частности, ключевые принципы объектно-ориентированной парадигмы для стали довольно популярными в настоящее время, поскольку большинство задач удобнее всего решать путем построения моделей реальных ситуаций. Поскольку программное обеспечение становится все более сложным, особую важность приобретают также хорошо структурированные программы, при разработке в первую очередь выделяются и реализуются наиболее простые функции. Такие программы легко писать и отлаживать, поскольку они, как правило, предоставляют набор модулей, которые могут быть повторно использованы с целью сокращения будущих временных или финансовых затрат.

Структурное программирование – это метод проектирования программ, который может обеспечить их простое понимание и модификацию, в то время как объектно-ориентированное программирование (ООП) состоит из набора объектов, которые могут изменяться динамически, действуя и реагируя друг на друга во многих отношениях точно так же, как процессы реального мира. Объектно-ориентированный подход делает программы более интуитивно понятными для проектирования, более быстрыми в разработке, легче поддающимися модификации и более простыми для понимания. При традиционном процедурном и структурном программировании программа описывает последовательность шагов, которые должны быть выполнены (алгоритм). В объектно-ориентированной парадигме программирования вместо программ, состоящих из наборов данных, которые могут быть слабо связанными с остальными процедурами, программы состоят из объектов, которые инкапсулируют как данные, так и обработку, скрывая свои внутренние сложности от программистов и, следовательно, от других объектов.

Целью данной курсовой работы является исследование объектно-ориентированной парадигмы программирования, а также возможностей ее применения. Исходя из цели курсовой работы, были поставлены следующие задачи:

• изучить принципы объектно-ориентированного подхода к проектированию программного обеспечения, а также проследить за развитием методологии, изучив основы предшествовавшего ей структурного подхода;
• сравнить реализацию объектно-ориентированной парадигмы программирования на примере языков C++ и Objective-C, выделить плюсы и минусы этих языков;
• применить принципы объектно-ориентированной методологии к проектированию многофункционального программного обеспечения.

Для решения поставленных задач были выбраны следующие методы исследования: систематизация специальной литературы и мировых информационных ресурсов по проблеме исследования.

Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников. Список источников включает в себя 12 наименований.

1. Развитие методологии объектно-ориентированного программирования

1.1 Предыстория появления

Инструкции первых языков программирования, появившихся в начале 50-х годов XX века и ориентированных на конкретный компьютер, записывались в исходном коде и выполнялись последовательно. Данные, полученные при выполнении предыдущих инструкций, могли быть считаны из памяти или записаны в нее. Таким образом, программы представляли собой последовательность команд, которые должен был выполнить компьютер. Языки программирования, использующие этот подход (прежде всего, это машинные инструкции и язык ассемблера), образовали императивную парадигму программирования. В отличие от декларативного подхода, при котором задается спецификация решения задачи, в императивном широко используются операторы присваивания. Ранние императивные языки сложны для понимания и решения прикладных задач.

Развитие вычислительных устройств и компьютерной техники привело к появлению процедурных языков. Процедурные языки программирования, первые реализации которых относятся к концу 50-х годов, позволили разбивать задачи на шаги и решать их за шагом, причем возможность определять каждый шаг в процессе решения задачи была предоставлена программисту. Эти языки использовали императивную парадигму, но последовательно выполняемые операторы могли быть собраны в подпрограммы, то есть более крупные целостные единицы кода, с помощью самого языка. Согласно некоторым классификациям, такой подход выделяется в самостоятельную парадигму, получившую название процедурной. К процедурным языкам программирования относятся, например, Паскаль, Си, Алгол, КОБОЛ и Фортран.

Процедурный подход потребовал структурирования будущей программы, разделения ее на отдельные процедуры. При разработке отдельной процедуры о других процедурах требовалось знать только их назначение и способ вызова. Появилась возможность перерабатывать отдельные процедуры, не затрагивая остальной части программы, сокращая при этом затраты труда и машинного времени на разработку и модернизацию программ.

Следующим шагом в углублении структурирования программ стало так называемое структурное программирование, при котором программа в целом и отдельные процедуры рассматривались как последовательности канонических структур: линейных участков, циклов и разветвлений. Появилась возможность читать и проверять программу как последовательный текст, что повысило производительность труда программистов при разработке и отладке программ. С целью повышения структурности программы были выдвинуты требования к большей независимости подпрограмм, подпрограммы должны связываться с вызывающими их программами только путем передачи им аргументов, использование в подпрограммах переменных, принадлежащих другим процедурам или главной программе, стало считаться нежелательным.

1.2 Структурное программирование

Структурное программирование – это способ организации программ, который облегчает их понимание, упрощает тестирование и делает более доступным изменение. Результаты показали, что использование структурного подхода вместе с другими улучшенными технологиями программирования может привести к увеличению производительности программиста и, соответственно, к снижению частоты появления ошибок в результирующем коде [6.]. Методология структурного программирования пытается решить проблемы, связанные с безусловными переходами (то есть переходами в заданную точку программы без проверки выполнения любых условий), чтобы позволить программистам следовать логике программ.

Потенциальный рост сложности программы проистекает из того факта, что она содержит много переходов к другим участкам кода как в прямую, так и в обратную сторону. Кроме того, поскольку программа претерпевает изменения в течение периода разработки, по мере ее дальнейшей отладки на протяжении жизненного цикла и по мере изменения в последующих новых проектах, сложность программы растет большими темпами. В некоторых случаях добавляется новый код, потому что программист не может найти существующий код, который выполняет желаемую функцию, или не уверен, как работает существующий код, или боится править существующий код из-за боязни испортить другую желаемую функцию и/или итоговый результат после нескольких модификаций [8.].

Концепции структурного программирования препятствуют использованию операторов «goto» и поощряют блочность и модульность программ, нисходящий подход и возможность многократного использования кода. Программы, написанные с использованием структурного подхода, более читабельны и более надежны. Кроме того, затраты и время на разработку программного обеспечения меньше, когда применяется структурное программирование, поскольку меньшие блоки программ могут быть написаны независимо (иногда разными, отдельными программистами или группами) и затем объединены для достижения желаемого конечного результата. Программы могут быть легко изменены и обновлены в соответствии с внешними обстоятельствами. В структурированных программах любая функция может выполняться с использованием одной или нескольких базовых алгоритмических конструкций: следование, цикл или ветвление, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Основные алгоритмические конструкции

Многие программы могут быть разбиты на ряд однозначно идентифицируемых подзадач. Хорошей практикой программирования является реализация каждой из этих подзадач в виде отдельного программного модуля. Идея модульного программирования состоит в том, чтобы разбить программу на более мелкие блоки, которые можно отладить и протестировать независимо друг от друга, и которые могут быть затем объединены для достижения общей цели [9.]. Использование модульной структуры программирования повышает точность и читабельность программы, а также облегчает ее будущие изменения.

Одним из мотивов модульности программы в методы является подход «разделяй и властвуй», который делает разработку программ более управляемой за счет создания независимым программ из небольших простых частей. Другой мотив – повторное использование кода – использование существующих методов в качестве строительных блоков для создания новых программ. Создавать программы из готовых методов приходится чаще, чем создавать собственный код [4.]. Третья причина – избежание повторения кода. Разделение программы на осмысленные методы облегчает отладку и сопровождение программы [3.].

При разработке новой программы общая стратегия должна быть полностью спланирована до начала непосредственного написания кода. Это позволяет целиком сосредоточиться логике программы, не заботясь о синтаксических деталях отдельных инструкций. Как только общая программная стратегия четко определена, можно рассмотреть детали, связанные с отдельными программными операциями. Этот подход обычно называют «нисходящим» проектированием программы. В больших программах весь этот процесс может повторяться несколько раз с добавлением дополнительных деталей на каждом этапе [7.].

В нисходящем проектировании сначала определяется основная программа, а затем указываются остальные модули или блоки кода. Основная идея нисходящего подхода заключается в том, что проектирование программы должно переходить от общего к частному, причем каждый программный блок постепенно совершенствуется. Как правило, главные модули управляют другими, определяя, что должна делать каждая подпрограмма. Также ожидается, что основным модулем станет интерфейс между всей программой и пользователями. Иерархические отношения, существующие между модулями программы, часто отображаются на структурной схеме, пример которой приведен на рисунке 2.

Как следует из рисунка 2, основная программа находится на уровне цели 1. Эта основная программа делится на два модуля (подцели 11 и 1S) по мере роста требований. Это главное преимущество модульного программирования. Нисходящая методология проектирования часто использует процесс, называемый поэтапным усовершенствованием, или «разделяй и властвуй», посредством которого ситуация постепенно улучшается до достижения самого низкого уровня в структурной схеме. Этот процесс также очень часто применяется к спецификации процедур более низкого уровня. Нисходящий подход часто называют другими именами – структурированный подход, составной подход, программирование с поэтапным усовершенствованием и так далее. Хотя имена различаются, в целом образуется единый подход: сначала определяется основная функция, которая должна быть выполнена, затем определяются ее подфункции, затем подфункции этих функций и т.д. Нисходящее проектирование состоит из серии шагов, определяющих функции, необходимые для решения задачи, с точки зрения самой задачи [9.].

Рисунок 2 – Функциональная структура программы, спроектированной с использованием нисходящего подхода

Эта методика может быть полезной для программ, использующих независимые программные модули (то есть определяемые пользователем процедуры и функции). Восходящий подход предполагает детальную разработку этих программных модулей на ранних этапах общего процесса проектирования. Общая разработка программы основывается на известных характеристиках этих отдельных модулей [8.]. Восходящий подход противоположен нисходящему – он включает в себя написание модульной программы от частного к общему. То есть модули строятся от своего «скелета» в сторону увеличения кода, пока не будет получено общее решение. Это не очень приемлемая методология в модульном программировании, но, тем не менее, это полезный метод проектирования, когда в задачу входит только модификация и обновление уже существующей программы для получения необходимого результата.