Объективно ориентированное программирование. Основы объектно-ориентированного программирования. Проблемы структурного программирования

Java является объектно-ориентированным языком. Это означает, что писать программы на Java нужно с применением объектно-ориентированного стиля. И стиль этот основан на использовании в программе объектов и классов. Попробуем с помощью примеров разобраться, что такое классы и объекты, а также с тем, как применять на практике основные принципы ООП: абстракцию, наследование, полиморфизм и инкапсуляцию.

Что такое объект?

Мир, в котором мы живем, состоит из объектов. Если мы посмотрим вокруг, то увидим, что нас окружают дома, деревья, автомобили, мебель, посуда, компьютеры. Все эти предметы являются объектами, и каждый из них обладает набором определенных характеристик, поведением и назначением. Мы привыкли к объектам, и мы их используем всегда для вполне конкретных целей. Например, если нам необходимо доехать до работы, мы пользуемся автомобилем, если захотим поесть – посудой, а если отдохнуть – нам понадобится удобный диван. Человек привык мыслить объектно для решения задач в повседневной жизни. Это послужило одной из причин использования объектов в программировании, а такой подход к созданию программ назвали объектно-ориентированным. Приведём пример. Представьте, что вы разработали новую модель телефона и хотите наладить её серийное производство. Как разработчик телефона, вы знаете для чего он нужен, как он будет функционировать, и из каких деталей он будет состоять (корпус, микрофон, динамик, провода, кнопки и т.д.). При этом только вы знаете, как соединить эти детали. Однако вы не планируете выпускать телефоны лично, для этого у вас есть целый штат работников. Чтобы вам не пришлось каждый раз объяснять, как соединить детали телефона, и чтобы все телефоны при производстве получались одинаковыми, прежде чем начать их выпуск, вам понадобиться сделать чертеж в виде описания устройства телефона. В ООП такое описание, чертеж, схема или шаблон называется классом, из которого при выполнении программы создается объект. Класс - это описание еще не созданного объекта, как бы общий шаблон, состоящий из полей, методов и конструктора, а объект – экземпляр класса, созданный на основе этого описания.

Абстракция

Давайте теперь подумаем, как нам перейти от объекта из реального мира к объекту в программе на примере телефона. История этого средства связи превышает 100 лет и современный телефон, в отличие от своего предшественника из 19 века, представляет собой куда более сложное устройство. Когда мы пользуемся телефоном, то не задумываемся о его устройстве и процессах, происходящих внутри него. Мы просто используем функции, предоставленные разработчиками телефона - кнопки или сенсорный экран для выбора номера и совершения вызовов. Одним из первых интерфейсов телефона была рукоятка, которую нужно было вращать, чтобы сделать вызов. Разумеется, это было не очень удобно. Тем не менее, свою функцию рукоять исправно выполняла. Если посмотреть на самый современный и на самый первый телефон, можно сразу выделить самые важные детали, которые важны и для устройства конца 19-го века, и для суперсовременного смартфона. Это совершение вызова (набор номера) и приём вызова. По сути это то, что делает телефон телефоном, а не чем-то другим. Сейчас мы применили принцип в ООП - выделение наиболее важных характеристик и информации об объекте. Этот принцип называется абстракцией. Абстракцию в ООП можно также определить, как способ представления элементов задачи из реального мира в виде объектов в программе. Абстракция всегда связана с обобщением некоторой информации о свойствах предметов или объектов, поэтому главное - это отделить значимую информацию от незначимой в контексте решаемой задачи. При этом уровней абстракции может быть несколько. Попробуем применить принцип абстракции к нашим телефонам. Для начала выделим наиболее распространённые типы телефонов от самых первых и до наших дней. Например, их можно представить в виде диаграммы, приведенной на рисунке 1. Теперь с помощью абстракции мы можем выделить в этой иерархии объектов общую информацию: общий абстрактный тип объектов - телефон, общую характеристику телефона - год его создания, и общий интерфейс - все телефоны способны принимать и посылать вызовы. Вот как это выглядит на Java: public abstract class AbstractPhone { private int year; public AbstractPhone (int year) { this . year = year; } public abstract void call (int outputNumber) ; public abstract void ring (int inputNumber) ; } На основании этого абстрактного класса мы сможем создавать в программе новые типы телефонов с использованием других базовых принципов ООП Java, которые рассмотрим ниже.

Инкапсуляция

С помощью абстракции мы выделяем общее для всех объектов. Однако каждая модель телефона - индивидуальна и чем-то отличается от других. Как же нам в программе провести границы и обозначить эту индивидуальность? Как сделать так, чтоб никто из пользователей случайно или преднамеренно не смог сломать наш телефон, или попытаться переделать одну модель в другую? Для мира реальных объектов ответ очевиден: нужно поместить все детали в корпус телефона. Ведь если этого не сделать и оставить все внутренности телефона и провода, соединяющие их снаружи, обязательно найдется любознательный экспериментатор, который захочет “улучшить” работу нашего телефона. Для исключения подобного вмешательства в конструкцию и работу объекта в ООП используют принцип инкапсуляции – еще один базовый принцип ООП, при котором атрибуты и поведение объекта объединяются в одном классе, внутренняя реализация объекта скрывается от пользователя, а для работы с объектом предоставляется открытый интерфейс. Задача программиста - определить, какие атрибуты и методы будут доступны для открытого доступа, а какие являются внутренней реализацией объекта и должны быть недоступны для изменений.

Инкапсуляция и управление доступом

Допустим, при производстве на тыльной стороне телефона гравируется информация о нем: год его выпуска или логотип компании производителя. Эта информация вполне конкретно характеризует данную модель - его состояние. Можно сказать, разработчик телефона позаботился о неизменности этой информации - вряд ли кому-то придет в голову удалять гравировку. В мире Java состояние будущих объектов описывается в классе с помощью полей, а их поведение – с помощью методов. Возможность же изменения состояния и поведения осуществляется с помощью модификаторов доступа к полям и методам – private, protected, public , а также default (доступ по умолчанию). Например, мы решили, что год создания, название производителя телефона и один из методов относятся к внутренней реализации класса и не подлежат изменению другими объектами в программе. С помощью кода класс можно описать так: public class SomePhone { private int year; private String company; public SomePhone (int year, String company) { this . year = year; this . company = company; } private void openConnection () { //findComutator //openNewConnection... } public void call () { openConnection () ; System. out. println ("Вызываю номер" ) ; } public void ring () { System. out. println ("Дзынь-дзынь" ) ; } } Модификатор private делает доступными поля и методы класса только внутри данного класса. Это означает, что получить доступ к private полям из вне невозможно, как и нет возможности вызвать private методы. Сокрытие доступа к методу openConnection , оставляет нам также возможность к свободному изменению внутренней реализации этого метода, так как этот метод гарантированно не используется другими объектами и не нарушит их работу. Для работы с нашим объектом мы оставляем открытыми методы call и ring с помощью модификатора public . Предоставление открытых методов для работы с объектом также является частью механизма инкапсуляции, так как если полностью закрыть доступ к объекту – он станет бесполезным.

Наследование

Давайте посмотрим еще раз на диаграмму телефонов. Можно заметить, что она представляет собой иерархию, в которой модель, расположенная ниже обладает всеми признаками моделей, расположенных выше по ветке, плюс своими собственными. Например, смартфон, использует сотовую сеть для связи (обладает свойствами сотового телефона), является беспроводным и переносным (обладает свойствами беспроводного телефона) и может принимать и делать вызовы (свойствами телефона). В этом случае мы можем говорить о наследовании свойств объекта. В программировании наследование заключается в использовании уже существующих классов для описания новых. Рассмотрим пример создания класса смартфон с помощью наследования. Все беспроводные телефоны работают от аккумуляторных батарей, которые имеют определенный ресурс работы в часах. Поэтому добавим это свойство в класс беспроводных телефонов: public abstract class WirelessPhone extends AbstractPhone { private int hour; public WirelessPhone (int year, int hour) { super (year) ; this . hour = hour; } } Сотовые телефоны наследуют свойства беспроводного телефона, мы также добавили в этот класс реализацию методов call и ring: public class CellPhone extends WirelessPhone { public CellPhone (int year, int hour) { super (year, hour) ; } @Override public void call (int outputNumber) { System. out. println ("Вызываю номер " + outputNumber) ; } @Override public void ring (int inputNumber) { System. out. println ("Вам звонит абонент " + inputNumber) ; } } И, наконец, класс смартфон, который в отличие от классических сотовых телефонов имеет полноценную операционную систему. В смартфон можно добавлять новые программы, поддерживаемые данной операционной системой, расширяя, таким образом, его функциональность. С помощью кода класс можно описать так: public class Smartphone extends CellPhone { private String operationSystem; public Smartphone (int year, int hour, String operationSystem) { super (year, hour) ; this . operationSystem = operationSystem; } public void install (String program) { System. out. println ("Устанавливаю " + program + "для" + operationSystem) ; } } Как видите, для описания класса Smartphone мы создали совсем немного нового кода, но получили новый класс с новой функциональностью. Использование этого принципа ООП java позволяет значительно уменьшить объем кода, а значит, и облегчить работу программисту.

Полиморфизм

Если мы посмотрим на все модели телефонов, то, несмотря на различия во внешнем облике и устройстве моделей, мы можем выделить у них некое общее поведение – все они могут принимать и совершать звонки и имеют достаточно понятный и простой набор кнопок управления. Применяя известный нам уже один из основных принципов ООП абстракцию в терминах программирования можно сказать, что объект телефон имеет один общий интерфейс. Поэтому пользователи телефонов могут вполне комфортно пользоваться различными моделями, используя одни и те же кнопки управления (механические или сенсорные), не вдаваясь в технические тонкости устройства. Так, вы постоянно пользуетесь сотовым телефоном, и без труда сможете совершить звонок с его стационарного собрата. Принцип в ООП, когда программа может использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о внутреннем устройстве объекта, называется полиморфизмом . Давайте представим, что нам в программе нужно описать пользователя, который может пользоваться любыми моделями телефона, чтобы позвонить другому пользователю. Вот как можно это сделать: public class User { private String name; public User (String name) { this . name = name; } public void callAnotherUser (int number, AbstractPhone phone) { // вот он полиморфизм - использование в коде абстактного типа AbstractPhone phone! phone. call (number) ; } } } Теперь опишем различные модели телефонов. Одна из первых моделей телефонов: public class ThomasEdisonPhone extends AbstractPhone { public ThomasEdisonPhone (int year) { super (year) ; } @Override public void call (int outputNumber) { System. out. println ("Вращайте ручку" ) ; System. out. println ("Сообщите номер абонента, сэр" ) ; } @Override public void ring (int inputNumber) { System. out. println ("Телефон звонит" ) ; } } Обычный стационарный телефон: public class Phone extends AbstractPhone { public Phone (int year) { super (year) ; } @Override public void call (int outputNumber) { System. out. println ("Вызываю номер" + outputNumber) ; } @Override public void ring (int inputNumber) { System. out. println ("Телефон звонит" ) ; } } И, наконец, крутой видеотелефон: public class VideoPhone extends AbstractPhone { public VideoPhone (int year) { super (year) ; } @Override public void call (int outputNumber) { System. out. println ("Подключаю видеоканал для абонента " + outputNumber ) ; } @Override public void ring (int inputNumber) { System. out. println ("У вас входящий видеовызов..." + inputNumber) ; } } Создадим объекты в методе main() и протестируем метод callAnotherUser: AbstractPhone firstPhone = new ThomasEdisonPhone (1879 ) ; AbstractPhone phone = new Phone (1984 ) ; AbstractPhone videoPhone= new VideoPhone (2018 ) ; User user = new User ("Андрей" ) ; user. callAnotherUser (224466 , firstPhone) ; // Вращайте ручку //Сообщите номер абонента, сэр user. callAnotherUser (224466 , phone) ; //Вызываю номер 224466 user. callAnotherUser (224466 , videoPhone) ; //Подключаю видеоканал для абонента 224466 Используя вызов одного и того же метода объекта user , мы получили различные результаты. Выбор конкретной реализации метода call внутри метода callAnotherUser производился динамически на основании конкретного типа вызывающего его объекта в процессе выполнения программы. В этом и заключается основное преимущество полиморфизма – выбор реализации в процессе выполнения программы. В примерах классов телефонов, приведенных выше, мы использовали переопределение методов – прием, при котором изменяется реализация метода, определенная в базовом классе, без изменения сигнатуры метода. По сути это является заменой метода, и именно новый метод, определенный в подклассе, вызывается при выполнении программы. Обычно, при переопределении метода, используется аннотация @Override , которая подсказывает компилятору о необходимости проверить сигнатуры переопределяемого и переопределяющего методов. В итоге , чтобы стиль вашей программы соответствовал концепции ООП и принципам ООП java следуйте следующим советам:

• выделяйте главные характеристики объекта;
• выделяйте общие свойства и поведение и используйте наследование при создании объектов;
• используйте абстрактные типы для описания объектов;
• старайтесь всегда скрывать методы и поля, относящиеся к внутренней реализации класса.

English version of this post:

Парадигмы программирования

Объе́ктно-ориенти́рованное программи́рование (ООП) - методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов , каждый из которых является экземпляром определенного класса , а классы образуют иерархию наследования .

Идеологически ООП - подход к программированию как к моделированию информационных объектов, решающий на новом уровне основную задачу структурного программирования : структурирование информации с точки зрения управляемости , что существенно улучшает управляемость самим процессом моделирования, что в свою очередь особенно важно при реализации крупных проектов. Управляемость для иерархических систем предполагает минимизацию избыточности данных (аналогичную нормализации) и их целостность, поэтому созданное удобно управляемым - будет и удобно пониматься. Таким образом через тактическую задачу управляемости решается стратегическая задача - транслировать понимание задачи программистом в наиболее удобную для дальнейшего использования форму.
Основные принципы структурирования в случае ООП связаны с различными аспектами базового понимания предметной задачи, которое требуется для оптимального управления соответствующей моделью:
- абстрагирование для выделения в моделируемом предмете важного для решения конкретной задачи по предмету, в конечном счете - контекстное понимание предмета, формализуемое в виде класса;
- инкапсуляция для быстрой и безопасной организации собственно иерархической управляемости: чтобы было достаточно простой команды «что делать», без одновременного уточнения как именно делать, так как это уже другой уровень управления;
- наследование для быстрой и безопасной организации родственных понятий: чтобы было достаточно на каждом иерархическом шаге учитывать только изменения, не дублируя все остальное, учтенное на предыдущих шагах;
- полиморфизм для определения точки, в которой единое управление лучше распараллелить или наоборот - собрать воедино.
То есть фактически речь идет о прогрессирующей организации информации согласно первичным семантическим критериям: «важное/неважное», «ключевое/подробности», «родительское/дочернее», «единое/множественное». Прогрессирование, в частности, на последнем этапе дает возможность перехода на следующий уровень детализации, что замыкает общий процесс.
Обычный человеческий язык в целом отражает идеологию ООП, начиная с инкапсуляции представления о предмете в виде его имени и заканчивая полиморфизмом использования слова в переносном смысле, что в итоге развивает выражение представления через имя предмета до полноценного понятия-класса.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Объектно ориентированное программирование в 2019

✪ Объектно-ориентированное проектирование, часть 1 - как проектируются классы

✪ Основные принципы объектно-ориентированного программирования. Что такое ООП и зачем оно нужно?

✪ Основы ООП в C++

✪ Объектно-ориентированное программирование. Классы и объекты. Урок 3

Субтитры

Основные понятия

Абстракция данных Абстрагирование означает выделение значимой информации и исключение из рассмотрения незначимой. В ООП рассматривают лишь абстракцию данных (нередко называя её просто «абстракцией»), подразумевая набор значимых характеристик объекта, доступный остальной программе. Инкапсуляция Инкапсуляция - свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе. Одни языки (например, С++ , Java или Ruby) отождествляют инкапсуляцию с сокрытием , но другие (Smalltalk , Eiffel , OCaml) различают эти понятия. Наследование Наследование - свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс - потомком, наследником, дочерним или производным классом. Полиморфизм подтипов Полиморфизм подтипов (в ООП называемый просто «полиморфизмом») - свойство системы, позволяющее использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта. Другой вид полиморфизма - параметрический - в ООП называют обобщённым программированием . Класс Класс - универсальный, комплексный тип данных , состоящий из тематически единого набора «полей» (переменных более элементарных типов) и «методов» (функций для работы с этими полями), то есть он является моделью информационной сущности с внутренним и внешним интерфейсами для оперирования своим содержимым (значениями полей). В частности, в классах широко используются специальные блоки из одного или чаще двух спаренных методов, отвечающих за элементарные операции с определенным полем (интерфейс присваивания и считывания значения), которые имитируют непосредственный доступ к полю. Эти блоки называются «свойствами» и почти совпадают по конкретному имени со своим полем (например, имя поля может начинаться со строчной, а имя свойства - с заглавной буквы). Другим проявлением интерфейсной природы класса является то, что при копировании соответствующей переменной через присваивание, копируется только интерфейс, но не сами данные, то есть класс - ссылочный тип данных. Переменная-объект, относящаяся к заданному классом типу, называется экземпляром этого класса. При этом в некоторых исполняющих системах класс также может представляться некоторым объектом при выполнении программы посредством динамической идентификации типа данных . Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы обеспечить отвечающие природе объекта и решаемой задаче целостность данных объекта, а также удобный и простой интерфейс. В свою очередь, целостность предметной области объектов и их интерфейсов, а также удобство их проектирования, обеспечивается наследованием. Объект Сущность в адресном пространстве вычислительной системы, появляющаяся при создании экземпляра класса (например, после запуска результатов компиляции и связывания исходного кода на выполнение).

Классификация подвидов ООП

Лука Карделли и Мартин Абади построили теоретическое обоснование ООП и классификацию на основе этого обоснования . Они отмечают, что выделенные ими понятия и категории вместе встречаются далеко не во всех ОО-языках, большинство языков поддерживают лишь подмножества теории, а порой и своеобразные отклонения от неё.

Наиболее заметные отличия в проявлении показателей качества между языками разных видов:

• В мейнстримных языках декларируемые принципы нацелены на повышение изначально низкого для императивного программирования коэффициента повторного использования кода . В полиморфно типизированных применение концепций ООП, напротив, означает очевидное его снижение из-за перехода от параметрического полиморфизма к ad hoc полиморфизму . В динамически типизированных языках (Smalltalk , Python , Ruby) эти принципы используются для логической организации программы, и их влияние на коэффициент повторного использования трудно спрогнозировать - он сильно зависит от дисциплины программиста. Например, в CLOS мультиметоды одновременно являются функциями первого класса , что позволяет рассматривать их одновременно и как связанно квантифицированные , и как обобщённые (истинно полиморфные).
• Традиционные ОО-языки используют номинативную типизацию , то есть допустимость соиспользования объектов разных классов только при условии явного указания родственных отношений между классами. Для полиморфно типизированных языков характерна структурная типизация , то есть согласование классов между собой тем же механизмом, что и согласование числа 5 с типом int . Динамически типизированные языки также занимают здесь промежуточную позицию.

Обобщённое обоснование динамической диспетчеризации (включая множественную) в середине 1990-х годов построил Джузеппе Кастанья .

История

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования , где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование , КОП).

Взаимодействие объектов происходит посредством . Результатом дальнейшего развития ООП, по-видимому, будет агентно-ориентированое программирование , где агенты - независимые части кода на уровне выполнения. Взаимодействие агентов происходит посредством изменения среды , в которой они находятся.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной (исключительные ситуации , проверки) и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты (в аспектно-ориентированном программировании). Субъектно-ориентированное программирование расширяет понятие объекта посредством обеспечения более унифицированного и независимого взаимодействия объектов. Может являться переходной стадией между ООП и агентным программированием в части самостоятельного их взаимодействия.

Первым языком программирования, в котором были предложены основные понятия, впоследствии сложившиеся в парадигму, была Симула , но термин «объектная ориентированность» не использовался в контексте использования этого языка. В момент его появления в 1967 году в нём были предложены революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Фактически, Симула была «Алголом с классами», упрощающим выражение в процедурном программировании многих сложных концепций. Понятие класса в Симуле может быть полностью определено через композицию конструкций Алгола (то есть класс в Симуле - это нечто сложное, описываемое посредством примитивов).

Взгляд на программирование «под новым углом» (отличным от процедурного) предложили Алан Кэй и Дэн Ингаллс в языке Smalltalk . Здесь понятие класса стало основообразующей идеей для всех остальных конструкций языка (то есть класс в Смолтоке является примитивом, посредством которого описаны более сложные конструкции). Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования .

В настоящее время количество прикладных языков программирования (список языков), реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. Наиболее распространённые в промышленности языки (С++, Delphi, C#, Java и др.) воплощают объектную модель Симулы. Примерами языков, опирающихся на модель Смолтока, являются Objective-C, Python, Ruby.

Определение ООП и его основные концепции

В центре ООП находится понятие объекта. Объект - это сущность, которой можно посылать сообщения и которая может на них реагировать, используя свои данные. Объект - это экземпляр класса. Данные объекта скрыты от остальной программы. Сокрытие данных называется инкапсуляцией .

Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности - для этого требуется наличие наследования .

Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм подтипов - возможность единообразно обрабатывать объекты с различной реализацией при условии наличия общего интерфейса.

Сложности определения

ООП имеет уже более чем сорокалетнюю историю, но, несмотря на это, до сих пор не существует чёткого общепринятого определения данной технологии . Основные принципы, заложенные в первые объектные языки и системы, подверглись существенному изменению (или искажению) и дополнению при многочисленных реализациях последующего времени. Кроме того, примерно с середины 1980-х годов термин «объектно-ориентированный» стал модным , в результате с ним произошло то же самое, что несколько раньше с термином «структурный» (ставшим модным после распространения технологии структурного программирования) - его стали искусственно «прикреплять» к любым новым разработкам, чтобы обеспечить им привлекательность. Бьёрн Страуструп в 1988 году писал, что обоснование «объектной ориентированности» чего-либо, в большинстве случаев, сводится к ложному силлогизму : «X - это хорошо. Объектная ориентированность - это хорошо. Следовательно , X является объектно-ориентированным».

Роджер Кинг аргументированно настаивал, что его кот является объектно-ориентированным. Кроме прочих своих достоинств, кот демонстрирует характерное поведение, реагирует на сообщения, наделён унаследованными реакциями и управляет своим, вполне независимым, внутренним состоянием.

Однако общность механизма обмена сообщениями имеет и другую сторону - «полноценная» передача сообщений требует дополнительных накладных расходов, что не всегда приемлемо. Поэтому во многих современных объектно-ориентированных языках программирования используется концепция «отправка сообщения как вызов метода» - объекты имеют доступные извне методы, вызовами которых и обеспечивается взаимодействие объектов. Данный подход реализован в огромном количестве языков программирования, в том числе C++ , Object Pascal , Java , Oberon-2 . Однако, это приводит к тому, что сообщения уже не являются самостоятельными объектами, и, как следствие, не имеют атрибутов, что сужает возможности программирования. Некоторые языки используют гибридное представление, демонстрируя преимущества одновременно обоих подходов - например, CLOS , Python .

Концепция виртуальных методов , поддерживаемая этими и другими современными языками, появилась как средство обеспечить выполнение нужных методов при использовании полиморфных переменных, то есть, по сути, как попытка расширить возможности вызова методов для реализации части функциональности, обеспечиваемой механизмом обработки сообщений.

Особенности реализации

Как уже говорилось выше, в современных объектно-ориентированных языках программирования каждый объект является значением, относящимся к определённому классу . Класс представляет собой объявленный программистом составной тип данных , имеющий в составе:

Поля данных Параметры объекта (конечно, не все, а только необходимые в программе), задающие его состояние (свойства объекта предметной области). Иногда поля данных объекта называют свойствами объекта, из-за чего возможна путаница. Фактически поля представляют собой значения (переменные, константы), объявленные как принадлежащие классу. Методы Процедуры и функции, связанные с классом. Они определяют действия, которые можно выполнять над объектом такого типа, и которые сам объект может выполнять.

Классы могут наследоваться друг от друга. Класс-потомок получает все поля и методы класса-родителя, но может дополнять их собственными либо переопределять уже имеющиеся. Большинство языков программирования поддерживает только единичное наследование (класс может иметь только один класс-родитель), лишь в некоторых допускается множественное наследование - порождение класса от двух или более классов-родителей. Множественное наследование создаёт целый ряд проблем, как логических, так и чисто реализационных, поэтому в полном объёме его поддержка не распространена. Вместо этого в 1990-е годы появилось и стало активно вводиться в объектно-ориентированные языки понятие интерфейса . Интерфейс - это класс без полей и без реализации, включающий только заголовки методов. Если некий класс наследует (или, как говорят, реализует) интерфейс, он должен реализовать все входящие в него методы. Использование интерфейсов предоставляет относительно дешёвую альтернативу множественному наследованию.

Взаимодействие объектов в абсолютном большинстве случаев обеспечивается вызовом ими методов друг друга.

Инкапсуляция обеспечивается следующими средствами:

Контроль доступа Поскольку методы класса могут быть как чисто внутренними, обеспечивающими логику функционирования объекта, так и внешними, с помощью которых взаимодействуют объекты, необходимо обеспечить скрытость первых при доступности извне вторых. Для этого в языки вводятся специальные синтаксические конструкции, явно задающие область видимости каждого члена класса. Традиционно это модификаторы public, protected и private, обозначающие, соответственно, открытые члены класса, члены класса, доступные внутри класса и из классов-потомков, и скрытые, доступные только внутри класса. Конкретная номенклатура модификаторов и их точный смысл различаются в разных языках. Методы доступа Поля класса в общем случае не должны быть доступны извне, поскольку такой доступ позволил бы произвольным образом менять внутреннее состояние объектов. Поэтому поля обычно объявляются скрытыми (либо язык в принципе не позволяет обращаться к полям класса извне), а для доступа к находящимся в полях данным используются специальные методы, называемые методами доступа. Такие методы либо возвращают значение того или иного поля, либо производят запись в это поле нового значения. При записи метод доступа может проконтролировать допустимость записываемого значения и, при необходимости, произвести другие манипуляции с данными объекта, чтобы они остались корректными (внутренне согласованными). Методы доступа называют ещё аксессорами (от англ. access - доступ), а по отдельности - геттерами (англ. get - чтение) и сеттерами (англ. set - запись) . Свойства объекта Псевдополя, доступные для чтения и/или записи. Свойства внешне выглядят как поля и используются аналогично доступным полям (с некоторыми исключениями), однако фактически при обращении к ним происходит вызов методов доступа. Таким образом, свойства можно рассматривать как «умные» поля данных, сопровождающие доступ к внутренним данным объекта какими-либо дополнительными действиями (например, когда изменение координаты объекта сопровождается его перерисовкой на новом месте). Свойства, по сути, не более чем синтаксический сахар , поскольку никаких новых возможностей они не добавляют, а лишь скрывают вызов методов доступа. Конкретная языковая реализация свойств может быть разной. Например, в объявление свойства непосредственно содержит код методов доступа, который вызывается только при работе со свойствами, то есть не требует отдельных методов доступа, доступных для непосредственного вызова. В Delphi объявление свойства содержит лишь имена методов доступа, которые должны вызываться при обращении к полю. Сами методы доступа представляют собой обычные методы с некоторыми дополнительными требованиями к сигнатуре .

Полиморфизм реализуется путём введения в язык правил, согласно которым переменной типа «класс» может быть присвоен объект любого класса-потомка её класса.

Проектирование программ в целом

ООП ориентировано на разработку крупных программных комплексов, разрабатываемых командой программистов (возможно, достаточно большой). Проектирование системы в целом, создание отдельных компонентов и их объединение в конечный продукт при этом часто выполняется разными людьми, и нет ни одного специалиста, который знал бы о проекте всё.

Объектно-ориентированное проектирование ориентируется на описание структуры проектируемой системы (приоритетно по отношению к описанию её поведения, в отличие от функционального программирования), то есть, фактически, в ответе на два основных вопроса:

• Из каких частей состоит система ;
• В чём состоит ответственность каждой из ее частей .

Выделение частей производится таким образом, чтобы каждая имела минимальный по объёму и точно определённый набор выполняемых функций (обязанностей), и при этом взаимодействовала с другими частями как можно меньше.

Дальнейшее уточнение приводит к выделению более мелких фрагментов описания. По мере детализации описания и определения ответственности выявляются данные, которые необходимо хранить, наличие близких по поведению агентов, которые становятся кандидатами на реализацию в виде классов с общими предками. После выделения компонентов и определения интерфейсов между ними реализация каждого компонента может проводиться практически независимо от остальных (разумеется, при соблюдении соответствующей технологической дисциплины).

Большое значение имеет правильное построение иерархии классов. Одна из известных проблем больших систем, построенных по ООП-технологии - так называемая проблема хрупкости базового класса . Она состоит в том, что на поздних этапах разработки, когда иерархия классов построена и на её основе разработано большое количество кода, оказывается трудно или даже невозможно внести какие-либо изменения в код базовых классов иерархии (от которых порождены все или многие работающие в системе классы). Даже если вносимые изменения не затронут интерфейс базового класса, изменение его поведения может непредсказуемым образом отразиться на классах-потомках. В случае крупной системы разработчик базового класса просто не в состоянии предугадать последствия изменений, он даже не знает о том, как именно базовый класс используется и от каких особенностей его поведения зависит корректность работы классов-потомков.

Различные ООП-методологии

Компонентное программирование - следующий этап развития ООП; прототип- и класс-ориентированное программирование - разные подходы к созданию программы, которые могут комбинироваться, имеющие свои преимущества и недостатки.

Компонентное программирование

Компонентно-ориентированное программирование - это своеобразная «надстройка» над ООП, набор правил и ограничений, направленных на построение крупных развивающихся программных систем с большим временем жизни. Программная система в этой методологии представляет собой набор компонентов с хорошо определёнными интерфейсами. Изменения в существующую систему вносятся путём создания новых компонентов в дополнение или в качестве замены ранее существующих. При создании новых компонентов на основе ранее созданных запрещено использование наследования реализации - новый компонент может наследовать лишь интерфейсы базового. Таким образом компонентное программирование обходит проблему хрупкости базового класса.

Прототипное программирование

Прототипное программирование , сохранив часть черт ООП, отказалось от базовых понятий - класса и наследования.

• Прототип - это объект-образец, по образу и подобию которого создаются другие объекты. Объекты-копии могут сохранять связь с родительским объектом, автоматически наследуя изменения в прототипе; эта особенность определяется в рамках конкретного языка .
• Вместо механизма описания классов и порождения экземпляров, язык предоставляет механизм создания объекта (путём задания набора полей и методов, которые объект должен иметь) и механизм клонирования объектов.
• Каждый вновь созданный объект является «экземпляром без класса». Каждый объект может стать прототипом - быть использован для создания нового объекта с помощью операции клонирования . После клонирования новый объект может быть изменён, в частности, дополнен новыми полями и методами.
• Клонированный объект либо становится полной копией прототипа, хранящей все значения его полей и дублирующей его методы, либо сохраняет ссылку на прототип, не включая в себя клонированных полей и методов до тех пор, пока они не будут изменены. В последнем случае среда исполнения обеспечивает механизм делегирования - если при обращении к объекту он сам не содержит нужного метода или поля данных, вызов передаётся прототипу, от него, при необходимости - дальше по цепочке.

Класс-ориентированное программирование

Класс-ориентированное программирование - это программирование, сфокусированное на данных, причём данные и поведение неразрывно связаны между собой. Вместе данные и поведение представляют собой класс. Соответственно в языках, основанных на понятии «класс», все объекты разделены на два основных типа - классы и экземпляры. Класс определяет структуру и функциональность (поведение), одинаковую для всех экземпляров данного класса. Экземпляр является носителем данных - то есть обладает состоянием, меняющимся в соответствии с поведением, заданным классом. В класс-ориентированных языках новый экземпляр создаётся через вызов конструктора класса (возможно, с набором параметров). Получившийся экземпляр имеет структуру и поведение, жёстко заданные его классом.

Производительность объектных программ

Гради Буч указывает на следующие причины, приводящие к снижению производительности программ из-за использования объектно-ориентированных средств:

Динамическое связывание методов Обеспечение полиморфного поведения объектов приводит к необходимости связывать методы, вызываемые программой (то есть определять, какой конкретно метод будет вызываться) не на этапе компиляции, а в процессе исполнения программы, на что тратится дополнительное время. При этом реально динамическое связывание требуется не более чем для 20 % вызовов, но некоторые ООП-языки используют его постоянно. Значительная глубина абстракции ООП-разработка часто приводит к созданию «многослойных» приложений, где выполнение объектом требуемого действия сводится к множеству обращений к объектам более низкого уровня. В таком приложении происходит очень много вызовов методов и возвратов из методов, что, естественно, сказывается на производительности. Наследование «размывает» код Код, относящийся к «конечным» классам иерархии наследования, которые обычно и используются программой непосредственно, находится не только в самих этих классах, но и в их классах-предках. Относящиеся к одному классу методы фактически описываются в разных классах. Это приводит к двум неприятным моментам:

• Снижается скорость трансляции, так как компоновщику приходится подгружать описания всех классов иерархии.
• Снижается производительность программы в системе со страничной памятью - поскольку методы одного класса физически находятся в разных местах кода, далеко друг от друга, при работе фрагментов программы, активно обращающихся к унаследованным методам, система вынуждена производить частые переключения страниц.

Инкапсуляция снижает скорость доступа к данным Запрет на прямой доступ к полям класса извне приводит к необходимости создания и использования методов доступа. И написание, и компиляция, и исполнение методов доступа сопряжены с дополнительными расходами. Динамическое создание и уничтожение объектов Динамически создаваемые объекты, как правило, размещаются в куче , что менее эффективно, чем размещение их на стеке и, тем более, статическое выделение памяти под них на этапе компиляции.

Несмотря на отмеченные недостатки, Буч утверждает, что выгоды от использования ООП более весомы. Кроме того, повышение производительности за счёт лучшей организации ООП-кода, по его словам, в некоторых случаях компенсирует дополнительные накладные расходы на организацию функционирования программы. Можно также заметить, что многие эффекты снижения производительности могут сглаживаться или даже полностью устраняться за счёт качественной оптимизации кода компилятором. Например, упомянутое выше снижение скорости доступа к полям класса из-за использования методов доступа устраняется, если компилятор вместо вызова метода доступа использует инлайн-подстановку (современные компиляторы делают это вполне уверенно).

Критика ООП

Несмотря на отдельные критические замечания в адрес ООП, в настоящее время именно эта парадигма используется в подавляющем большинстве промышленных проектов. Однако нельзя считать, что ООП является наилучшей из методик программирования во всех случаях.

Критические высказывания в адрес ООП:

• Было показано отсутствие значимой разницы в продуктивности разработки программного обеспечения между ООП и процедурным подходом .
• Кристофер Дэйт указывает на невозможность сравнения ООП и других технологий во многом из-за отсутствия строгого и общепризнанного определения ООП .
• Александр Степанов в одном из своих интервью указывал, что ООП «методологически неправильно» и что «…ООП практически такая же мистификация, как и искусственный интеллект…» .
• Фредерик Брукс указывает, что наиболее сложной частью создания программного обеспечения является «…спецификация, дизайн и тестирование концептуальных конструкций, а отнюдь не работа по выражению этих концептуальных конструкций…». ООП (наряду с такими технологиями как искусственный интеллект , верификация программ, автоматическое программирование, графическое программирование , экспертные системы и др.), по его мнению, не является «серебряной пулей», которая могла бы на порядок величины снизить сложность разработки программных систем. Согласно Бруксу, «…ООП позволяет сократить только привнесённую сложность в выражение дизайна. Дизайн остаётся сложным по своей природе…» .
• Эдсгер Дейкстра указывал: «…то, о чём общество в большинстве случаев просит - это эликсир от всех болезней. Естественно, "эликсир" имеет очень впечатляющие названия, иначе будет очень трудно что-то продать: „Структурный анализ и Дизайн“, „Программная инженерия“, „Модели зрелости“, „Управляющие информационные системы“ (Management Information Systems), „Интегрированные среды поддержки проектов“, „Объектная ориентированность“, „Реинжиниринг бизнес-процессов “…» .
• Никлаус Вирт считает, что ООП - не более чем тривиальная надстройка над структурным программированием, и преувеличение её значимости, выражающееся, в том числе, во включении в языки программирования всё новых модных «объектно-ориентированных» средств, вредит качеству разрабатываемого программного обеспечения.
• Патрик Киллелиа в своей книге «Тюнинг веб-сервера» писал: «…ООП предоставляет вам множество способов замедлить работу ваших программ…».
• Известная обзорная статья проблем современного ООП-программирования перечисляет некоторые типичные проблемы ООП [ ] .
• В программистском фольклоре получила широкое распространение критика объектно-ориентированного подхода в сравнении с функциональным подходом с использованием метафоры «Королевства Существительных » из эссе Стива Йегги .

Если попытаться классифицировать критические высказывания в адрес ООП, можно выделить несколько аспектов критики данного подхода к программированию.

Критика рекламы ООП Критикуется явно высказываемое или подразумеваемое в работах некоторых пропагандистов ООП, а также в рекламных материалах «объектно-ориентированных» средств разработки представление об объектном программировании как о некоем всемогущем подходе, который магическим образом устраняет сложность программирования. Как замечали многие, в том числе упомянутые выше Брукс и Дейкстра, «серебряной пули не существует» - независимо от того, какой парадигмы программирования придерживается разработчик, создание нетривиальной сложной программной системы всегда сопряжено со значительными затратами интеллектуальных ресурсов и времени. Из наиболее квалифицированных специалистов в области ООП никто, как правило, не отрицает справедливость критики этого типа. Оспаривание эффективности разработки методами ООП Критики оспаривают тезис о том, что разработка объектно-ориентированных программ требует меньше ресурсов или приводит к созданию более качественного ПО. Проводится сравнение затрат на разработку разными методами, на основании которого делается вывод об отсутствии у ООП преимуществ в данном направлении. Учитывая крайнюю сложность объективного сравнения различных разработок, подобные сопоставления, как минимум, спорны. С другой стороны, получается, что ровно так же спорны и утверждения об эффективности ООП. Производительность объектно-ориентированных программ Указывается на то, что целый ряд «врождённых особенностей» ООП-технологии делает построенные на её основе программы технически менее эффективными, по сравнению с аналогичными необъектными программами. Не отрицая действительно имеющихся дополнительных накладных расходов на организацию работы ООП-программ (см. раздел «Производительность» выше), нужно, однако, отметить, что значение снижения производительности часто преувеличивается критиками. В современных условиях, когда технические возможности компьютеров чрезвычайно велики и постоянно растут, для большинства прикладных программ техническая эффективность оказывается менее существенна, чем функциональность, скорость разработки и сопровождаемость. Лишь для некоторого, очень ограниченного класса программ (ПО встроенных систем, драйверы устройств, низкоуровневая часть системного ПО, научное ПО) производительность остаётся критическим фактором. Критика отдельных технологических решений в ООП-языках и библиотеках Эта критика многочисленна, но затрагивает она не ООП как таковое, а приемлемость и применимость в конкретных случаях тех или иных реализаций её механизмов. Одним из излюбленных объектов критики является язык C++, входящий в число наиболее распространённых промышленных ООП-языков.

Объектно-ориентированные языки

Многие современные языки специально созданы для облегчения объектно-ориентированного программирования. Однако следует отметить, что можно применять техники ООП и для не-объектно-ориентированного языка и наоборот, применение объектно-ориентированного языка вовсе не означает, что код автоматически становится объектно-ориентированным.

Как правило, объектно-ориентированный язык (ООЯ) содержит следующий набор элементов:

• Объявление классов с полями (данными - членами класса) и методами (функциями - членами класса).
• Механизм расширения класса (наследования) - порождение нового класса от существующего с автоматическим включением всех особенностей реализации класса-предка в состав класса-потомка. Большинство ООЯ поддерживают только единичное наследование.
• Полиморфные переменные и параметры функций (методов), позволяющие присваивать одной и той же переменной экземпляры различных классов.
• Полиморфное поведение экземпляров классов за счёт использования виртуальных методов. В некоторых ООЯ все методы классов являются виртуальными.

Некоторые языки добавляют к указанному минимальному набору те или иные дополнительные средства. В их числе.

по существу пользовались парадигмой директивного программирования - целью было создание кода, воздействующего должным образом на данные. Этот подход хорош при решении небольших задач, но порождает множество трудноразрешимых проблем при попытке создания больших программных систем .

Одной из альтернатив директивному программированию является объектно-ориентированное программирование , которое действительно помогает справиться с нелинейно растущей сложностью программ при увеличении их объема. Не следует, однако, делать вывод , что использование парадигмы объектно-ориентированного программирования гарантирует успешное решение всех проблем.

Для того чтобы стать профессионалом в программировании, необходимы талант, способность к творчеству, интеллект , знания, логика, умение строить и использовать абстракции и, самое главное, опыт .

В этом параграфе мы продолжим знакомство с базисными концепциями объектно-ориентированного программирования, начатое еще в первой главе книги. Сначала будут обсуждены общие для различных языков программирования понятия ООП , а затем - их реализация в языке Java .

Следует знать, что курс объектно-ориентированного программирования читается студентам-старшекурсникам в течение целого семестра, и поэтому материал, изложенный ниже, представляет собой лишь самое начальное введение в мир ООП . Значительно более полное изложение многих вопросов, связанных с объектно-ориентированными дизайном, проектированием и программированием, содержится в книге , а в третьей главе книги можно найти очень ясное описание всех объектно-ориентированных аспектов языка Java .

Основные концепции ООП

Объектно-ориентированное программирование или ООП (object-oriented programming) - методология программирования , основанная на представлении программы в виде совокупности объектов , каждый из которых является реализацией определенного типа , использующая механизм пересылки сообщений и классы , организованные в иерархию наследования .

Центральный элемент ООП - абстракция . Данные с помощью абстракции преобразуются в объекты, а последовательность обработки этих данных превращается в набор сообщений, передаваемых между этими объектами. Каждый из объектов имеет свое собственное уникальное поведение. С объектами можно обращаться как с конкретными сущностями, которые реагируют на сообщения, приказывающие им выполнить какие-то действия.

ООП характеризуется следующими принципами ( по Алану Кею):

• все является объектом ;
• вычисления осуществляются путем взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некоторое действие; объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения ; сообщение - это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия;
• каждый объект имеет независимую память , которая состоит из других объектов ;
• каждый объект является представителем класса , который выражает общие свойства объектов данного типа ;
• в классе задается функциональность (поведение объекта); тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия;
• классы организованы в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования ; память и поведение, связанное с экземплярами определенного класса, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.

Определение 10.1 . Абстрагирование (abstraction) - метод решения задачи, при котором объекты разного рода объединяются общим понятием (концепцией), а затем сгруппированные сущности рассматриваются как элементы единой категории.

Абстрагирование позволяет отделить логический смысл фрагмента программы от проблемы его реализации, разделив внешнее описание ( интерфейс ) объекта и его внутреннюю организацию (реализацию).

Определение 10.2 . Инкапсуляция (encapsulation) - техника, при которой несущественная с точки зрения интерфейса объекта информация прячется внутри него.

Определение 10.3 . Наследование (inheritance) - свойство объектов, посредством которого экземпляры класса получают доступ к данным и методам классов-предков без их повторного определения.

Наследование позволяет различным типам данных совместно использовать один и тот же код, приводя к уменьшению его размера и повышению функциональности.

Определение 10.4 .

Объектно-ориентированное программирование (ООП) составляет основу Java. По существу, все программы на Java являются в какой-то степени объектно- ориентированными. Язык Java связан с ООП настолько тесно, что прежде чем приступить к написанию на нем даже простейших программ, следует вначале ознакомиться с основными принципами ООП. Поэтому начнем с рассмотрения тео­ретических вопросов ООП.

Две методики

Все компьютерные программы состоят из двух элементов: кода и данных. Более того, программа концептуально может быть организована вокруг своего кода или своих данных. Иными словами, организация одних программ определяется тем, “что происходит”, а других - тем, “на что оказывается влияние”. Существуют две методики создания программ. Первая из них называется моделью, ориентированной на процессы и характеризует программу как последовательность линейных шагов (т.е. кода). Модель, ориентированную на процессы, можно рассматривать в каче­стве кода, воздействующего на данные. Такая модель довольно успешно применяется в процедурных языках вроде С. Но, как отмечалось в главе 1, подобный подход по­рождает ряд трудностей в связи с увеличением размеров и сложности программ.

С целью преодолеть увеличение сложности программ была начата разработ­ка подхода, называемого объектно-ориентированным программированием. Объектно- ориентированное программирование позволяет организовать программу вокруг ее данных (т.е. объектов) и набора вполне определенных интерфейсов с этими данными. Объектно-ориентированную программу можно охарактеризовать как данные, управляющие доступом к коду. Как будет показано далее, передавая функции управления данными, можно получить несколько организационных преимуществ.

Абстракция

Важным элементом ООП является абстракция. Человеку свойственно представ­лять сложные явления и объекты, прибегая к абстракции. Например, люди представляют себе автомобиль не в виде набора десятков тысяч отдельных деталей, а в виде совершенно определенного объекта, имеющего свое особое поведение. Эта абстракция позволяет не задумываться о сложности деталей, составляющих автомобиль, скажем, при поездке в магазин. Можно не обращать внимания на подробности работы двигателя, коробки передач и тормозной системы. Вместо этого объект можно использовать как единое целое.

Эффективным средством применения абстракции служат иерархические клас­сификации. Это позволяет упрощать семантику сложных систем, разбивая их на более управляемые части. Внешне автомобиль выглядит единым объектом. Но стоит заглянуть внутрь, как становится ясно, что он состоит из нескольких под­систем: рулевого управления, тормозов, аудиосистемы, привязных ремней, обо­гревателя, навигатора и т.п. Каждая из этих подсистем, в свою очередь, собрана из более специализированных узлов. Например, аудиосистема состоит из радиопри­емника, проигрывателя компакт-дисков и/или аудиокассет. Суть всего сказанного состоит в том, что структуру автомобиля (или любой другой сложной системы) можно описать с помощью иерархических абстракций.

Иерархические абстракции сложных систем можно применять и к компьютер­ным программам. Благодаря абстракции данные традиционной, ориентирован­ной на процессы, программы можно преобразовать в составляющие ее объекты, а последовательность этапов процесса - в совокупность сообщений, передавае­мых между этими объектами. Таким образом, каждый из этих объектов описывает свое особое поведение. Эти объекты можно считать конкретными сущностями, реагирующими на сообщения, предписывающие им вътолнитьконкретное действие. В этом, собственно, и состоит вся суть ООП.

Принципы ООП лежат как в основе языка Java, так и восприятия мира человеком. Важно понимать, каким образом эти принципы реализуются в программах. Как станет ясно в дальнейшем, ООП яаляется еще одной, но более эффективной и естественной методикой создания программ, способных пережить неизбежные изменения, сопро­вождающие жизненный цикл любого крупного программного проекта, включая за­рождение общего замысла, развитие и созревание. Например, при наличии тщатель­но определенных объектов и ясных, надежных интерфейсов с этими объектам можно безбоязненно и без особого труда извлекать или заменять части старой системы.

Три принципа ООП

Все языки объектно-ориентированного программирования предоставляют ме­ханизмы, облегчающие реализацию объектно-ориентированной модели. Этими механизмами являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Рассмотрим эти принципы ООП в отдельности.

Инкапсуляция

Механизм, связывающий код и данные, которыми он манипулирует, защищая оба эти компонента от внешнего вмешательства и злоупотреблений, называется инкап­суляцией. Инкапсуляцию можно считать защитной оболочкой, которая предохраня­ет код и данные от произвольного доступа со стороны другого кода, находящегося снаружи оболочки. Доступ к коду и данным, находящимся внутри оболочки, строго контролируется тщательно определенным интерфейсом. Чтобы провести анало­гию с реальным миром, рассмотрим автоматическую коробку передач автомобиля. Она инкапсулирует немало сведений об автомобиле, в том числе величину ускоре­ния, крутизну поверхности, по которой совершается движение, а также положение рычага переключения скоростей. Пользователь (в данном случае водитель) может оказывать влияние на эту сложную инкапсуляцию только одним способом: переме­щая рычаг переключения скоростей. На коробку передач нельзя воздействовать, например, с помощью индикатора поворота или дворников. Таким образом, рычаг переключения скоростей является строго определенным, а по существу, единствен­ным, интерфейсом с коробкой передач. Более того, происходящее внутри коробки передач не влияет на объекты, находящиеся вне ее. Например, переключение пере­дач не включает фары! Функция автоматического переключения передач инкапсу­лирована, и поэтому десятки изготовителей автомобилей могут реализовать ее как угодно. Но с точки зрения водителя все эти коробки передач работают одинаково. Аналогичный принцип можно применять и в программировании. Сильная сторона инкапсулированного кода состоит в следующем: всем известно, как получить доступ к нему, а следовательно, его можно использовать независимо о подробностей реали­зации и не опасаясь неожиданных побочных эффектов.

Основу инкапсуляции ejavaсоставляет класс. Подробнее классы будут рассмотре­ны в последующих главах, а до тех пор полезно дать хотя бы краткое их описание. Класс определяет структуру и поведение (данные и код), которые будут совместно использоваться набором объектов. Каждый объект данного класса содержит струк­туру и поведение, которые определены классом, как если бы объект был “отлит” в форме класса. Поэтому иногда объекты называют экземплярами класса. Таким об­разом, класс - это логическая конструкция, а объект - ее физическое воплощение.

При создании класса определяются код и данные, которые образуют этот класс. Совместно эти элементы называются членами класса. В частности, определенные в классе данные называются перемени ымичленами, или переменными экземпляра, а код, оперирующий данными, - методами-членами, или просто методами. (То, что програм­мирующие на Java называют методами, программирующие на C/C++ называют функ­циями) В программах, правильно написанных на Java, методы определяют, каким об­разом используются переменные-члены. Это означает, что поведение и интерфейс класса определяются методами, оперирующими данными его экземпляра.

Поскольку назначение класса состоит в инкапсуляции сложной структуры про­граммы, существуют механизмы сокрытия сложной структуры реализации в самом классе. Каждый метод или переменная в классе могут быть помечены как закрытые или открытые. Открытый интерфейс класса представляет все, что должны или мо­гут знать внешние пользователи класса. Закрытые методы и данные могут быть до­ступны только для кода, который является членом данного класса. Следовательно, любой другой код, не являющийся членом данного класса, не может получать доступ к закрытому методу или переменной. Закрытые члены класса доступны другим ча­стям программы только через открытые методы класса, и благодаря этому исключа­ется возможность выполнения неправомерных действий. Это, конечно, означает, что открытый интерфейс должен быть тщательно спроектирован и не должен рас­крывать лишние подробности внутреннего механизма работы класса (рис 1).

Рис. 1.

Наследование

Процесс, в результате которого один объект получает свойства другого, назы­вается наследованием. Это очень важный принцип ООП, поскольку наследование обеспечивает принцип иерархической классификации. Как отмечалось ранее, большинство знаний становятся доступными для усвоения благодаря иерархиче­ской (т.е. нисходящей) классификации. Например, золотистый ретривер - часть классификации собак, которая, в свою очередь, относится к классу млекопитающих, а тот - к еще большему классу животных. Без иерархий каждый объект должен был бы явно определять все свои характеристики. Но благодаря наследованию объект должен определять только те из них, которые делают его особым в классе. Объект может наследовать общие атрибуты от своего родительского объекта. Таким об­разом, механизм наследования позволяет сделать один объект частным случаем более общего случая. Рассмотрим этот механизм подробнее.

Как правило, большинство людей воспринимают окружающий мир в виде ие­рархически связанных между собой объектов, подобных животным, млекопитаю­щим и собакам. Если требуется привести абстрактное описание животных, можно сказать, что они обладают определенными свойствами: размеры, уровень интел­лекта и костная система. Животным присущи также определенные особенности поведения: они едят, дышат и спят. Такое описание свойств и поведения составля­ет определение класса животных.

Если бы потребовалось описать более конкретный класс животных, например млекопитающих, следовало бы указать более конкретные свойства, в частности тип зубов и молочных желез. Такое определение называется подклассом животных, которые относятся к суперклассу (родительскому классу) млекопитающих. А поскольку млекопитающие - лишь более точно определенные животные, то они на­следуют все свойства животных. Подкласс нижнего уровня иерархии классов наследу­ет все свойства каждого из его родительских классов (рис. 2).

Рис. 2.

Наследование связано также с инкапсуляцией. Если отдельный класс инкапсули­рует определенные свойства, то любой его подкласс будет иметь те же самые свойства плюс любые дополнительные, определяющие его специализацию (рис. 3). Благодаря этому ключевому принципу сложность объектно-ориентированных программ нарастает в арифметической, а не геометрической прогрессии. Новый под­класс наследует атрибуты всех своих родительских классов и поэтому не содержит непредсказуемые взаимодействия с большей частью остального кода системы.

Рис. 3. Лабрадор полностью наследует инкапсулированные свойства всех родительских классов животных

Полиморфизм

Полиморфизм (от греч. “много форм”) - это принцип ООП, позволяющий ис­пользовать один и тот же интерфейс для общего класса действий. Каждое действие зависит от конкретной ситуации. Рассмотрим в качестве примера стек, действую­щий как список обратного магазинного типа. Допустим, в программе требуются стеки трех типов: для целочисленных значений, для числовых значений с плаваю­щей точкой и для символов. Алгоритм реализации каждого из этих стеков остается неизменным, несмотря на отличия в данных, которые в них хранятся. В языке, не являющемся объектно-ориентированным, для обращения со стеком пришлось бы создавать три разных ряда служебных программ под отдельными именами. A ejava, благодаря принципу полиморфизма, для обращения со стеком можно определить общий ряд служебных программ под одними и теми же общими именами.

В более общем смысле принцип полиморфизма нередко выражается фразой “один интерфейс, несколько методов”. Это означает, что можно разработать об­щий интерфейс для группы связанных вместе действий. Такой подход позволяет уменьшить сложность программы, поскольку один и тот же интерфейс служит для указания общего класса действий. А выбор конкретного действия (т.е. метода) де­лается применительно к каждой ситуации и входит в обязанности компилятора. Это избавляет программиста от необходимости делать такой выбор вручную. Ему нужно лишь помнить об общем интерфейсе и правильно применять его.

Если продолжить аналогию с собаками, то можно сказать, что собачье обоня­ние - полиморфное свойство. Если собака почувствует запах кошки, она залает и погонится за ней. А если собака почувствует запах своего корма, то у нее нач­нется слюноотделение, и она поспешит к своей миске. В обоих случаях действует одно и то же чувство обоняния. Отличие лишь в том, что именно издает запах, т.е. в типе данных, воздействующих на нос собаки! Этот общий принцип можно реализовать, применив его к методам в программе на Java.

Совместное применение полиморфизма, инкапсуляции и наследования

Если принципы полиморфизма, инкапсуляции и наследования применяются правильно, то они образуют совместно среду программирования, поддерживаю­щую разработку более устойчивых и масштабируемых программ, чем в том случае, когда применяется модель, ориентированная на процессы. Тщательно продуман­ная иерархия классов служит прочным основанием для многократного использо­вания кода, на разработку и проверку которого были затрачены время и усилия. Инкапсуляция позволяет возвращаться к ранее созданным реализациям, не нару­шая код, зависящий от открытого интерфейса применяемых в приложении клас­сов. А полиморфизм позволяет создавать понятный, практичный, удобочитаемый и устойчивый код.

Из двух приведенных ранее примеров из реальной жизни примере автомобиля­ми более полно иллюстрирует возможности ООП. Если пример с собаками вполне подходит для рассмотрения ООП с точки зрения наследования, то пример с авто­мобилями имеет больше общего с программами. Садясь за руль различных типов (подклассов) автомобилей, все водители пользуются наследованием. Независимо от того, является ли автомобиль школьным автобусом, легковым, спортивным автомобилем или семейным микроавтобусом, все водители смогут легко найти руль, тормоза, педаль акселератора и пользоваться ими. Немного повозившись с рычагом переключения передач, большинство людей могут даже оценить отличия руч­ной коробки передач от автоматической, поскольку они имеют ясное представление об общем родительском классе этих объектов - системе передач.

Пользуясь автомобилями, люди постоянно взаимодействуют с их инкапсули­рованными характеристиками. Педали тормоза и газа скрывают невероятную сложность соответствующих объектов за настолько простым интерфейсом, что для управления этими объектами достаточно нажать ступней педаль! Конкретная реализация двигателя, тип тормозов и размер шин не оказывают никакого влия­ния на порядок взаимодействия с определением класса педалей.

И наконец, полиморфизм ясно отражает способность изготовителей автомо­билей предлагать большое разнообразие вариантов, по сути, одного и того же средства передвижения. Так, на автомобиле могут быть установлены система тор­мозов с защитой от блокировки или традиционные тормоза, рулевая система с гидроусилителем или с реечной передачей и 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели. Но в любом случае придется нажать на педаль тормоза, чтобы остановиться, вращать руль, чтобы повернуть, и нажать на педаль акселератора, чтобы автомобиль дви­гался быстрее. Один и тот же интерфейс может быть использован для управления самыми разными реализациями.

Как видите, благодаря совместному применению принципов инкапсуляции, наследования и полиморфизма отдельные детали удается превратить в объект, называемый автомобилем. Это же относится и к компьютерным программам. Принципы ООП позволяют составить связную, надежную, сопровождаемую про­грамму из многих отдельных частей.

Как отмечалось в начале этого раздела, каждая программа на Java является объ­ектно-ориентированной. Точнее говоря, в каждой программе Hajava применяют­ся принципы инкапсуляции, наследования иполиморфизма. На первый взгляд может показаться, что не все эти принципы проявляются в коротких примерах программ, приведенных в остальной части этой главы и ряде последующих глав, тем не менее они в них присутствуют. Как станет ясно в дальнейшем, многие языковые средства Java являются составной частью встроенных библиотек классов, в которых широко применяются принципы инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Класс (classes ) является типом данных, определяемых пользователем. В классе задаются свойства и поведение какого-либо предмета или процесса в виде полей данных и функций для работы с ними.

Существенным свойством класса является то, что детали его реализации скрыты от пользователей класса за интерфейсом. Таким образом, класс как модель объекта реального мира является черным ящиком, замкнутым по отношению к внешнему миру.

Идея классов является основной объектно-ориентированного программирования (ООП). Основные принципы ООП были разработаны еще в языках Simula-67 иSmallTalk, но в то время не получили широкого распространения из-за трудностей освоения и низкой эффективности реализации.

Конкретные величины типа данных «класс» называют экземплярами класса илиобъектами (objects ) .

Подпрограммы, определяющие операции над объектами класса, называются методами (methods ). Вызовы методов называютсясообщениями (messages ). Весь набор методов объекта называется протоколом сообщений (messageprotocol), илиинтерфейсом сообщений (message interface ) объекта. Сообщение должно иметь, по крайней мере, две части: конкретный объект, которому оно должно быть послано, и имя метода, определяющего необходимое действие над объектом. Таким образом, вычисления в объектно-ориентированной программе определяются сообщениями, передаваемыми от одного объекта к другому.

Объекты взаимодействуют между собой, посылая и получая сообщения. Сообщение – это запрос на выполнение действия, содержащий набор необходимых параметров. Механизм сообщения реализуется с помощью вызова соответствующих функций. С помощью ООП легко реализуется так называемая событийно-управляемая модель, когда данные активны и управляют вызовом того или иного фрагмента программного кода.

ООП - это метод программирования, развивающий принципы структурного программирования и основанный на следующих абстракциях данных:

I. Инкапсуляция : объединение данных с процедурами и функциями в единый блок программного кода (данные и методы работы с ними рассматриваются как поля объекта).

II. Наследование – передача методов и свойств от предка к потомку, без необходимости написания дополнительного программного кода (наличие экземпляров класса; потомки, прародители, иерархия).

III. Полиморфизм – возможность изменения одинаковых по смыслу свойств и поведения объектов в зависимости от их типа (единое имя для некого действия, которое по-разному осуществляется для объектов иерархии).

Инкапсуляция

Впервые понятие инкапсуляции было использовано в языках, поддерживающих так называемый абстрактный подход к программированию (например, Модула-2). Основная идея абстрактного подхода заключается в том, чтобы, скрыв от пользователя структуру информации об объекте, дать ему возможность получать необходимые для работы с объектом данные только через процедуры, относящиеся к этому объекту. Такой прием позволяет значительно повысить надежность и мобильность разработанного программного обеспечения. Надежность повышается вследствие того, что все процедуры для работы с данными об объекте относительно просты и прозрачны, а значит, могут быть разработаны более качественно. При изменении структуры данных достаточно переработать только программы, непосредственно связанные с объектом, а более сложные программы, использующие данный объект, изменять не нужно. Данное обстоятельство повышает как надежность, так и мобильности созданных программ.

Наследование

Во второй половине 1980-х годов для многих разработчиков программного обеспечения стало очевидным, что одной из наилучших возможностей для повышения производительности их труда является повторное использование программ. Вполне очевидно, что абстрактные типы данных с их инкапсуляцией и управлением доступом должны использоваться многократно. Проблема, связанная с повторным использованием абстрактных типов данных, почти во всех случаях заключается в том, что свойства и возможности существующих типов не вполне подходят для нового использования. Старые типы необходимо, по крайней мере минимально, модифицировать. Такие модификации могут быть трудновыполнимыми и требовать от человека понимания части, если не всего целиком, существующего кода. Кроме того, во многих случаях модификации влекут за собой изменения во всех программах-клиентах.

Вторая проблема, связанная с программированием, ориентированным на данные, заключается в том, что все определения абстрактных типов данных являются независимыми и находятся на одном и том же уровне иерархии. Это часто не позволяет так структурировать программу, чтобы она соответствовала своей проблемной области. Во многих случаях исходная задача содержит категории связанных между собой объектов, являющихся как наследниками одних и тех же предков (т.е. находящихся на одном и том же уровне иерархии), так и предками и наследниками (т.е. состоящих в отношении некоторой субординации друг с другом).

Наследование позволяет решить как проблемы модификации, возникающие в результате повторного использования абстрактного типа данных, так и проблемы организации программ. Если новый абстрактный тип данных может наследовать данные и функциональные свойства некоторого существующего типа, а также модифицировать некоторые из этих сущностей и добавлять новые сущности, то повторное использование значительно облегчается без необходимости вносить изменения в повторно используемый абстрактный тип данных. Программисты могут брать существующий абстрактный тип данных и создавать по его образцу новый тип, соответствующий новым требованиям задачи. Предположим, что в программе есть абстрактный тип данных для массивов целых чисел, включающий в себя операцию сортировки. После некоторого периода использования программа модифицируется и требует наличия не только абстрактного типа данных для массивов целых чисел с операцией сортировки, но и операции вычисления арифметического среднего для элементов объектов, представляющих собой массивы. Поскольку структура массива скрыта в абстрактном типе данных, без наследования этот тип должен быть модифицирован путем добавления новой операции в эту структуру. При наличии наследования нет необходимости в модификации существующего типа; можно описать подкласс существующего типа, поддерживающий не только операцию сортировки, но и операцию для вычисления среднего арифметического.

Класс, который определяется через наследование от другого класса, называется производным классом (derived class ) , илиподклассом (subclass ) . Класс, от которого производится новый класс, называетсяродительским классом (parent class ) , илисуперклассом (superclass ) .

В простейшем случае класс наследует все сущности (переменные и методы) родительского класса. Это наследование можно усложнить, введя управление доступом к сущностям родительского класса.

Это управление доступом позволяет программисту скрыть части абстрактного типа данных от клиентов. Такое управление доступом обычно есть в классах объектно-ориентированных языков. Производные классы представляют собой другой вид клиентов, которым доступ может быть либо предоставлен, либо запрещен. Чтобы это учесть, некоторые объектно-ориентированные языки включают в себя третью категорию управления доступом, часто называемую защищенной (protected), которая используется для предоставления доступа производным классам и запрещения доступа другим классам.

В дополнение к наследуемым сущностям производный класс может добавлять новые сущности и модифицировать методы. Модифицированный метод имеет то же самое имя и часто тот же самый протокол, что и метод, модификацией которого он является. Говорят, что новый метод замещает (override) наследуемую версию метода, который поэтому называется замещаемым (overriden) методом. Наиболее общее предназначение замещающего метода - выполнение операции, специфической для объектов производного класса и не свойственной для объектов родительского класса.

Разработка программы для объектно-ориентированной системы начинается с определения иерархии классов, описывающей отношения между объектами, которые войдут в программу, решающую поставленную задачу. Чем лучше эта иерархия классов соответствует проблемной части, тем более естественным будет полное решение.

Недостаток наследования как средства, облегчающего повторное использование кода, заключается в том, что оно создает зависимость между классами в иерархии наследования. Это умаляет одно из преимуществ абстрактных типов данных, заключающееся в их взаимной независимости. Конечно, не все абстрактные типы данных должны быть полностью независимыми, но в общем случае независимость абстрактных типов данных является одним из их самых сильных положительных свойств. Однако увеличение возможности повторного использования абстрактных типов данных без создания зависимостей между некоторыми из них может оказаться трудной задачей, если не совсем безнадежной.

Полиморфизм

Третьим свойством объектно-ориентированных языков программирования является вид полиморфизма, обеспечиваемый динамическим связыванием сообщений с определениями методов. Это свойство поддерживается путем разрешения определения полиморфных переменных типа родительского класса, которые также могут ссылаться на объекты любых подклассов данного класса. Родительский класс может определять метод, замещаемый в его подклассах. Операции, определяемые этими методами, похожи, но должны уточняться для каждого класса в иерархии. Когда такой метод вызывается через полиморфную переменную, этот вызов динамически связывается с методом в соответствующем классе. Одна из целей динамического связывания - обеспечить более легкое расширение программных систем при их разработке и поддержке. Такие программы можно писать для операций над объектами настраиваемых классов. Эти операции являются настраиваемыми в том смысле, что их можно применять к объектам любого класса, производного от одного и того же базового класса.

Вычисления в объектно-ориентированных языках

Все вычисления в полностью объектно-ориентированном языке выполняются с помощью передачи сообщения объекту для вызова одного из его методов. Ответом на сообщение является объект, возвращающий результат вычислений, выполненных этим методом. Выполнение программы на объектно-ориентированном языке можно описать как моделирование набора компьютеров (объектов), взаимодействующих друг с другом с помощью обмена сообщениями. Каждый объект - абстракция компьютера в том смысле, что он хранит данные и обеспечивает выполнение процессов для манипуляции этими данными. Кроме того, объекты могут передавать и получать сообщения. В сущности, это основные свойства компьютера - хранить и обрабатывать данные, а также передавать и получать сообщения.

Суть объектно-ориентированного программирования состоит в решении задач с помощью идентификации соответствующих реальных объектов и обработки, требуемой для этих объектов; и последующем моделировании этих объектов, их процессов и необходимых связей между ними.

Библиотека визуальных компонентов (Visual Component Library, VCL)

Delphi содержит большое количество классов, предназначенных для быстрой разработки приложений. Библиотека написана на Object Pascal и имеет непосредственную связь с интегрированной средой разработки приложений Delphi.

Все классы VCL расположены на определенном уровне иерархии и образуют дерево (иерархию) классов .

Знание происхождения объекта оказывает значительную помощь при его изучении, так как потомок наследует все элементы объекта-родителя. Так, если свойство Caption принадлежит классу TControl, то это свойство будет и у его потомков, например, у классов TButton и TCheckBox и у компонентов - кнопки Button и независимого переключателя CheckBox соответственно. Фрагмент иерархии классов с важнейшими классами показан на рис.

Кроме иерархии классов, большим подспорьем в изучении системы программирования являются исходные тексты модулей, которые находятся в каталоге SOURCE главного каталога Delphi.