Лекция 3:

оглавление

Введение в объектно-ориентированное программирование

• Развитие технологии и языков программирования. История ООП.
• ОО технология разработки программ.
• Инкапсуляция.
• Наследование.
• Полиморфизм.

Естественное стремление разработчиков программ – сократить время разработки, облегчить повторное использование отлаженных модулей и снизить издержки на сопровождение и модификацию программ.

Для достижения этих целей в отрасли создания программных комплексов используют методы и подходы управления процессом разработки. На разных этапах развития программной инженерии использовались различные технологии программирования – императивное программирование; модульное программирование; структурное программирование; программирование, управляемое данными; программирование, управляемое событиями; функциональное программирование; логическое программирование и т.п. Теперь невозможно принять участие в дискуссии, посвященной программированию, если не использовать термин "объектно–ориентированное программирование".

Что нового оно привнесло в методы разработки программ? На чем базируется? В каком направлении развивается? Вот вопросы, на которые мы попытаемся ответить (или, по крайней мере, выразим свое мнение на это счет).

На заре появления вычислительных машин программирование, как область знания, находилось в зачаточном состоянии. Первые программы создавались посредством переключателей на панели компьютера. Очевидно, что такой способ подходил только для небольших программ. Затем программы стали писать на языке машинных команд, а изобретение ассемблера позволило писать уже сравнительно длинные программы. Следующий шаг был сделан в 1950 году, когда был создан первый язык программирования высокого уровня Фортран.

Теперь программисты могли создавать программы длиной до нескольких тысяч строк длиной. Однако язык программирования, легко понимаемый в простых программах, когда дело касалось больших программ, становился нечитаемым (и неуправляемым). Избавление от таких неструктурированных программ пришло после изобретения в начале 70-х годов языков структурного программирования (Алгол, Паскаль и С). Структурное программирование подразумевает точно обозначенные управляющие структуры, программные блоки отсутствие (или минимальное использование) операторов GOTO, автономные подпрограммы, в которых поддерживается рекурсия и локальные переменные. С появлением структурного программирования появилась возможность разбиения программы на составляющие ее элементы. Теперь уже один программист был в состоянии создать и поддерживать программу в несколько десятков тысяч строк диной.

Хотя структурное программирование и принесло выдающиеся результаты, даже оно оказалось несостоятельным, когда программа достигала определенной длины. Чтобы писать более сложную программу, необходим был новый подход к программированию. В итоге были разработаны принципы объектно-ориентированного программирования, которое аккумулировало лучшие идеи, воплощенные в структурном программировании, в сочетании с мощными новыми концепциями, позволяющими оптимально организовать ваши программы. ООП позволяет разложить проблему на связанные между собой задачи. Каждая проблема становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, которые относятся к этому объекту. В этом случае исходная задача в целом упрощается, и программист получает возможность оперировать с гораздо большими по объему программами.

С++ – это попытка решения разработчиками языка С задач объектно-ориентированного программирования. С++ был разработан сотрудником исследовательской лаборатории компанииAT&T Бьерном Страуструпом (Bjarn Stroustrup) в 1980 году. В своих исторических замечаниях Страуструп поясняет, почему в качестве базового языка был выбран С:

Первоначальное название "С с классами" в 1983 году, по предложению Рика Масситти(Rick Mascitti), было изменено на С++. В этом же году С++ был впервые применен за пределами исследовательской группы. С 1980 года С++ претерпел два существенных изменения: в 1985 и 1990 годах. Первый рабочий проект языка С++ стандарта ANSI (American National Standarts Institute) был представлен в январе 1994 года.

14 ноября 1997 года Международная организация стандартизации (International Standarts Organization, ISO) утвердила стандарт С++. Бьерн Страуструп высоко оценил новый стандарт, отметив, что описанная в нем реализация гораздо ближе к идеалу, чем первоначальная версия языка. Ожидается, что фирмы-разработчики приведут свои продукты в соответствии со стандартом, что должно радикально улучшить переносимость написанных на С++ программ.

В объектно-ориентированном программировании базовыми единицами программ и данных являются объекты. (Можно сказать, что в чисто объектно-ориентированной системе ничего, кроме объектов нет).

Объект- это осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение.

Объект состоит из следующих трех частей:
- имя объекта;
- состояние (переменные состояния);
- методы (операции).

Интерфейс объекта с его окружением определен полностью его методами, так как к его состоянию нет другого доступа извне, как через методы.

Объект сохраняет свое состояние от обращения к обращению. Изменение состояний производится только через вызов методов этого объекта. Этим существенно ограничивается возможность введение объекта в недопустимое состояние и/или несанкционированное разрушение объекта. Возможность управлять состояниями объекта через вызов методов в конечном итоге будет определять поведение объекта.

Реализация методов (то есть, операций, выполняемых объектом), может быть задана различными способами. Однако это "внутренне дело" объекта.

Объект может посылать сообщения другим объектам и принимать сообщения от них.

Сообщение является совокупностью данных определенного типа, передаваемых объектом отправителем объекту получателю, имя которого указывается в сообщении. Получатель реагирует или никак не реагирует (защита) на сообщение выполнением некоторой операции (метода), имя которого также может быть указано в сообщении.

На рисунке показана разница в интерфейсах функции, процедуры и объекта.

По своему смыслу объект является представителем некоторой реальной сущности - реального объекта, процесса, ситуации, которая:

Совокупность объектов в системе ООП образует среду, в которой выполняются вычисления путем обмена сообщениями между объектами. Состояние вычислительной среды в ООП оказывается разделенным на состояния объектов, это в принципе отличает объектно-ориентированные вычисления от вычислений, заданных на процедурно-ориентированных языках. Процедуры выполняются на общей памяти, в то время как объекты выполняют свои операции с учетом данных одного сообщения и своего собственного состояния.

Каждый класс задается своим описанием на языке ООП, которое включает информацию, необходимую для создания объектов данного класса и для их существования. (Это информация о переменных состояния и операциях объекта).

А теперь, несколько советов из книги Страуструпа:

"... Когда вы программируете, вы создаете конкретное представление идей, связанных с решением некоторой задачи. Постарайтесь, чтобы структура программы максимально отражала эти идеи:

если об "этом" можно мыслить как об отдельном понятии, пусть это будет классом;

если об "этом" можно мыслить как об отдельной сущности, то пусть это будет объектом некоторого класса..."

Иначе говоря, объектно-ориентированный подход к программированию некоторой задачи, прежде всего, состоит в том, чтобы создать некоторый инструментарий, присущий решаемой задаче, а затем уже программировать в терминах этой задачи.

Все языки ООП, включая С++, основаны на трех основополагающих концепциях, называемых инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием. Рассмотрим эти концепции.

Инкапсуляция - это механизм, который объединяет данные и методы, манипулирующие этими данными, и защищает и то и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Когда методы и данные объединяются таким способом, создается объект.

Внутри объекта данные и методы могут обладать различной степенью открытости (или доступности). От общедоступных до таких, которые доступны только из методов самого объекта. Обычно отрытые члены класса используются для того, чтобы обеспечить контролируемый интерфейс с его закрытой частью.

Наследование – это процесс, посредством которого, один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него.

Обычно, если объекты соответствуют конкретным сущностям реального мира, то классы являются абстракциями, выступающими в роли понятий. Между классами, как между понятиями существует иерархическое отношение конкретизации, связывающее класс с надклассом. Это отношение реализуется в системах ООП механизмом наследования.

Исследователи в различных областях естествознания тратят много времени на классификацию объектов в соответствии с определенными особенностями. В этом часто помогает организация классификации в форме фамильного дерева с одной общей категорией в корне и подкатегориями, разветвляющимися на подкатегории и т.д.

Например, энтомологи классифицируют насекомых как показано на рисунке (схема очень упрощена). Внутри типа насекомых есть два деления: крылатые и бескрылые. Среди крылатых насекомых существует большее количество категорий: мотыльки, бабочки, мухи и т. д.

Частичная таксономическая схема насекомых

Такой процесс классификации называется таксономией. Это хорошая начальная метафора для понимания механизма наследования в ООП.

Пытаясь провести классификацию некоторых новых животных или объектов, мы задаем следующие вопросы: В чем сходство этого объекта с другими объектами общего класса? В чем он различия? Каждый класс имеет набор поведений и характеристик, которые его определяют. Мы начинаем с верхушки фамильного дерева образца и будем спускаться по ветвям, задавая эти вопросы на протяжении всего пути. Более высокие уровни являются более общими, а вопросы более простыми: есть крылья или нет крыльев? Каждый уровень является более специфическим, чем предыдущий уровень и менее общим.

Когда характеристика определена, все категории ниже этого определения включают эту характеристику. Поэтому, когда Вы идентифицируете насекомое как члена отряда двукрылых (мухи), то Вам не нужно указывать, что муха имеет пару крыльев. Вид "муха" наследует эту характеристику из своего отряда.

Другой пример: "дом" – это часть общего класса "строение", "строение" – часть более общего класса "конструкция", которая является частью еще более общего класса объектов, который можно назвать "созданием рук Человека". Каждый раз порожденный класс наследует все, связанное с родителем, и добавляет к ним свои собственные определяющие характеристики. Не описав такой иерархии, для каждого объекта пришлось бы задавать все характеристики, которые бы его исчерпывающе определяли.

ООП – это процесс построения иерархии классов. Одним из наиболее важных свойств, которое С++ добавляет к С, является механизм, по которому типы классов могут наследовать характеристики из более простых, общих типов. Этот механизм называется наследованием. Наследование обеспечивает общность функций, в то же время допуская столько особенностей, сколько необходимо. Если класс D наследует из класса В, то мы говорим, что D - это порожденный класс, а В - основной класс.

Без сомнения это тривиальная задача, но установить идеальную иерархию классов для определенного применения очень трудно. Таксономия насекомых развивалась сотни лет и до сих пор подвергается изменениям и саркастическим дебатам. Прежде чем Вы напишите строку С++ кода, Вы должны хорошо подумать о том, какие классы необходимы и на каком уровне. По мере того как увеличивается применение, может оказаться, что необходимы новые классы, которые фундаментально изменяют всю иерархию классов. Растущее число изготовителей поставляют C++ с совместимыми библиотеками классов. Иногда Вы сталкиваетесь с классом, который комбинирует свойства более чем одного предварительно определенного класса. Такой механизм называемый многократным наследованием, посредством которого порожденный класс может наследовать от двух или более основных классов.

Теперь настало время привести еще один совет (в дополнение к двум уже приведенным ранее) из книги Страуструпа:

"... если у двух классов есть некая общая часть, пусть она будет базовым классом. В вашей программе многие классы будут иметь нечто общее; создайте (почти) универсальный базовый класс – к его разработке отнеситесь тщательнее всего".

Слово полиморфизм греческого происхождения и означает "имеющий много форм". Полиморфизм – это свойство, которое позволяет одно и тоже имя использовать для решения нескольких технически разных задач. Применительно к ООП, целью полиморфизма, является использование одного имени для задания общих для класса действий. На практике это означает способность объектов выбирать внутреннюю процедуру (метод) исходя из типа данных, принятых в сообщении. Например, объект "Print" может получить сообщение, содержащее двоичное целое число, двоичное число с плавающей точкой или символьную строку. Имея дело с объектно-ориентированным языком, Вы вправе ожидать, что объект выполнит верные операции (или, по крайней мере, вежливо откажется от их выполнения) даже в случае, когда в момент составления программы возможность появления сообщения данного типа не предполагалась.

В более общем смысле, концепцией полиморфизма является идея "один интерфейс, множество методов". Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий. Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор.

Полиморфизм в языке С++ применим к функциям и к операциям (имеются в виду операции типа +, ==, [ ] и др.).

КОНЕЦ ТРЕТЬЕЙ СЕРИИ