Тема 5.2. Теоретические основы объектно-ориентированного программирования
5.2.1. Основные определения
5.2.2. Объектно-ориентированная декомпозиции и объектно-ориентированные модели
5.2.3. Объектная модель и ее составные части
5.2.5. Средства UML для моделирования классов и их отношений
5.2.4. Задачи для самостоятельного решения по теме «Теоретические основы
объектно-ориентированного программирования»
5.2.5. Тестовые задания по теме «Теоретические основы объектно-ориентированного
программирования»
5.2.1. Основные определения
С давних пор в программировании использовалась структурная процедурно-ориентированная модель. Сначала программист разбирался, что должна делать программа, а затем выбирал одно из двух:
Задача разбивалась на подзадачи, те в свою очередь, на подзадачи следующего уровня и т.д. Этот процесс называемый декомпозицией длился до тех пор, пока упрощение подзадач не сводилось к элементарным функциям, которые могут быть формализованы. Этот подход называется «сверху вниз».
Программист писал процедуры для решения простых задач и последовательно объединял их в более сложные процедуры, пока не добивался нужного эффекта. Такой подход называется «снизу вверх».
Конечно, многие опытные программисты не следовали рекомендациям теоретиков, выступавших за первый способ, и предпочитали решать практические задач комбинацией этих двух стратегий.
Между ООП и процедурно-ориентированным программированием существуют два важных различия:
В ООП программист сначала выделяет классы, образующие объектную модель и только после этого переходит к анализу их методов и свойств.
Методы и свойства ассоциируются с классом, предназначенным для выполнения соответствующих операций.
Объектно-ориентированное программирование (ООП) – это стиль программирования, который фиксирует поведение реального мира таким способом, при котором детали его реализации скрыты. Применение такой технологии позволяет представить структуру программы в виде множества взаимодействующих друг с другом объектов. В результате такого взаимодействия, осуществляемого путем передачи сообщений между объектами, реализуются заданные функции программы. Приняв сообщение, объект может выполнить определенное действие, называемое методом.
Если проанализировать, каким образом человек решает разнообразные практические задачи в окружающем его мире, то можно понять, что этот мир также является объектно-ориентированным. Например, чтобы попасть на работу, человек, как правило, взаимодействует с таким объектом, как транспортное средство. Транспортное средство, в свою очередь, состоит из объектов, которые, взаимодействуя друг с другом, приводят его в движение, благодаря чему человек реализует свою задачу – добирается до нужного пункта. При этом ни водитель, ни пассажир не обязаны знать каким, образом взаимодействуют объекты, из которых состоит транспортное средство.
В объектно-ориентированном программировании, как и в реальном мире, пользователи программ изолированы от логической схемы, необходимой для выполнения задач. Например, для печати страницы в текстовом редакторе пользователь вызывает определенную функцию нажатием кнопки на панели инструментов, но не видит происходящих при этом внутренних процессов. При печати страницы во время работы программы происходит сложное взаимодействие объектов, которые, в свою очередь, взаимодействуют с принтером.
Объектно-ориентированный подход в программировании предлагает все, что входит в состав приложения, считать объектами, которые взаимодействуют друг с другом и с пользователем в соответствии с заданными в программе свойствами и поведением, выполняя необходимые функции приложения. Таким образом, любое приложение при данном подходе представляет собой набор взаимосвязанных объектов, реализующих необходимые функциональные требования, предъявленные к приложению.
Объект – это некая отдельная сущность, выделяющаяся среди других сущностей своими свойствами, поведением, взаимодействием с другими объектами приложения. Объект всегда конкретен и реально существует в форме или в приложении, обладая при этом только ему присущими свойствами и поведением. Признаками объектов, отличающими их друг от друга, являются их свойства и поведение. В реальном мире каждый предмет или процесс обладает набором статических и динамических характеристик (свойствами и поведением). Поведение объекта зависит от его состояния и внешних воздействий. Например, объект «автомобиль» никуда не поедет, если в баке нет бензина, а если повернуть руль, изменится положение колес. Таким образом, объект представляется как совокупность данных, характеризующих его состояние, и методов (процедур и функций) их обработки, моделирующих его поведение. Вызов процедуры или функции на выполнение часто называют посылкой сообщения объекту (например, вызов процедуры «повернуть руль» часто интерпретируется как посылка сообщения «автомобиль, поверни руль!»). Таким образом каждый объект характеризуется следующими основными понятиями:
методом – это функция или процедура, которая реализует возможные с объектом действия;
событием – это средство взаимодействия объектов друг с другом. Объекты генерируют заданные события и выполняют действия в ответ на заданные события. События – это аналог сообщений, которые получают и отправляют объекты;
состоянием – каждый объект всегда находится в определенном состоянии, которое характеризуется набором свойств объекта. Под воздействием событий объект переходит в другие состояния. При этом объект может сам генерировать события при переходе в другое состояние;
свойством – признак, некоторое отдельное качество (параметр) объекта.
Например, свойствами могут быть размеры объекта, заголовок, его наименование. Совокупность свойств объекта определяет его состояние. Как правило, свойства – это набор переменных и констант, в которых хранятся значения, определяющие параметры объекта.
При создании объектно-ориентированной программы предметная область представляется как в виде совокупности объектов, которые объединены в классы (сущности). Выполнение программы состоит в том, что объекты обмениваются сообщениями (взаимодействуют между собой). При представлении реального объекта (сущности), принадлежащей предметной области с помощью программного класса, необходимо выделить в реальном объекте его существенные особенности и проигнорировать многие другие свойства, ограничиваясь лишь теми, которые нужны для решения практической задачи. Такой прием называется абстракцией.
Абстракция – это выделение существенных характеристик объекта, отличающих его от других объектов. Причем список существенных свойств зависит от целей моделирования, и для разных задач может быть совершенно различным. Например, объект «крыса» с точки зрения биолога, изучающего миграции, ветеринара, или повара будет иметь совершенно разные характеристики.
Класс – это совокупность объектов, имеющих общие свойства и поведение. Таким образом, класс можно определить как некую общность конкретных объектов, как описание – какими они должны быть и что они должны делать. Если объекты реально существуют в приложениях, то класс – это абстракция, объединяющая объекты в одну группу согласно их свойствам и поведению в среде окружения, в которой они существуют и взаимодействуют. Например, кнопка Button1 в форме со всеми своими конкретными свойствами и действием является объектом класса Button.
Поведение – характеристика того, как один объект воздействует на другие объекты или изменяется сам под их воздействием. Поведение влияет на способ изменения состояний объекта.
В основе объектно-ориентированной технологии программирования лежат «три кита»: инкапсуляция, наследование и полиморфизм.
Инкапсуляция (encapsulation) – свойство объединять внутри одной структуры состояние и поведение, и скрытие внутреннего устройства объекта и деталей реализации (от слова «капсула»). Важное свойство любого объекта его обособленность. Детали реализации объекта, т.е. внутренние структуры данных и алгоритмы их обработки, скрыты от пользователя объекта и недоступны для непреднамеренных изменений. Объект используется через интерфейс – совокупность правил доступа. Например, для того чтобы переключить телевизионную программу, нам достаточно на пульте дистанционного управления набрать ее номер, что запустит сложный механизм, который в итоге и приведет к желаемому результату. Нам совершенно необязательно знать, что происходит в пульте дистанционного управления и телевизоре, нам лишь достаточно знать, что телевизор обладает такой возможностью (методом) и как ее можно активировать. Инкапсуляция, или сокрытие реализации, является основополагающим свойством ООП. Она позволяет создавать пользовательские объекты, обладающие требуемыми методами, и далее оперировать ими, не вдаваясь в устройство этих объектов. Таким образом, инкапсуляция – механизм, который объединяет данные и методы обработки (манипуляции) этими данными и защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Инкапсуляция кода внутри класса обеспечивает невозможность «сломать» этот код при любом изменении деталей реализации отдельных классов. Поэтому можно использовать объект в другом окружении, и быть уверенным, что он не испортит не принадлежащие ему области памяти. Если же все-таки надо что-то изменить или дополнить в классе, то используются механизмы наследования и полиморфизма.
Наследование (inheritance) – основанная на иерархии способность классов включать в себя свойства и поведение классов-предков, а также добавлять к ним свое собственное поведение и свойства. Каждый год в мире пишется множество программ и важно использовать уже написанный код. Преимущество объектно-ориентированного программирования состоит в том, что для объекта можно определить наследников, корректирующих или дополняющих его поведение. При этом нет необходимости не только повторять исходный код родительского объекта, но даже иметь к нему доступ. Таким способом упрощается модификация программы и создание новых программ на основе существующей. Только благодаря наследованию можно использовать объекты, исходный код которых недоступен, но в которые требуется внести изменения. Таким образом, при наследовании можно не просто добавлять новый функционал, но и изменить существующий. И во многом это обеспечивается благодаря полиморфизму.
Полиморфизм (polymorphism) («много форм») – возможность использовать одинаковые выражения для обозначения разных операций, возможность классов-наследников по-разному реализовывать метод, описанный для класса-предка, т.е. возможность во время выполнения программы с помощью одного и того же имени выполнять разные действия или обращаться к объектам разного типа. Полиморфизм реализуется через переопределение метода в классах-наследниках (метод имеет одно имя и одинаковые параметры, но работает по-разному) - это механизм виртуальных методов через динамическое связывание (dynamic binding). Также полиморфизм реализуется как «перегрузка» методов (метод имеет одно имя и разные параметры) - это, например, использование знака + для обозначения сложения в классе вещественных или целых чисел и классе строк: похожие сообщения дают совершенно разные результаты. Полиморфизм обеспечивает возможность абстрагирования общих свойств.
Необходимо обратить внимание, что наряду с физическими могут существовать также и абстрактные объекты, типичными представителями которых являются числа. Таким образом, объект – это любая физическая или абстрактная четко идентифицируемая сущность предметной области.
Объекты характеризуются атрибутами. Так, например, атрибутами автомобиля являются максимальная скорость, мощность двигателя, цвет кузова и т. д. Атрибутами усилителя являются частотный диапазон, выходная мощность, коэффициент нелинейных искажений, уровень шума и т. д.
Помимо атрибутов, объекты обладают некоторыми функциональными возможностями, которые в ООП называют операциями, функциями или методами. Так, автомобиль может ездить, корабль – плавать, компьютер – производить вычисления.
Таким образом, объект инкапсулирует атрибуты и методы, скрывая свою реализацию от других объектов, взаимодействующих с ним и использующих его функциональность.
Итак, в объектно-ориентированной программе объект – это экземпляр некоторого класса объектов или просто класса. Так, автомобиль Audi 6 является экземпляром класса автомобилей данной модели, приемник Sony также будет представителем класса одноименных приемников. Таким образом, класс – это абстрактное понятие. На унифицированном языке моделирования – класс можно отобразить в виде прямоугольника, разделенного на три части. В первой содержится имя класса, во второй – атрибуты, в третьей – методы (рис. 5.2-1).
Рис. 5.2-1
Существует заблуждение, что объектно-ориентированное программирование является чем-то сложным и непонятным. В программирование основные понятия ООП перешли из других областей знаний, таких как философия, логика, математика и семиотика, причем, не претерпев особых изменений, по крайней мере, того, что касается сути этих понятий. Объектный способ декомпозиции (представления) является естественным и применяется на протяжении многих веков. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции технологии программирования он занял подобающее место.
Таким образом, в процессе разработки объектно-ориентированных программ необходимо:
определить множество образующих ее классов объектов (декомпозиция);
для каждого класса объектов задать набор необходимых данных (полей);
для каждого класса объектов задать набор действий (методов), выполняемых объектами;
для каждого класса объектов указать события, на которые будут реагировать объекты, и написать соответствующие процедуры-обработчики.
В исходном программном коде должны содержаться описания классов для всех программных объектов. Кроме того, должны быть описаны переменные, у которых в качестве типов указаны имена соответствующих классов. Экземпляры классов (объекты) создаются в процессе выполнения программы.
После своего создания экземпляр класса должен получить значения для всех своих полей. Разные экземпляры одного и того же класса могут иметь различные значения полей, но обладают одними и теми же методами. Поля класса недоступны для непосредственного обращения, в том числе, и присваивания. Это сделано для повышения надежности программ. Вместо непосредственного присваивания значения полю объекта должно быть выполнено обращение к специальному методу соответствующего класса, который выполняет такое присваивание и осуществляет контроль корректности вводимого значения. Аналогичным образом, для прочтения значения поля могут также использоваться специальные методы класса. Для связи полей с методами чтения/записи их значений используются члены класса, называемые свойствами. Пользователь, вводя данные для записи их в полях объекта или считывая значения полей, имеет дело со свойствами, представляющими эти поля. Поэтому обычно используется термин «значения свойств» вместо термина «значения полей».
Итак, членами класса могут быть:
поля, используемые для хранения данных;
свойства, как средства обращения к закрытым полям;
методы, задающие функциональность объектов;
события и их обработчики, как средства управления программами.