17

ООП на C++

С++ — гибридный язык. Ядро языка развилось из С и используется в качестве класси­ческого языка для системного программирования. Поэтому C++ весьма подходит для написания эффективного кода. Дополнения языка на основе классов соответствуют набору требований ООП. В этом качестве C++ подходит для написания многократно используемых библиотек и поддерживает полиморфный стиль программирования.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) и C++ были очень быстро приняты индустрией программного обеспечения. C++ является гибридным языком объектно-ориентированного программирования. Он предоставляет многоцелевой под­ход к программированию. Сохранены традиционные преимущества С как эффективно­го мощного языка программирования. Новыми ключевыми ингредиентами являются наследование и полиморфизм, то есть способность принимать множество форм.

Требования к языку ООП

Характеристики языка ООП

• Инкапсуляция с сокрытием данных: возможность отделять внутреннее со­стояние и поведение объекта от его внешнего состояния и поведения.

• Расширяемость типов: возможность добавлять определяемые пользовате­лем типы для расширения набора собственных типов.

• Наследование: возможность создавать новые типы, импортируя или ис­пользуя повторно описания существующих типов.

• Полиморфизм и динамическое связывание: способность объектов отвечать за интерпретацию вызовов функций.

Эти особенности не могут заменить ни дисциплину программирования¹, ни соглашения, принятые сообществом разработчиков, но могут способствовать их развитию.

Типичные процедурные языки программирования, такие как Pascal и С, обладают ограниченными формами расширяемости типов и инкапсуляции. Оба языка имеют типы указателей и записей, предоставляющие данные свойства. Дополнительно в С имеется специальная ориентированная на файлы схема "закрытости" (privacy) на ос­нове объявлений static в области видимости файла. Такие языки, как Modula-2 и Ada, имеют более законченные формы инкапсуляции, а именно, модули и пакеты соот­ветственно. Эти языки позволяют пользователям легко строить АТД и предоставляют значительную библиотечную поддержку для множества прикладных областей. Такой язык, как чистый LISP, поддерживает динамическое связывание. Элементы ООП были доступны в разных языках на протяжении по крайней мере двадцати пяти лет.

LISP, Simula и Smalltalk долгое время широко использовались и в академических, и в исследовательских кругах. Эти языки во многих случаях более элегантны, чем С и C++. Однако до тех пор пока элементы ООП не были добавлены в С, не делалось никаких существенных шагов к использованию ООП в индустрии программного обеспечения. В конце восьмидесятых с триумфом был принят C++, и в этом приня­тии нового языка были едины компании, целые направления и прикладные области. Мы полагаем, что сфера производства программного обеспечения нуждалась в объе­динении ООП и возможности эффективного программирования на низком уровне.

Существенной была также легкость перехода от С к C++. В отличие от PL/1, кото­рый служил истоком для FORTRAN и COBOL, и Ada, из которого вышел Pascal, для C++ язык С является почти собственным подмножеством. А раз так, от основного уста­новленного кода на С не надо отказываться. Для остальных языков необходим нетриви­альный процесс преобразования для изменения существующего кода на языке-предке.

Традиционная академическая мудрость состоит в том, что чрезмерная забота об эффективности вредит хорошему программированию. Такая установка упускает из виду тот очевидный факт, что конкурентоспособность продукта основана на произ­водительности. Соответственно, индустрия ценит технологии низкого уровня. Так что C++ — весьма эффективный инструмент.

АТД в не-ООП языках

Существующие языки и методики поддерживают большую часть методологии ООП с помощью комбинирования свойств языка и дисциплины программирования. Дис­циплина программирования и общепринятые в сообществе разработчиков соглаше­ния действительно работают. В не-ООП языке возможно создание и использование АТД. Тремя примерами на С служат псевдотипы: строковый, булевский и файловый. Они являются псевдотипами (а не типами) в том смысле, что не обладают теми же привилегиями, что и собственные типы. Глядя на эти примеры можно лучше понять ограничения расширяемости типов в не-ООП контексте.

Булевский тип в С представлен неявно. А именно, логические выражения принима­ют нулевые значения за false, а ненулевые — за true. Поскольку ноль является универ­сальным значением, которое доступно для всех типов, ноль по соглашению использует­ся в качестве «охранного» (sentinel) значения. Ноль, используемый для представления конца списка, является идиомой при обработке данных, основанной на указателях.

while (р) { //р == 0 нулевой указатель (NULL)

• • • • • //обработка списка

р = р -> next; //переход

}

Часто для обеспечения лучшей документированности явно используются перечис­лимые типы:

enum boolean { FALSE, TRUE };

boolean search (int table[], int x, int & where)

{

where = -1;

for (int i = 0; i < N; ++i)

if (x = = table[i]) {

where = i ;

break;

}

return boolean (where != -1);

}

Строковый тип — это комбинация дисциплины программирования и общепринятых соглашений, представленная в библиотеке string.h. Эта библиотека применима к типу указателя на символ. Конец строки — опять нулевое значение. Конкатенация, копи­рование, выяснение длины и другие операции представлены функциями из string.h. Мерой успеха библиотеки является частота фактического использования С для со­здания приложений, в которых применяется обработка строк.

Файловый тип основан на использовании stdio.h. Тип структуры (зависящий от системы) определен с именем FILE. В stdio.h представлены такие функции, как от­крытие, закрытие и поиск файла. Эти процедуры ожидают в качестве параметров указатели на файл. Конкретные члены структуры не подвергаются непосредствен­ным манипуляциям, если программист придерживается данных соглашений. Опять-таки, С весьма успешно применялся для написания операционных систем и кода, манипулирующего файлами.

Подобные удачи не утверждают статус-кво. Напротив, они «выступают» за встра­ивание ООП в язык таким образом, чтобы гарантировалось, что библиотечные согла­шения не нарушатся.

Заметьте, что в C++ имеется булевский тип, а именно bool; стандартный строко­вый тип string, определенный в файле стандартной библиотеки string, и более удачная обработка файлов, определенная с помощью fstream.

Клиенты и производители

Чтобы полностью понять парадигму ООП, мы должны рассмотреть весь процесс про­граммирования (кодирования) как занятие, ответственность за которое разделяется и распределяется. Мы используем термин клиент (client) для обозначения пользователя класса и термин производитель (manufacturer) — для поставщика класса.

Клиент класса предполагает некое приближенное соответствие какой-то

абстрак­ции. Стек, чтобы его можно было использовать, должен быть приемлемого размера. Комплексное число должно быть представлено с разумной точностью. Колода должна тасоваться так, чтобы при раздаче карты распределялись случайным образом. Внутрен­ние особенности вычисления поведения всех этих объектов не являются непосред­ственной заботой клиента. Клиент имеет дело с такими вещами, как стоимость, эффек­тивность и легкость использования, но не с реализацией. Это — принцип черного ящика.

Черный ящик в понимании клиента

• простой в использовании, легко понимаемый и привычный

• дешевый, эффективный и мощный

• может быть составной частью системы (может восприниматься системой как компонент)

Черный ящик в понимании производителя

• легко повторно использовать и изменять, но трудно использовать непра­вильно и сложно воспроизвести

• дешевый, эффективный и мощный

• выгодный для производства с большой базой клиентов

Производитель сражается за клиента, реализуя АТД-продукт, имеющий приемле­мую цену и эффективность. Производитель заинтересован в сокрытии деталей раз­работки. Такое сокрытие значительно упрощает все то, что производитель должен «объяснять»» клиенту. Это дает ему свободу для дальнейших внутренних усовершен­ствований продукта, которые не влияют на особенности использования продукта клиентом. Оно защищает клиента от опасного, пусть даже непреднамеренного иска­жения продукта.¹

Структуры и обычные функции в С позволяют строить полезные АТД, но они не поддерживают разграничения между клиентом и производителем. Клиент имеет до­ступ к внутренним деталям и может модифицировать их нежелательным образом. Рассмотрим стек, представленный в качестве массива с целой переменной top. В С клиент такого стека может извлечь внутренний член массива, используемого для представления стека. Это нарушает абстракцию LIFO (Last-In-First-Out, первым во­шел — последним вышел), которую реализует стек.

Инкапсуляция объектов предотвращает подобные нарушения. Схема сокрытия данных, которая ограничивает доступ к деталям реализации для всех, кроме произ­водителя, гарантирует клиенту соответствие абстракции АТД. Закрытые члены скрыты от клиентской программы, а открытые доступны ей. Можно изменить пред­ставление скрытых данных, но не доступ к открытым членам и их функциональ­ность. Если сокрытие данных произведено правильно, клиентская программа не нуждается в изменениях, когда модифицируется представление скрытых данных.

Двумя ключами к выполнению условий черного ящика служат наследование и полиморфизм.

Повторное использование кода и наследование

Создание библиотек и их повторное использование являются решающими показателя­ми успеха стратегии языка. Наследование, или производство нового класса от суще­ствующего, применяется как для совместного и повторного использования кода, так и для разработки иерархий типов. Посредством наследования может быть создана иерар­хия родственных АТД, которые разделяют код и общий интерфейс. Это свойство ис­ключительно важно для обеспечения возможности повторно использовать код.

Наследование влияет на разработку программного обеспечения в целом. Оно пре­доставляет каркас, в котором фиксируются концептуальные элементы, ставшие предметом пристального внимания припостроении и использовании систем. Напри­мер, InterView представляет собой библиотеку C++, которая поддерживает построе­ние графического интерфейса пользователя. Главные категории объектов включают интерактивные объекты, текстовые объекты и графические объекты. Эти категории легко комбинируются, позволяя создавать различные приложения, например, систе­мы автоматизированного проектирования — САПР (computer-aided design — CAD), броузеры или редакторы WYSIWYG¹.

Методология объектно-ориентированного проектирования

1. Выбери надлежащую совокупность АТД.

2. Спроектируй взаимосвязи между АТД, применяя наследование для исполь­зования общего кода и интерфейса.

3. Применяй виртуальные функции для обработки родственных объектов дина­мически.

Наследование также способствует принципу черного ящика и является важным ме­ханизмом для сокрытия деталей. Будучи иерархическим, каждый предыдущий уро­вень предоставляет встроенную в него функциональность следующему уровню. Рет­роспективно можно отметить, что методология структурного программирования с ее процедурно-направленным взглядом опиралась на метод пошагового уточнения для организации вложенных процедур, но не придавала достаточного значения необхо­димости соответствующего взгляда на данные.

Полиморфизм

Полиморфизм — это джин ООП, получающий от клиента приказы и верно интерпре­тирующий его желания. Полиморфная функция имеет множество форм. По Карделли и Вегнеру (Cardelli and Wegner, 1985) мы различаем:

Типы полиморфизма

1. Принудительное приведение (coercion) (ad hoc полиморфизм): функция или оператор работает с несколькими различными типами, преобразуя их значения к требуемому типу. Примером в ANSI С служит преобразование при присваи­вании арифметических типов во время вызова функции.

а / b //тип частного обуславливается

//собственными (встроенными в ядро) //принудительными приведениями

2. Перегрузка (ad hoc полиморфизм): функция вызывается на основе ее сигнату­ры, то есть списка типов аргументов. В С оператор целого деления и оператор деления с плавающей точкой различаются. Выбор варианта оператора деления основан на типах параметров.

cout << а //перегрузка функции

3. Включение (inclusion) (чистый полиморфизм): тип является подтипом другого типа. Функция, пригодная для базового типа, будет работать и с подтипом. Та­кая функция может иметь различные реализации, которые вызываются с уче­том выяснения подтипа на этапе выполнения. .

р -> draw ( ) //вызов виртуальной функции

4. Параметрический полиморфизм (чистый полиморфизм): тип остается неопре­деленным, а позже инстанцируется. В C++ это обеспечивается обобщенными указателями и шаблонами.

stack <window*> win[40]

Полиморфизм локализует ответственность за поведение. Часто клиентский код не нуждается в пересмотре, когда в систему включается дополнительная функциональ­ность с помощью кода, предоставляемого производителем.

Полиморфизм непосредственно содействует принципу черного

ящика. Виртуаль­ные функции, определенные для базового класса, являются интерфейсом, который повсеместно используется клиентом. Клиент знает, что замещенная функция-член несет ответственность за конкретную реализацию данного действия, относящегося к объекту. Клиенту не надо знать о разных процедурах, существующих для каждого вычисления или о различных вариантах спецификации. Эти детали скрыты.

Сложность языка

За все свои достоинства C++ платит существенную цену: сложность языка весьма ощутима. Это приводит к дополнительным затратам на обучение и едва уловимым ошибкам. Стремительное развитие C++ при столь широком его распространении практически беспрецедентно. Язык С — небольшой и элегантный. Синтаксис C++ похож на С, но семантика первого сложнее. Чтобы оценить эти трудности, в следую­щей таблице приведены для сравнения некоторые характеристики языков Pascal, Modula-2, Modula-3, C++ и Ada.

Сложность языка

Язык Ключевые слова Инструкции Операторы Страницы

Pascal 35 9 16 28 Modula-2 40 10 19 25 Modula-3 53 22 25 50 C 29 13 44 40 C++v1.0 42 14 47 66 C++v3.0 1990 48 14 52 155 Ada 1980 63 17 21 241 C++ ANSI 1995 62 15 54 650