Метод и язык
Первый набор критериев относится к методу и поддерживающей его нотации.
Бесшовность (seamlessness)
ОО-подход амбициозен: он включает весь жизненный цикл ПО. При рассмотрении ООрешений следует проверить, что метод, язык и поддерживающие их инструменты применимы к анализу и проектированию, а также к реализации и сопровождению. Язык, в частности, должен служить средством мышления, помогающим на всех стадиях работы.
В результате получается бесшовный процесс разработки, где общность концепций и нотации помогает сгладить переходы между последовательными ступенями жизненного цикла.
Эти требования исключают два часто встречающихся случая - оба неудовлетворительных:
*Использование ОО-концепций на этапе анализа и проектирования с такой нотацией, которая не может использоваться на этапе программирования.
*Использование ОО-языка программирования, неподходящего для этапа анализа и проектирования.
ОО-язык и ОО-среда, вместе с поддерживающим их методом, должны быть применимы ко всему жизненному циклу, минимизируя сложность переходов между последовательными шагами.
Классы
ОО-метод основан на понятии класса. Неформально, класс - элемент ПО, описывающий абстрактный тип данных и его частичную или полную реализацию. Абстрактный тип данных - множество объектов, определяемое списком компонентов ( features ) - операций, применимых к этим объектам, и их свойств.
Понятие класса должно быть центральной концепцией метода и языка.
Утверждения (Assertions)
Компоненты абстрактного типа данных имеют формально специфицированные свойства, отражаемые в соответствующих классах.
Утверждения - предусловия и постусловия программ класса и инварианты классов - играют эту роль.
Утверждения имеют три основных применения: помогают создать надежное ПО, обеспечивают систематическую документацию и являются инструментом тестирования и отладки ПО.
Язык должен давать возможность: поставлять класс и его компоненты вместе с утверждениями (предусловиями, постусловиями и инвариантами); включать инструментарий для получения документации из этих утверждений; осуществлять мониторинг утверждений во время выполнения программы.
В сообществе программных модулей, где классы являются городами, а инструкции - исполнительной ветвью власти, утверждения представляют законодательную власть. Ниже мы увидим, что играет роль судебной системы в таком сообществе.
Классы как модули
Объектная ориентация - в первую очередь архитектурная техника: она в основном затрагивает модульную структуру системы.
Здесь опять велика роль классов. Класс описывает не только тип объектов, но и модульную единицу. В чистом ОО-подходе:
Классы должны быть единственным видом модулей.
В частности, исчезает понятие главной программы, а подпрограммы не существуют как независимые модульные единицы (они могут появляться только как часть классов). Нет необходимости в "пакетах", используемых в таких языках, как Ada. Хотя удобно в целях управления группировать классы в административные единицы, называемые кластерами.
Классы как типы
Понятие класса достаточно мощное, чтобы избежать необходимости любого другого механизма типизации:
Каждый тип должен быть основан на классе.
Даже базовые типы, такие как INTEGER и REAL, можно рассматривать как классы; обычно такие классы являются встроенными.
Вычисления, основанные на компонентах
В ОО-вычислениях существует только один базовый вычислительный механизм. Есть некоторый объект, всегда являющийся (в силу предыдущего правила) экземпляром некоторого класса, и вычисление состоит в том, что данный объект вызывает некоторый компонент этого класса. Например, для показа окна на экране вызывается компонент display объекта, представляющего окно, - экземпляра класса WINDOW. Компоненты могут иметь аргументы: для увеличения зарплаты работника e на дату d, на n долларов, вызывается компонент raise объекта e, с аргументами n и d.
Базисные типы рассматриваются как предопределенные классы, и основные операции (например, сложение чисел) рассматриваются как специальные предопределенные случаи вызова компонентов - общий механизм вычислений:
Вызов компонента должен быть основным механизмом вычисления.
Класс, содержащий вызов компонента класса C, называют клиентом класса С .
Вызов компонента иногда называют передачей сообщения (message passing) ; по этой терминологии вышеприведенный вызов будет описываться как передача объекту e сообщения: "повысить вашу плату" с аргументами d и n.
Скрытие информации (information hiding)
При создании класса зачастую в него приходится включать компонент, необходимый только для внутренних целей, являющийся частью реализации класса, но не его интерфейса. Другие компоненты этого класса, - возможно, доступные клиентам, - могут вызывать этот внутренний компонент для собственных нужд. Но не следует такую возможность давать клиенту.
Механизм, делающий определенные компоненты недоступными для клиентов, называется
скрытием информации.
На практике бывает недостаточно того, чтобы механизм скрытия информации поддерживал экспортируемые компоненты (доступные для всех клиентов) и скрытые компоненты (не доступные ни одному клиенту).
Создатели классов должны также иметь возможность избирательно экспортировать компоненты для избранных клиентов.
Автор класса должен иметь возможность указать, что компонент доступен: всем клиентам, ни одному клиенту или избранным клиентам.
Прямое следствие этого правила - строгая ограниченность взаимодействия классов. В частности, хороший ОО-язык не должен включать понятие глобальной переменной. Классы обмениваются информацией исключительно через вызовы компонентов и механизм наследования.
Обработка исключений (Exception handling)
Впроцессе выполнения программ могут встречаться различные аномалии. В ООвычислениях они соответствуют вызовам, которые не могут быть выполнены надлежащим образом: например в результате сбоя в оборудовании, переполнения при выполнении арифметических операций или ошибок ПО.
Для создания надежного ПО необходимо иметь возможность восстановления нормального хода вычислений. Это является целью механизма обработки исключений.
Язык должен обеспечивать механизм восстановления в неожиданных аварийных ситуациях.
Всообществе программных модулей механизм обработки исключений - третья ветвь власти, судебная система и поддерживающие ее силы полиции.
Статическая типизация (static typing)
Когда в системе происходит вызов некоторого компонента определенным объектом, как узнать, что объект способен обработать вызов? (В терминологии сообщений: как узнать, что объект может обработать сообщение?)
Чтобы гарантировать корректное выполнение, язык должен быть типизирован. Это означает, что он отвечает нескольким правилам совместимости:
*Каждая сущность (entity) объявляется явным образом с указанием определенного типа, порожденного классом. Под сущностью понимается имя, используемое в тексте ПО для ссылки на объекты времени выполнения.
*Каждый вызов компонента - это вызов доступного компонента соответствующего класса.
*Присваивание и передача аргументов подчиняются правилам согласования, требующим совместимости исходного типа и целевого типа.
В языке, включающем такую политику, возможен статический контроль типов. Тогда еще на этапе компиляции подобные ошибки будут обнаружены, и во время выполнения гарантируется отсутствие ошибок типа: "компонент недоступен объекту".
Хорошо определенная система типов гарантирует безопасность работы с объектами во время выполнения программной системы.
Универсальность (genericity)
Для того чтобы типизация была практичной, необходимо иметь возможность определять классы с параметрами, задающими тип. Такие классы известны как родовые. Родовой класс LIST
[G]описывает списки элементов произвольного типа G - "формальным родовым параметром". Классы, задающие специальные списки, будут его производными, например LIST
[INTEGER] и LIST [WINDOW] используют типы INTEGER и WINDOW в качестве "фактических родовых параметров". Все производные классы разделяют один и тот же текст родового класса.
Должна существовать возможность создания классов с формальными родовыми параметрами, представляющими произвольные типы.
Эта форма параметризации типа называется неограниченной универсальностью. Дополнительной возможностью, описанной ниже, является ограниченная универсальность, использующая понятие наследования.
Единичное наследование (single inheritance)
Разработка ПО включает создание большого числа классов, многие из которых являются вариантами ранее созданных классов. Для управления потенциальной сложностью такой системы необходим механизм классификации, известный как наследование. Класс A будет наследником (heir) класса B, если он встраивает (наследует) компоненты класса B в дополнение к своим собственным. Потомок (descendant)- это прямой или непрямой наследник; обратное понятие - предок (ancestor).
Должно быть возможным объявить класс наследником другого класса.
Наследование - одно из центральных понятий ОО-метода; оно оказывает большое влияние на процесс разработки ПО.
Множественное наследование (Multiple inheritance)
Часто необходимо сочетать различные абстракции. Рассмотрим класс, моделирующий понятие "младенец". Его можно рассматривать как класс "человек" с компонентами, связанными с этим классом. Его же можно рассматривать и более прозаично - как класс "элемент, подлежащий налогообложению", которому положены скидки при начислении налогов. Наследование оправдано в обоих случаях. Множественное наследование (multiple inheritance) - это гарантия того, что класс может быть наследником не только одного класса, но многих, если это концептуально оправдано.
При множественном наследовании возникает несколько технических проблем, например разрешение конфликта имен (компоненты, наследованные от разных классов, имеют одно и то же имя). Любая нотация, предлагающая множественное наследование, должна обеспечить адекватное решение этих проблем.
Класс должен иметь возможность быть наследником нескольких классов. Конфликты имен при наследовании разрешаются адекватным механизмом.
Решение, разработанное в этой книге, основано на переименовании конфликтующих компонентов у класса наследника.
Дублируемое наследование (Repeated inheritance)
При множественном наследовании возникает ситуация дублируемого наследования (repeated inheritance), когда некоторый класс многократно становится наследником одного и