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

2.1 Класс

В окончательном виде любая программа представляет собой набор инструкций процессора. Все, что написано на любом языке программирования

– более удобная, упрощенная запись этого набора инструкций, облегчающая

написание, отладку и последующую модификацию программы. Чем выше

уровень языка, тем в более простой форме записываются одни и те же действия.

С ростом объема программы становится невозможным удерживать в памяти все детали, и становится необходимым структурировать информацию,

выделять главное и отбрасывать несущественное. Этот процесс называется

повышением степени абстракции программы.

Для языка высокого уровня первым шагом к повышению абстракции является использование функций, позволяющее после написания и отладки

функции отвлечься от деталей ее реализации, поскольку для вызова функции требуется знать только ее интерфейс. Если глобальные переменные не

используются, интерфейс полностью определяется заголовком функции.

Следующий шаг – описание собственных типов данных, позволяющих

структурировать и группировать информацию, представляя ее в более естественном виде. Например, все разнородные сведения, относящиеся к одному виду товара на складе, можно представить с помощью одной структуры.

Для работы с собственными типами данных требуются специальные

функции. Естественно сгруппировать их с описанием этих типов данных в

одном месте программы, а также по возможности отделить от ее остальных

частей. При этом для использования этих типов и функций не требуется полного знания того, как именно они написаны – необходимы только описания

интерфейсов. Объединение в модули описаний типов данных и функций,

предназначенных для работы с ними, со скрытием от пользователя модуля

несущественных деталей является дальнейшим развитием структуризации

программы.

Все три описанных выше метода повышения абстракции преследуют

цель упростить структуру программы, то есть представить ее в виде меньшего количества более крупных блоков и минимизировать связи между

ними. Это позволяет управлять большим объемом информации и, следовательно, успешно отлаживать более сложные программы.

Введение понятия класса является естественным развитием идей модульности. В классе структуры данных и функции их обработки объединяются. Класс используется только через его интерфейс – детали реализации

для пользователя класса не существенны.

Идея классов отражает строение объектов реального мира – ведь каждый

предмет или процесс обладает набором характеристик или отличительных

черт, иными словами, свойствами и поведением. Программы в основном

предназначены для моделирования предметов, процессов и явлений реального мира, поэтому удобно иметь в языке программирования адекватный

инструмент для представления моделей.

Класс является типом данных, определяемым пользователем. В классе

задаются свойства и поведение какого-либо предмета или процесса в виде

полей данных (аналогично структуре) и функций для работы с ними. Создаваемый тип данных обладает практически теми же свойствами, что и стандартные типы (напомню, что тип задает внутреннее представление данных

в памяти компьютера, множество значений, которое могут принимать величины этого типа, а также операции и функции, применяемые к этим величинам).

Существенным свойством класса является то, что детали его реализации

скрыты от пользователей класса за интерфейсом. Интерфейсом класса являются заголовки его открытых методов. Таким образом, класс как модель

объекта реального мира является черным ящиком, замкнутым по отношению к внешнему миру.

Идея классов является основой объектно-ориентированного программирования (ООП). Основные принципы ООП были разработаны еще в языках

Simula-67 и Smalltalk, но в то время не получили широкого применения из-за трудностей освоения и низкой эффективности реализации. В С++ эти концепции реализованы эффективно и непротиворечиво, что и явилось основой

успешного распространения этого языка и внедрения подобных средств в

другие языки программирования.

Идеи ООП не очень просты для практического использования (их неграмотное применение приносит гораздо больше вреда, чем пользы), а освоение существующих стандартных библиотек требует времени и высокого

уровня первоначальной подготовки.

Конкретные переменные типа данных «класс» называются экземплярами класса, или объектами. Объекты взаимодействуют между собой, посылая и получая сообщения. Сообщение – это запрос на выполнение действия,

содержащий набор необходимых параметров. Механизм сообщений реализуется с помощью вызова соответствующих функций. Таким образом, с помощью ООП легко реализуется так называемая «событийно-управляемая

модель», когда данные активны и управляют вызовом того или иного фрагмента программного кода.

Примером реализации событийно-управляемой модели может служить

любая программа, управляемая с помощью меню. После запуска такая программа пассивно ожидает действий пользователя и должна уметь правильно

отреагировать на любое из них. Событийная модель является противоположностью традиционной (директивной), когда код управляет данными:

программа после старта предлагает пользователю выполнить некоторые

действия (ввести данные, выбрать режим) в соответствии с жестко заданным алгоритмом.

Класс – это описание определяемого типа. Любой тип данных представляет собой множество значений и набор действий, которые разрешается выполнять с этими значениями. Например, сами по себе числа не представляют интереса – нужно иметь возможность ими оперировать: складывать,

вычитать, вычислять квадратный корень и т. д. В С++ множество значений

нового типа определяется задаваемой в классе структурой данных, а действия с объектами нового типа реализуются в виде функций и перегруженных операций С++.

Данные класса называются полями (по аналогии с полями структуры), а

функции класса – методами. Поля и методы называются элементами класса.

2.2 Объект

Понятию «объект» сопоставляют ряд дополняющих друг друга определений. Ниже приведены некоторые из них.

Объект — это осязаемая реальность, характеризующаяся четко определяемым поведением.

Объект - особый опознаваемый предмет, блок или сущность (реальная или абстрактная), имеющая важное функциональное назначение в данной предметной области.

Объект может быть охарактеризован структурой, его состоянием, поведением и индивидуальностью. Состояние объекта определяется перечнем всех возможных (обычно статических) свойств и текущими значениями (обычно динамическими) каждого из этих свойств. Свойства объекта характеризуются значениями его параметров. Поведение объекта описывает, как объект воздействует на другие объекты или как он подвергается воздействию со стороны других объектов с точки зрения изменения его собственного состояния и состояния других объектов. Говорят также, что поведение объекта определяется его действиями. Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называют операцией. В объектно-ориентированных языках программирования операции называют методами.

Можно выделить пять типов операций:

- конструктор, создание и инициализация объекта;

- деструктор, разрушающий объект;

- модификатор, изменяющий состояние объекта;

- селектор для доступа к переменным объекта без их изменения;

- итератор для доступа к содержанию объекта по частям в определенной последовательности.

Известна и другая классификация методов объекта, когда выделяют функции управления, реализации, доступа и вспомогательные функции.

Под индивидуальностью объекта понимают свойство объекта, позволяющее отличать этот объект от всех других объектов.

Объекты могут находиться в определенных отношениях друг к другу. Эти отношения могут быть иерархическими. Основные иерархические отношения — это отношения использования и включения. Отношение использования реализуется посылкой сообщений от объекта A к объекту B. При этом объект A может выступать в роли:

- активного или воздействующего объекта, когда он воздействует на другие объекты, но сам воздействию не подвергается;

- пассивного или исполняющего, когда объект подвергается воздействию, но сам на другие объекты не воздействует;

- посредника, если объект и воздействует и сам подвергается воздействию.

Отношение включения имеет место, когда составной объект содержит другие объекты.

2.3 Инкапсуляция

Инкапсуляция — это механизм, который объединяет данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. В объектно-ориентированном программировании код и данные могут быть объединены вместе; в этом случае говорят, что создаётся так называемый "чёрный ящик". Когда коды и данные объединяются таким способом, создаётся объект. Другими словами, объект — это то, что поддерживает инкапсуляцию.

Внутри объекта коды и данные могут быть закрытыми. Закрытые коды или данные доступны только для других частей этого объекта. Таким образом, закрытые коды и данные недоступны для тех частей программы, которые существуют вне объекта. Если коды и данные являются открытыми, то несмотря на то, что они заданы внутри объекта, они доступны и для других частей программы. Характерной является ситуация, когда открытая часть объекта используется для того, чтобы обеспечить контролируемый интерфейс закрытых элементов объекта.

На самом деле объект является переменной определённого пользователем типа. Может показаться странным, что объект, который объединяет коды и данные, можно рассматривать как переменную. Однако применительно к объектно-ориентированному программированию это именно так. Каждый элемент данных такого типа является составной переменной.

3. Наследование как важнейшее свойство объекта

Не менее важным является и тот факт, что объекты могут наследовать характеристики и поведение того, что мы называем порождающие, родительские объекты (или предки). Здесь происходит качественный скачок: наследование, возможно, является сегодня единственным самым крупным различием между обычным программированием на Паскале и объектно-ориентированным программированием в Borland Pascal.

В терминах Паскаля, объект во многом схож с записью, которая является оболочкой для объединения нескольких связанных элементов под одним именем.

Процесс, с помощью которого один тип наследует характеристики другого типа, называется наследованием. Наследник называется порожденным (дочерним) типом, а тип, которому наследует дочерний тип, называется порождающим (родительским) типом. Ранее известные типы записей Паскаля не могут наследовать. Однако Borland Pascal расширяет язык Паскаля для поддержки наследования. Одним из этих расширений является новая категория структуры данных, связанная с записями, но значительно более мощная. Типы данных в этой новой категории определяются с помощью нового зарезервированного слова object. Тип объекта может быть определен как полный, самостоятельный тип в манере описания записей Паскаля, но он может определяться и как потомок существующего типа объекта путем помещения, порождающего (родительского) типа в скобки после зарезервированного слова object.

Большая часть конструирования объектно-ориентированных прикладных программ состоит в построении иерархии объектов, являющейся отражением генеалогического дерева объектов в приложениях.

Как показали данные определения, объекты тесно связаны с записями. Новое зарезервированное слово object является наиболее очевидным различием, но как мы увидим позднее, имеется большое число других различий, некоторые из которых довольно тонкие.

3.1 Экземпляры объектных типов

Под объектами понимают и переменные объектного типа – их называют экземплярами. Как всякая переменная, экземпляр имеет имя и тип: их надо объявить. После объявления в памяти отводится место под экземпляр заданного объектного типа, его поля обычно инициализируют специальным методом – конструктором.