1.1. Методологія об'єктно-орієнтованого програмування

Методологія об'єктно-орієнтованого програмування прийшла на зміну процедурної або алгоритмічної організації структури програмного коду, коли стало очевидно, що традиційні методи процедурного програмування не здатні впоратися ні з зростаючою складністю програм та їх розробки, ні з підвищенням їх надійності. У другій половині 80-х років виникла нагальна потреба в новій методології програмування, яка б дозволила вирішити весь цей комплекс проблем. Такий методологією стало об'єктно-орієнтоване програмування (ООП).

Об'єктно-орієнтоване програмування (ООП, Object-Oriented Programming) - сукупність принципів, технологій, а також інструментальних засобів для створення програмних систем на основі архітектури взаємодії об'єктів.

Поширення методології ООП пов'язано з процесом розробки програм. Зокрема, процедурно-орієнтована декомпозиція програм поступилася місцем об'єктно-орієнтованої, при якій в якості окремих структурних одиниць програми розглядаються не процедури і функції, а класи та об'єкти з відповідними властивостями і методами. Як наслідок, програма перестала бути послідовністю зумовлених на етапі кодування дій, а перетворилася в подієво керовану. Остання обставина домінує і при розробці широкого кола сучасних додатків. У цьому випадку кожна програма являє собою нескінченний цикл очікування заздалегідь певних подій. Ініціаторами подій можуть бути інші програми або користувачі, а при настанні окремого події програма виходить зі стану очікування і реагує на нього цілком адекватним чином.

Основні принципи ООП: абстракція, успадкування, інкапсуляція і поліморфізм.

Абстракція (abstraction) - характеристика сутності, яка відрізняє її від інших сутностей. Абстракція визначає межу подання відповідного елемента моделі і застосовується для визначення фундаментальних понять ООП, таких як клас і об'єкт.

Клас являє собою абстракцію сукупності реальних об'єктів, які мають загальний набір властивостей і мають однаковий поведінкою. Об'єкт в контексті ООП розглядається як екземпляр відповідного класу.

Об'єкти, які не мають ідентичних властивостей або не володіють однаковим поведінкою, за визначенням, не можуть бути віднесені до одного класу.

Класи можна організувати у вигляді ієрархічної структури, яка за зовнішнім виглядом нагадує схему класифікації в понятійної логіці. Ієрархія понять будується наступним чином. В якості найбільш загального поняття чи категорії береться поняття, що має найбільший обсяг і, відповідно, найменше зміст. Це найвищий рівень абстракції для даної ієрархії. Потім дане загальне поняття конкретизується, тобто зменшується його обсяг і збільшується вміст. З'являється менш загальне поняття, яке на схемі ієрархії буде розташовано на рівень нижче початкового. Цей процес конкретизації понять може бути продовжений до тих пір, поки на самому нижньому рівні не буде отримано поняття, подальша конкретизація якого в даному контексті або неможлива, або недоцільна.

Принцип, згідно з яким знання про найбільш загальної категорії дозволяється застосовувати для більш приватної категорії, називається спадкуванням.

Спадкування тісно пов'язане з ієрархією класів, визначальною, які класи слід вважати найбільш абстрактними і загальними по відношенню до інших класів. При цьому якщо загальний або батьківський клас (предок) має фіксованим набором властивостей і поведінкою, то похідний від нього клас (нащадок) повинен містити цей же набір властивостей і подібна поведінка, а також додаткові, які будуть характеризувати унікальність отриманого класу. В цьому випадку говорять, що похідний клас успадковує властивості і поведінку батьківського класу.

Для ілюстрації принципу успадкування можна навести такий приклад. Загальний клас "Комп'ютер". Він визначається як абстракція властивостей і поведінки всіх, реально існуючих електронних обчислювальних машин. При цьому загальними властивостями класу "Комп'ютер" можуть бути такі, як наявність процесора, оперативної пам'яті, пристроїв введення та виведення інформації. Якщо як похідного розглянути клас "Персональний комп'ютер", то всі виділені вище властивості міститиме і цей клас. Можна сказати, що клас "Персональний комп'ютер" успадковує властивості батьківського класу "Комп'ютер". Однак крім перерахованих властивостей клас-нащадок будуть властиві додаткові, наприклад, наявність системного блоку і материнської плати з роз'ємом для установки мікропроцесора.

У свою чергу клас "Персональний комп'ютер" може бути класом-предком для інших класів, зокрема "Робоча станція", "Сервер" і "Ноутбук". З цієї точки зору всі зазначені класи успадковують властивості батьківського класу "Персональний комп'ютер", а можливо і перевизначають деякі з них. Описана вище текстова інформація про співвідношення класів в даному прикладі має одним серйозним недоліком, а саме, відсутністю наочності. У зв'язку з цим виникає питання: а чи можливо уявити ієрархію спадкування класів у візуальній формі? У понятійної логіці для зображення понять використовуються кола або прямокутники. За допомогою цієї графічної нотації, ієрархію класів для розглянутого прикладу можна представити у вигляді вкладених прямокутників або кіл, кожен з яких відповідає окремому класу (рис. 3.1).

Рис.1.1. Ієрархія вкладеності класів для прикладу загального класу "Комп'ютер"

Подібне зображення володіє серйозним недоліком. З представленого рисунка не ясно, зображена на ньому ієрархія понять або декомпозиція класу "Комп'ютер" на його складові частини. Як буде показано далі, використання нотації UML дозволяє усунути дану невизначеність за допомогою введення в розгляд двох різних відносин: узагальнення та агрегації (Лекція 6).

Наступний принцип ООП - інкапсуляція. Інкапсуляція характеризує приховування окремих деталей внутрішнього устрою класів від зовнішніх по відношенню до нього об'єктів або користувачів.

Клієнту, що взаємодіє з об'єктом класу, необов'язково знати, яким чином здійснено той чи інший елемент класу. Конкретна реалізація притаманних класу властивостей і методів, які визначають його поведінку, є власною справою даного класу. Більше того, окремі властивості і методи класу можуть бути невидимі за його межами, це відноситься до базової ідеї введення різних категорій видимості для елементів класу.

На прикладі з класом "Комп'ютер" неважко проілюструвати інкапсуляцію наступним чином. Основним суб'єктом, який взаємодіє з об'єктами цього класу, є користувач. Цілком очевидно, що не кожен користувач досконало знає внутрішній устрій того чи іншого комп'ютера. До того ж, окремі деталі цього пристрою свідомо приховані в корпусі системного блоку або монітора. А в разі порушення роботи комп'ютера, яке є причиною неадекватності його поведінки, необхідний ремонт виконує професійний фахівець.

Інкапсуляція веде своє походження від ділення модулів в деяких мовах програмування на дві частини або секції: інтерфейс та реалізацію. При цьому в інтерфейсній секції модуля описуються всі оголошення функцій і процедур, а можливо і типів даних, доступних за межами модуля. Зазначені процедури і функції є способами надання послуг зовнішнім клієнтам. В іншій секції модуля, званої реалізацією, міститься програмний код, який визначає конкретні способи реалізації оголошених в інтерфейсній частини процедур і функцій.

Поліморфізм також один з основних принципів ООП. Під поліморфізмом (грец. Poly - багато, morfos - форма) розуміється властивість об'єктів приймати різні зовнішні форми залежно від обставин. Стосовно ООП поліморфізм означає, що дії, що виконуються однойменними методами, можуть відрізнятися в залежності від того, до якого з класів належить той чи інший метод.

Наприклад, три об'єкта відповідних класів: двигун автомобіля, електричне світло в кімнаті і персональний комп'ютер. Для кожного з них можна визначити операцію вимкнути (). Проте результат виконання цієї операції буде відрізнятися для кожного з розглянутих об'єктів. Так для двигуна автомобіля виконання операції вимкнути () означає припинення подачі палива та його зупинку. Виконання операції вимкнути () для електричного світла в кімнаті означає простий клацання вимикача, після чого кімната поринає в темряву. В останньому випадку для персонального комп'ютера виконання операції вимкнути () може бути причиною втрати даних, якщо проводиться нерегламентованим чином.

Поліморфізм об'єктно-орієнтованих мов пов'язаний з перевантаженням функцій, але не тотожний їй. Важливо мати на увазі, що імена методів і властивостей тісно пов'язані з класами, в яких вони описані. Ця обставина забезпечує певну надійність роботи програми, оскільки виключає випадкове застосування методу для вирішення невластивою йому завдання.

Найбільш істотним обставиною у розвитку методології ООП стало усвідомлення того, що процес написання програмного коду може бути відділений від процесу проектування структури програми. Перш, ніж почати програмування класів, їх властивостей і методів, необхідно визначити самі ці класи. Більше того, потрібно дати відповіді на наступні питання: скільки і які класи потрібно визначити для вирішення поставленого завдання, які властивості і методи необхідні для додання класам необхідного поведінки, а також встановити взаємозв'язок між класами. Ця сукупність завдань не стільки пов'язана з написанням коду, скільки з загальним аналізом вимог до майбутньої програми, а також з аналізом конкретної предметної області, для якої розробляється програма. Всі ці обставини призвели до появи спеціальної методології, що отримала назву методології об'єктно-орієнтованого аналізу і проектування (ООАП).