Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Объектно ориентированное программирование

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

ООП появилось в результате длительной эволюции технологии разработки программных продуктов В основу эволюции легло стремлениеускорить процесс создания надеэюных программных средств. Объектные модели различных версий универсальных языков программирования имеют свои особенности, но в их основе лежат единые концепции, что позволяет говорить о теоретических основах ООП

1.1. От процедурного программирования к объектному

На протяжении всех лет существования практика программирования требовала совершенствования технологических приемов и создания на их основе таких средств программирования, которые упростили бы процесс разработки программ, позволяя создавать все более сложные программные системы.

Первые программы были организованы очень просто. Они состояли из собственно программы на машинном языке и обрабатываемых данных. Сложность программ ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение большого количества данньпс.

Создание сначала ассемблеров, а затем и языков высокого уровня сделало программу более обозримой за счет снижения уровня детализации и естественно позволило увеличить ее сложность.

Появление в языках средств, позволяющих оперировать подпрограммами, существенно снизило трудоемкость разработки программ. Подпрограммы можно бьшо сохранять и использовать в других программах. В результате бьши накоплены огромные библиотеки расчетных и служебных подпрограмм, которые по мере надобности вызывались из разрабатываемой программы. Типичная программа того времени состояла из основной программы, области глобальных данных и набора подпрограмм (в основном библиотечных), выполняющих обработку всех данных или их части (рис. 1.1).

11

1. Теоретические основы ООП

Основная программа

Ч'

С- к л а с т ь д а н н ь ^ : ^

Подпрограммы

Рис. 1.1. Архитектура программы, исполь­ зующей глобальную область данных

Слабым местом такой архитектуры было то, что при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой. Например, обьгчно подпрограмма поиска корней уравнения на заданном интервале по методу деления отрезка пополам меняет величину интервала. Если при выходе из подпрограммы не предусмотреть восстановления первоначального интервала, то в глобальной области окажется неверное значение интервала, полученное при последнем делении отрезка в ходе работы подпрограммы.

Необходимость исключения таких опшбок привела к идее использования

вподпрограммах локальных данньгх (рис. 1.2).

Ивновь сложность разрабатываемого программного обеспечения стала ограничиваться возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных уже на новом уровне. К этому добавились проблемы согласования интерфейса при ведении разработки несколькими программистами. В результате встал вопрос создания технологии разработки сложных программных продуктов, снижающей вероятность появления ошибок.

Усилиями многих авторов такая технология была создана и получила название «структурное программирование» [3,4].

Подпрограммы с локальными данными

Рис. 1.2. Архитектура программы, использующей подпрограммы с локальными данными

12

1 1 От процедурного программирования к объектному

Структурное программирование представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих вьшолнение всех этапов разработки программного обеспечения.

Были сформулированы о с н о в н ы е п р и н ц и п ы в ы п о л н е н и я р а з р а б о т к и :

принцип нисходящей разработки, рекомерадующий на всех этапах вначале определять наиболее общие моменты, а затем поэтапно вьшолнять детализацию (что позволяет последовательно концентрировать внимание на небольших фрагментах разработки);

собственно структурное программирование, рекомендующее определенные структуры алгоритмов и стиль программирования (чем нагляднее текст программы, тем меньше вероятность ошибки);

принцип сквозного структурного контроля, предполагающий проведение содержательного контроля всех этапов разработки (чем раньше обнаружена ошибка, тем проще ее исправить).

В основе структурного программирования лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших (до 40 ... 50 операторов) подпрограмм. В отличие от используемого ранее интуитивного подхода к декомпозиции, структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры, для получения которой рекомендовалось применять метод пошаговой детализации. С появлением других принципов декомпозиции (объектного, логического и т.д.) данный способ получил название процедурной декомпозиции.

М е т о д п о ш а г о в о й д е т а л и з а ц и и заключается в следующем: определяется общая структура программы в виде одного из трех

вариантов (рис. 1.3):

-последовательности подзадач (например, ввод данных, преобразование данных, вывод данных),

-альтернативы подзадач (например, добавление записей к файлу или их

поиск),

-повтореьшя подзадачи (например, циклически повторяемая обработка данных);

13

L Теоретические основы ООП

каждая подзадача, в свою очередь, разбивается на подзадачи с использо­ ванием тех же структур;

процесс продолжается, пока на очередном уровне не получается подзадача, которая достаточно просто реализуется средствами используемого языка ( 1 - 2 управляющих оператора языка).

Пример 1.1. Процедурная декомпозиция (программа «Записная книжка»). Пусть требуется разработать программу, которая в удобной для пользователя форме позволит записывать и затем находить телефоны различных людей и организаций. «Удобная» форма на современном уровне программирования предполагает общение программы с пользователем через «меню».

Анализ задачи показывает, что программу можно строить как последовательность подпрограмм. Следовательно, на первом шаге декомпозиции с использованием пошаговой детализации получаем

Основная программа:

Начать работу. Вывести меню на экран. Ввести команду.

Выполнить цикл обработки вводимых команд. Завершить работу.

Первые три подзадачи, выявленные на данном шаге, представляются несложными, поэтому на следующем шаге детализируем действие «Выполнить цикл обработки вводимых команд»

Выполнить цикл обработки вводимых команд:

цикл-пока команда ф «завершить работу» Выполнить команду.

Ввести команду

все-цикл.

После этого детализируем операцию «Вьшолнить команду». Выполняем декомпозицию, используя сразу несколько конструкций ветвления.

Выполнить команду:

если команда^ «открыть кнююку» то Открыть книэюку иначе если команда= «добавить»

то Добавить запись иначе если команда= «найти»

то Найти запись

все-если

все-если

все-если.

14

1.1. От процедурного программирования к объектному

На этом шаге можно пока остановиться, так как оставшиеся действия достаточно просты. «Вложив» результаты пошаговой детализации, получим структурное представление алгоритма основной программы объемом не более

20 ... 30 операторов.

Основная программа:

Начать работу. Вывести меню на экран. Ввести команду,

цикл-пока команда ф «завершить работу» если команда^ «открыть книэюку» то Открыть книэюку иначе если команда^ «добавить»

то Добавить запись иначе если команда^ «найти»

то Найти запись

все-если

все-если

все-если

Ввести команду

все-цикл

Завершить работу.

Пр имечание. Для записи алгоритма использован псевдокод, в котором следование отображается записью действий на разных строках, ветвление обозначается конструкцией если <условие> то <действие 1> иначе <действие 2>все-если, а цикл с проверкой условия выхода в начале - цикл-пока <действия> все-цикл. Вложенность конструкций определяется отступами от начала строки.

Окончательно, на первом уровне выделены подзадачи: «Вьгоести меню», «Ввести команду», «Открыть книжку», «Добавить запись» и «Найти запись».

На следующем уровне определяются подзадачи задач второго уровня, например:

Открыть_книлску:

Ввести имя файла если существует файл Имя_книжки

то Открыть файл иначе Вывести сообщение об ошибке

все-если

На этом этапе получаем подзадачи: «Ввести имя файла» и «Открыть файл». Поступив аналогично с наиболее сложными подзадачами первого уровня, получаем схему двухуровневой алгоритмической декомпозиции задачи.

15

1. Теоретические основы ООП

На рис. 1.4 показано, из каких подпрограмм будет состоять разрабатываемая система и взаимодействие последних по вызовам.

Создаршая по результатам декомпозиции программа имеет правильную с точки зрения структурной технологии организацию, т.е. включает 12 относительно небольших подпрограмм, вызываемых из основной программы или подпрограмм более высокого уровня.

Сформулированная таким образом методика декомпозиции закрепила сложившийся в то время п р о ц е д у р н ы й или а л г о р и т м и ч е с к и й подход к программироваьшю, при котором основное внимание концентрируется на определении последовательности д е й с т в и й .

Поддержка принципов структурного программирования бьша заложена в основу так называемьпс п р о ц е д у р н ы х языков программирования. Как правило, они включали основные «структурные» операторы управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» даншэгх. Среди наиболее известных языков этой группы стоит

назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.

Примечание, Одновременно со структурным программированием появилось огромное количество языков, базирующихся на других концепциях, но большинство из них не вьщержало конкуренции. Какие-то языки были просто забьггы, идеи других были в дальнейшем использованы в следующих версиях развиваемых языков.

Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных и, соответственно, в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усиливается стремление разграничить доступ к глобальным данным программы для уменьшения количества ошибок. Результатом было появление и развитие технологии модульного программирования.

Рис. 1.4. Алгоритмическая декомпозиция системы «Записная книжка»

16

7.7. От процедурного программирования к объектному

М о д у л ь н о е п р о г р а м м и р о в а н и е (рис. 1.5) предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные, в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов, модуль подпрограмм вывода на принтер. Связи между модулями осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен.

Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (С-ь+), языки Ада и Modula.

Использование модульного программирования существенно упрощает ведение разработки программ несколькими программистами, каждый из которых разрабатывает свои модули. Внутренняя организация модулей скрьгга от остальных и потому может изменяться независимо. Взаимодействие модулей осуществляется через специально оговоренные интерфейсы модулей. Кроме того, модули в дальнейшем могут использоваться в других разработках, что увеличивает производительность труда программистов.

Практика программирования показывает, что структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать достаточно надежные программы, размер которых не превышает 100 000 операторов.

Узким местом модульного программирования является то, что ошибка в интерфейсе при вызове подпрограммы выявляется только при вьшолнении программы (из-за раздельной компиляции модулей обнаружить эти ошибки раньше невозможно). При увеличении размера программы свыше 100 000

Модули с локальными данными

Рис. 1.5. Архитектура программы, состоящей ю модулей

17

1. Теоретические основы ООП

операторов обычно возрастает сложность межмодульных интерфейсов, и предусмотреть взаимовлияние отдельных частей программы становится практически невозможно.

Стремление уменьшить количество связей между отдельными частями программы привело к появлению объектно-ориентированного программирования (ООП).

1.2. Основные принципы и этапы объектно-ориентированного программирования

В теории программирования ООП определяется как технология создания сложного программного обеспечения, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного типа {класса), а классы образуют иерархию с

наследованием свойств [2].

Взаимодействие программных объектов в такой системе осуществляется путем передачи сообщений (рнс 1.6).

Пр имечание. Такое представление программы впервые было использовано в языке имитационного моделирования сложных систем Simula, появившемся еще в 60-х годах. Естественный для языков моделирования способ представления программы получил развитие в другом специализированном языке моделирования - языке Smalltalk (70-е годы), а затем был использован в новых версиях универсальных языков программирования, таких как Pascal, C++, Ада, Modula.

Основное достоинство ООП - сокращение количества межмодульных вызовов и уменьшение объемов информации, передаваемой между модулями, по сравнеюпо с модульным программированием. Это достигается за счет более полной локализации данных и интегрирования их с подпрограммами обработки, что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей (объектов) программы.

Кроме этого, объектный подход предлагает новые технологические средства разработки, такие как наследование, полиморфизм, композиция, наполнение, позволяющие конструировать сложные объекты из более простых. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов, появляется возможность создания библиотек объектов для различных применений, и разработчикам предоставляются дополнительные возможности создания систем повышенной сложности.

Основной недостаток ООП - некоторое снижекие быстродействия за

ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм, устойчивость.

Рассмотрим, что представляет собой каждый принцип.

18

1.2. Основные принципы и этапы ООП

Подпрограммы с локальными данными

Подпрограммы с локальными данными

Рис. 1.6. Архитектура программы при ООП

А б с т р а г и р о в а н и е - процесс вьщеления абстракций в предметной области задачи. Абстракция - совокупность существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют особенности данного объекта с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа. В соответствии с определением применяемая абстракция реального предмета существенно зависит от решаемой задачи: в одном случае нас будет интересовать форма предмета, в другом вес, в третьем - материалы, из которых он сделан, в четвертом - закон движения предмета и т.д. Современный уровень абстракции предполагает объединение всех свойств абстракции (как касающихся состояния

19