Основные принципы объектно-ориентированного программирования. Инкапсуляция, полиморфизм, наследование.
Инкапсуляция — свойство языка программирования, позволяющее пользователю не задумываться о сложности реализации используемого программного компонента (что у него внутри?), а взаимодействовать с ним посредством предоставляемого интерфейса (публичных методов и членов), а также объединить и защитить жизненно важные для компонента данные. При этом пользователю предоставляется только спецификация (интерфейс) объекта.
Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс. Реализуется с помощью ключевого слова: public.
Пользователь не может использовать закрытые данные и методы. Реализуется с помощью ключевых слов: private, protected, internal.
Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих случаях:
предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,
прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.
(C++)
К
ласс
А инкапсулирует свойства Aa, Ab и метод
DoSomething, представляя внешний интерфейс
ReturnSomething, a, b.
(С#)
Целью инкапсуляции является обеспечение согласованности внутреннего состояния объекта. В C# для инкапсуляции используются публичные свойства и методы объекта. Переменные, за редким исключением, не должны быть публично доступными. Проиллюстрировать инкапсуляцию можно на простом примере. Допустим, нам необходимо хранить вещественное значение и его строковое представление (например, для того, чтобы не производить каждый раз конвертацию в случае частого использования). Пример реализации без инкапсуляции таков:
class NoEncapsulation
{ public double Value;
public string ValueString; }
При этом мы можем отдельно изменять как само значение Value, так и его строковое представление, и в некоторый момент может возникнуть их несоответствие (например, в результате исключения). Пример реализации с использованием инкапсуляции:
З
десь
доступ к переменным valueDouble и valueString
возможен только через свойства Value и
ValueString. Если мы попытаемся присвоить
свойству ValueString некорректную строку и
возникнет исключение в момент конвертации,
то внутренние переменные останутся в
прежнем, согласованном состоянии,
поскольку исключение вызывает выход
из процедуры.
Полиморфизм (в языках программирования) — возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию.
Язык программирования поддерживает полиморфизм, если классы с одинаковой спецификацией могут иметь различную реализацию — например, реализация класса может быть изменена в процессе наследования.
Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество реализаций». Полиморфизм — один из важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду инкапсуляцией и наследованием).
Полиморфизм позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в систему, которую могут называть по-разному — интерфейс, класс. Общность имеет внешнее и внутреннее выражение:
внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именем методов и типами аргументов и их количеством);
внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы.
Возможность приписывать разную функциональность одному методу (функции, операции) называется перегрузкой метода (перегрузкой функций, перегрузкой операций).
В объектно-ориентированных языках
В объектно-ориентированных языках класс является абстрактным типом данных. Полиморфизм реализуется с помощью наследования классов и виртуальных функций. Класс-потомок наследует сигнатуры методов класса-родителя, а реализация, в результате переопределения метода, этих методов может быть другой, соответствующей специфике класса-потомка. Другие функции могут работать с объектом класса-родителя, но при этом вместо него во время исполнения будет подставляться один из классов-потомков. Это называется поздним связыванием.
Класс-потомок сам может быть родителем. Это позволяет строить сложные схемы наследования — древовидные или сетевидные.
Абстрактные (или чисто виртуальные) методы не имеют реализации вообще (на самом деле некоторые языки, например C++, допускают реализацию абстрактных методов в родительском классе). Они специально предназначены для наследования. Их реализация должна быть определена в классах-потомках.
Класс может наследовать функциональность от нескольких классов. Это называется множественным наследованием. Множественное наследование создаёт известную проблему (в C++), когда класс наследуется от нескольких классов-посредников, которые в свою очередь наследуются от одного класса (так называемая «Проблема ромба»): если метод общего предка был переопределён в посредниках, неизвестно, какую реализацию метода должен наследовать общий потомок. Решается эта проблема путём отказа от множественного наследования для классов и разрешением множественного наследования для полностью абстрактных классов (то есть интерфейсов) (C#, Delphi, Java), либо через виртуальное наследование (C++).
Наследование — механизм объектно-ориентированного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом. Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса.
Простое наследование. Класс, от которого произошло наследование, называется базовым или родительским (англ. base class). Классы, которые произошли от базового, называются потомками, наследниками или производными классами (англ. derived class).
В некоторых языках используются абстрактные классы. Абстрактный класс — это класс, содержащий хотя бы один абстрактный метод, он описан в программе, имеет поля, методы и не может использоваться для непосредственного создания объекта. То есть от абстрактного класса можно только наследовать. Объекты создаются только на основе производных классов, наследованных от абстрактного. Например, абстрактным классом может быть базовый класс «сотрудник вуза», от которого наследуются классы «аспирант», «профессор» и т. д. Так как производные классы имеют общие поля и функции (например, поле «год рождения»), то эти члены класса могут быть описаны в базовом классе. В программе создаются объекты на основе классов «аспирант», «профессор», но нет смысла создавать объект на основе класса «сотрудник вуза».
Множественное наследование. При множественном наследовании у класса может быть более одного предка. В этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого подхода в большей гибкости. Множественное наследование реализовано в C++. Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить Python и Эйфель. Множественное наследование поддерживается в языке UML. (о проблемах множ-го насл-я смотри выше – в посл.абзаце по полиморфизму).
Большинство современных объектно-ориентированных языков программирования (C#, Java, Delphi и др.) поддерживают возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм позволяет во многом заменить множественное наследование — методы интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при наследовании функциональности одинаковых методов различных классов-предков.
(C++)
class A{ //базовый класс};
class B : public A{ //public наследование}
class C : protected A{ //protected наследование}
class Z : private A{ //private наследование}
Если класс объявлен как базовый для другого класса со спецификатором доступа public, тогда public члены базового класса доступны как public члены производного класса, protected члены базового класса доступны как protected члены производного класса. Если класс объявлен как базовый для другого класса со спецификатором доступа protected, тогда public и protected члены базового класса доступны как protected члены производного класса. Если класс объявлен как базовый для другого класса со спецификатором доступа private, тогда public и protected члены базового класса доступны как private члены производного класса.
(C#)
Пример наследования от одного класса и двух интерфейсов:
public class A { }
public interface I1 { }
public interface I2 { }
public class B : A, I1, I2 { }
Наследование от типизированных классов можно осуществлять, указав фиксированный тип, либо путем переноса переменной типа в наследуемый класс:
public class A<T> { }
public class B : A<int> { }
public class B2<T> : A<T> { }
Допустимо также наследование вложенных классов от классов, их содержащих:
class A
{ public class B : A { } }