2. Если объект является результатом декомпозиции более сложного объекта, то говорят, что между этими объектами существует отношение включения - первый объект включает второй (иерархия целое/часть).
Классы
Для представления абстракций объектов используется специальный определяемый программистом тип данных - класс.
Класс - это структурный тип данных, который включает описание полей данных, а также процедур и функций, работающих с этими полями данных. Применительно к классам такие процедуры и функции получили название методов.
Рис. 3. Соответствие объекта-абстракции классу и объектам-переменным
В программах используются переменные типа класса. Такие переменные принято называть просто объектами.
Каждая переменная типа класса включает набор полей, объявленных в классе. Совокупность значений, содержащихся в этих полях, моделирует конкретное состояние объекта предметной области. Изменение этих значений в процессе работы отражает изменение состояния моделируемого объекта.
Воздействие на объект выполняется посредством изменения его полей или вызова его методов. Доступ к полям и методам объекта осуществляется, за исключением специальных случаев, с указанием имени объекта (при этом используется составные имена):
<имя объекта>.<имя поля> или <имя объекта>.<имя метода>.
Все методы объекта обязательно имеют доступ ко всем полям своего объекта. Это достигается через неявную передачу в метод специального параметра - адреса области данных конкретного объекта (Self - в Паскале и this - в С++). Таким образом, уменьшается количество параметров, явно передаваемых в метод.
Большинство версий объектно-ориентированных языков позволяют ограничить доступ к некоторым полям и методам объекта, обеспечивающим функционирование «внутренностей» объекта. При наличии таких возможностей специальными средствами выделяют интерфейс и реализацию класса.
Описание класса без учета синтаксиса конкретного языка выглядит следующим образом:
Класс <имя класса>
интерфейс
<объявление полей и методов класса, к которым возможно обращение извне>
реализация
<объявление полей и методов класса, к которым невозможно обращение извне>
Конец описания.
Объединение полей данных и процедур и функций, работающих с этими данными, в единый пакет, при наличии специальных правил доступа к элементам пакета называется инкапсуляцией.
Наличие интерфейса обеспечивает уменьшение возможности «разрушения» (несанкционированного изменения значений полей) объекта извне. Сокрытие особенностей реализации, кроме того, упрощает внесение изменений в реализацию класса, как в процессе отладки, так и при модификации программы. Таким образом, класс определяет существование глобальной области данных внутри объекта, доступной методам объекта. С другой стороны доступ к объекту регламентируется и должен выполняться через специальный интерфейс
Рис. 4. Интерфейс и реализация класса
Как и любая переменная программы, объект должен быть размещен в памяти (создан) и удален из памяти (уничтожен). Причем создание и уничтожение объектов может выполняться статически и динамически.
Статическое создание объектов выполняется в процессе компиляции программы, а статическое уничтожение - при завершении программы: объект удаляется из памяти вместе с программой. Динамическое создание и уничтожение объектов выполняется в процессе работы программы специальными командами.
Операция создания и инициализация полей объекта получила название конструирования объекта, а операция уничтожения объекта - деструкции объекта. Соответствующие методы, если они определены в классе, получили название, конструкторов и деструкторов.
Пример
Рис. 5. Диаграмма объектов системы «Записная книжка»
В соответствии с результатами объектной декомпозиции (рис. 5) Файл должен реагировать на следующие сообщения: «Открыть», «Добавить запись», «Найти запись».
Каждое сообщение должно дополняться необходимой информацией. Так, сообщение «Открыть» должно сопровождаться передачей имени файла. Сообщение «Добавить запись» должно сопровождаться передачей текста записи, состоящей из двух частей: фамилии абонента или названия организации и телефона. Сообщение «Найти запись» должно сопровождаться передачей фамилии абонента или названия организации, по которым должен быть найден телефон.
Каждому сообщению должен соответствовать метод, объявленный в интерфейсной части класса и реализующий требуемые действия.
Метод Открыть должен выполнить открытие указанного файла для выполнения операций ввода-вывода. Операция открытия файла требует указания файловой переменной. Поскольку при выполнении операций с этим файлом в дальнейшем должна будет использоваться та же файловая переменная, целесообразно описать ее в секции реализации класса, где она будет доступна методам данного объекта, но не доступна из других объектов программы.
Метод Добавить должен проверять наличие открытого файла и сообщать пользователю о невозможности выполнения операции с закрытым файлом. Если же файл открыт, метод должен выполнить добавление записей в файл. Для выполнения проверки необходимо хранить информацию об открытии файла, для этого можно использовать специальное поле Состояние_файла, которое также можно объявить в секции реализации.
Метод Найти также вначале должен проверять, открыт ли файл. Если файл открыт, метод выполняет поиск информации в файле. Операции проверки открытия файла выполняются в методах Добавить и Найти идентично, их можно выделить в отдельный метод Проверка_открытия, который можно описать в секции реализации.
Для инициализации поля Состояние_файла (в исходном состоянии - файл закрыт) можно использовать специальный метод, традиционно с этой целью используется конструктор. При завершении программы файл необходимо закрыть. Операция закрытия может быть описана в деструкторе.
Окончательно, для реализации объекта Файл можно предложить класс следующей структуры:
Класс Файл:
интерфейс
конструктор Инициализировать;
метод Открыть (имя файла);
метод Добавить(фамилия, телефон);
метод Найти(фамилия);
деструктор Закрыть_файл;
реализация
поле файловая_переменная;
поле Состояние_файла;
метод Проверка_открытия;
Конец описания.
После определения структуры класса должны быть разработаны алгоритмы методов и назначены типы полей и передаваемых параметров.
В программе должна быть использована переменная типа Файл. Так как файл в программе используется постоянно, соответствующую переменную лучше определять статически.
Передача сообщений объекту будет реализована как вызов соответствующего метода интерфейсной части.
Основные средства разработки классов
Языки, поддерживающие ООП, существенно облегчают разработчику создание новых классов за счет реализации механизмов наследования, композиции, наполнения и полиморфизма.
Наследование. В ООП существует возможность конструирования новых более сложных классов из уже имеющихся посредством добавления полей и определения новых методов (принцип иерархичности). При этом исходный класс, на базе которого выполняется конструирование, часто называется родителем, а производный - потомком. Специальный механизм наследования обеспечивает классу-потомку возможность использования полей и методов одного или нескольких родительских классов.
Если непосредственный родитель единственный, то наследование называется простым, а, если таких классов несколько - то множественным. При этом класс родитель (или классы родители) и класс потомок образуют иерархию
Рис.6. Иерархия классов при различных видах наследования
Пример. класс, переменные которого используются для изображения на экране цветного прямоугольника заданного цвета и размера (рис. 7)
.
Рис. 7. Вид и параметры окна на экране
Проектируемый класс должен содержать поля для сохранения параметров окна: x1, y1, x2, y2 - координаты верхнего левого и нижнего правого углов и Color – цвет.
Тогда класс будет иметь следующую структуру:
Класс Окно:
поля X1,Y1,X2,Y2, Color
метод Инициализировать(aX1,aY1,aX2,aY2,acolor)
метод Изобразить
Конец описания.
Построим на базе класса Окно класс-потомок, который может изменять цвет окна на экране. Для этого к родительскому классу достаточно добавить метод изменить_цвет:
Класс Окно_меняющее_цвет – родитель: класс Окно:
метод изменить_цвет(acolor);
Конец описания.
Класс Окно_меняющее_цвет содержит все поля родительского класса и все его методы. Дополнительно объекты типа Окно_меняющее_цвет могут менять цвет окна на указанный в сообщении «Изменить_цвет» (рис. 8).
Рис 8. Иерархия классов Окно и Окно_меняющее_цвет
При множественном наследовании, реализованном, наследуются поля и методы всех родителей. В том случае, если среди родителей есть классы принадлежащие одной иерархии, происходит дублирование полей и методов, наследуемых от общих родителей. Для того чтобы избежать неоднозначности, во многих ОО-языках введено понятие виртуального наследования, при использовании которого виртуально наследуемые поля и методы не дублируются.
Таким образом, в иерархическом дереве классов по мере удаления от корня мы встречаете все более сложные классы, экземплярами которых будут объекты с более сложной структурой и поведением.
В настоящее время созданы библиотеки наиболее часто встречающихся классов, которые можно использовать вновь и вновь, строя на их основе классы для решения различных задач.