Файл: Основные понятия объектно-ориентированного программирования (ООП).pdf

Введение

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-ориентированный язык программирования должен обладать следующими свойствами:

1. абстракции - формальное о качествах или свойствах предмета путем мысленного удаления некоторых частностей или материальных объектов;

2. инкапсуляции - механизма, связывающего вмести код и данные, которыми он манипулирует, и защищающего их от внешних помех и некорректного использования;

3. наследования - процесса, с помощью которого один объект приобретает свойства другого, т.е. поддерживается иерархической классификации;

4. полиморфизма - свойства, позволяющего использовать один и тот же интерфейс для общего класса действий.

Разработка объектно-ориентированных программ состоит из следующих последовательных работ:

- определение основных объектов, необходимых для решения данной задачи;

- определение закрытых данных (данных состояния) для выбранных объектов;

- определение второстепенных объектов и их закрытых данных;

- определение иерархической системы классов, представляющих выбранные объекты;

- определение ключевых сообщений, которые должны обрабатывать объекты каждого класса;

- разработка последовательности выражений, которые позволяют решить поставленную задачу;

- разработка методов, обрабатывающих каждое сообщение;

- очистка проекта, то есть устранение всех вспомогательных промежуточных материалов, использовавшихся при проектировании;

- кодирование, отладка, компоновка и тестирование.

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.

Глава 1

Понятие объектно-ориентированное программирование

Элементы объектно-ориентированного программирования (ООП) появились в начале 70-х годов в языке моделирования Симула, затем получили свое развитие, и в настоящее время ООП принадлежит к числу ведущих технологий программирования.

Основная цель ООП, как и большинства других подходов к программированию - повышение эффективности разработки программ. Идеи ООП оказались плодотворными и нашли применение не только в языках программирования, но и в других областях Computer Science, например, в области разработки операционных систем.

Появление ООП было связано с тем наблюдением, что компьютерные программы представляют собой описание действий, выполняемых над различными объектами. В роли последних могут выступать, например, графические объекты, записи в базах данных или совокупности числовых значений. В традиционных методах программирования изменение данных или правил и методов обработки часто приводило к необходимости значительного изменения программы. Всякое существенное изменения программы - это большая неприятность для программиста, так как при этом увеличивается вероятность ошибок, вследствие чего возрастает время, необходимое для «доводки» программы. Использование ООП позволяет выйти из такой ситуации с минимальными потерями, сводя необходимую модификацию программы к её расширению и дополнению. Необходимо заметить, что ООП не является панацеей от всех программистских бед, но его ценность как передовой технологии программирования несомненна. Изучение идей и методов ООП может существенно упростить разработку и отладку сложных программ.

Мы уже привыкли использовать в своих программах процедуры и функции для программирования тех сложных действий по обработке данных, которые приходится выполнять многократно. Использование подпрограмм в своё время было важным шагом на пути к увеличению эффективности программирования.

Подпрограмма может иметь формальные предметы, которые при обращении к ней заменяются фактическими предметами. В этом случае есть опасность вызова подпрограммы с неправильными данными, что может привести к сбою программы и её аварийному завершению при выполнении. Поэтому естественным обобщением традиционного подхода к программированию является объединение данных и подпрограмм (процедур и функций), предназначенных для их обработки.

Обьекты

Базовым в объектно-ориентированном программировании является понятие объекта. Объект имеет определённые свойства. Состояние объекта задаётся значениями его признаков. Объект «знает», как решать определённые задачи, то есть располагает методами решения. Программа, написанная с использованием ООП, состоит из объектов, которые могут взаимодействовать между собой.

Ранее отмечалось, что программная реализация объекта представляет собой объединение данных и процедур их обработки. Переменные объектного типа называют экземплярами объекта. Здесь требуется уточнение - экземпляр можно лишь формально назвать переменной. Его описание даётся в предложение описания переменных, но в действительности экземпляр - нечто большее, чем обычная переменная.

В отличие от типа «запись», объектный тип содержит не только поля, описывающие данные, но также процедуры и функции, описания которых содержится в описании объекта. Эти процедуры и функции называют методами. Методам объекта доступны его поля. Следует отметить, что методы и их параметры определяются в описании объекта, а их реализация даётся вне этого описания, в том мест программы, которое предшествует вызову данного метода. В описании объекта фактически содержаться лишь шаблоны обращения к методам, которые необходимы компилятору для проверки соответствия количества параметров и их типов при обращении к методам. Вот пример описания объекта[1]:

Type

Location =bject

X,Y: Integer;

Procedure Init(InitX, InitY: Integer);

Function GetX: Integer;

Function GetY: Integer;

End;

Здесь описывается объект, который может использоваться в дальнейшем, скажем, в графическом режиме и который предназначен для определения положения на экране произвольного графического элемента. Объект описывается с помощью зарезервированных слов object…end, между которыми находиться описание полей и методов. В нашем примере объект содержит два поля для хранения значений графических координат, а так же для описания процедуры и двух функций - это методы данного объекта. Процедура предназначена для задания первоначального положения объекта, а функция - для считывания его координат.

Свойство инкапсуляция

Инкапсуляция это одно из самых важных свойств объекта, на котором строится объектно-ориентированное программирование. Инкапсуляция заключается в том, что объект скрывает в себе детали, которые несущественны для использования объекта. В классическом подходе к программированию с использованием глобальных переменных программист не был застрахован от ошибок, связанных с использованием процедур, не предназначенных для обработки данных, связанных с этими переменными. Предположим, например, что имеется «не-ООП» программа, предназначенная для начисления заработной платы сотрудникам некой организации, а в программе имеются два массива. Один массив хранит величину заработной платы, а другой - телефонные номера сотрудников (для составления отчёта для налоговой инспекции). Что будет, если программист случайно перепутает эти массивы? Вероятно, для бухгалтерии настанут тяжёлые времена. «Жёсткое» связание данных и процедур их обработки в одном объекте помогают избежать неприятностей такого рода. Инкапсуляция и это и есть средство организации доступа к данным только через соответствующие методы.

В нашем примере описание объекта процедура инициализации Init и функции GetX и GetY уже не существуют как отдельные самостоятельные объекты. Это неотъемлемые части объектного типа Location. Если в программе имеется описание нескольких переменных указанного типа, то для каждой переменной резервируется своя собственная область памяти для хранения данных, а указатели на точки входа в процедуру и функции - общие. Вызов каждого метода возможен только с помощью составного имени, явно указывающего, для обработки каких данных предназначен данный метод.

Наследование

Наследование - это ещё одно базовое понятие объектно-ориентированного программирования. Наследование позволяет определять новые объекты, используя свойства прежних, дополняя или изменяя их. Объект-наследник получает все поля и методы «родителя», к которым он может добавить свои собственные поля и методы или заменить («перекрыть») их своими методами.

Пример описания объекта-наследника даётся ниже:

Tipe

Point =bject(Location)

Visible: Boolean;

Procedure Int(IntX, IntY: Integer);

Procedure Show;

Procedure Hide;

Function IsVisible: Boolean;

Procedure MoveTo(NewX, NewY: Integer);

End;

Наследником здесь является объект Point, описывающий графическую точку, а родителем - объект Location. Наследник не содержит описание полей и методов родителя. Имя последнего указывается в круглых скобках после слова object. Из методов наследника можно вызывать методы родителя. Для создания наследника не требуется иметь исходный текст объекта родителя. Объект-родитель может быть уже в составе оттранслированного модуля.

В чём преимущества наследования? Если некий объект был уже определён и отлажен, он может быть использован и в других программах. При этом может оказаться, что новая задача отличается от предыдущей, и возникает необходимость некоторой модификации как данных, так и методов их обработки. Программисту приходится решать дилемму - создания объектов заново или использовать результаты предыдущей работы, применяя механизм наследования. Первый путь менее эффективен, так как требует дополнительных затрат времени на отладку и тестирование. Во втором случае часть этой работы оказывается выполненной, что сокращает время на разработку новой программы. Программист при этом может и не знать деталей реализации объекта- родителя.

В нашем примере к объекту, связанному с определением положения графического элемента, просто добавилось новое поле, описывающее признак видимости графической точки, и несколько новых методов, связанных с режимом отображения точки и её преобразованиями.

Абстракция данных

Абстра́кция  — в объектно-ориентированном программировании это придание объекту характеристик, которые отличают его от всех других объектов, четко определяя его концептуальные границы. Основная идея состоит в том, чтобы отделить способ использования составных объектов данных от деталей их реализации в виде более простых объектов, подобно тому, как функциональная абстракция разделяет способ использования функции и деталей её реализации в терминах более примитивных функций, таким образом, данные обрабатываются функцией высокого уровня с помощью вызова функций низкого уровня.

Такой подход является основой объектно-ориентированного программирования. Это позволяет работать с объектами, не вдаваясь в особенности их реализации. В каждом конкретном случае применяется тот или иной подход: инкапсуляция, полиморфизм или наследование. Например, при необходимости обратиться к скрытым данным объекта, следует воспользоваться инкапсуляцией, создав, так называемую, функцию доступа или свойство.

Абстракция данных — популярная и в общем неверно определяемая техника программирования. Фундаментальная идея состоит в разделении несущественных деталей реализации подпрограммы и характеристик существенных для корректного ее использования. Такое разделение может быть выражено через специальный «интерфейс», сосредотачивающий описание всех возможных применений программы[1].

С точки зрения теории множеств, процесс представляет собой организацию для группы подмножеств своего множества. См. также Закон обратного отношения между содержанием и объемом понятия

Полиморфизм

Полиморфизм заключается в том, что одно и то же имя может соответствовать различным действиям в зависимости от типа объекта. В тех примерах, которые рассматривались ранее, полиморфизм проявлялся в том, что метод Init действовал по-разному в зависимости от того, является объект точкой или окружностью. Полиморфизм напрямую связан с механизмом позднего связывания. Решение о том, какая операция должна быть выполнена в конкретной ситуации, принимается во время выполнения программы.

Следующий вопрос, связанный с использованием объектов, заключается в совместимости объектных типов. Полезно знать следующее. Наследник сохраняет свойства совместимости с другими объектами своего родителя. В правой части оператора присваивания вместо типов родителя можно использовать типы наследника, но не наоборот. Таким образом, в нашем примере допустимы присваивания: