Лекция 13. Объектно-ориентированные модели. Составные части объектного подхода.

Абстрактные типы данных

Концепция абстрактных типов и абстрактных типов данных является ключевой в программировании. Абстракция подразумевает разделение и независимое рассмотрение интерфейса и реализации.

Интерфейс и внутренняя реализация являются определяющими свойствами объектов окружающего нас мира. Интерфейс – это средство взаимодействия с некоторым объектом. Реализация - это внутреннее свойство объекта. Наибольший интерес представляет эффективность реализации.

Модульность и абстракция дополняют друг друга. Модульность предполагает скрытие деталей реализации, а абстракция позволяет специфицировать каждый модуль перед тем, как будет написана соответствующая программа.

Предположим, мы покупаем некоторый достаточно сложный бытовой прибор, имеющий развитый интерфейс с пользователем. При эксплуатации прибора мы редко задумываемся о физических процессах, происходящих в данном объекте, то есть его реализации. Чем совершеннее интерфейс объекта, тем он удобнее в эксплуатации. При приобретении объекта нас интересует его интерфейс, но не его реализация. Иначе мы возвращаемся к свойствам объекта: интерфейсу и реализации. Основная цель абстракции в программировании заключается в отделении интерфейса от реализации. Попытка усовершенствовать объект (его реализацию) пользователю, не являющемуся специалистом в этой области, приводит к отрицательному результату. В программировании запрет таких действий поддерживается механизмом запрета доступа или скрытия внутренних компонент. Принцип абстракции обязывает использовать механизмы скрытия, которые предотвращают умышленное или случайное изменение внутренней реализации.

Различают процедурную абстракцию и абстракцию данных.

Процедурная абстракция требует раздельного рассмотрения цели процедуры (например функции С/С++) и ее внутренней реализации.

Абстракция данных требует раздельного рассмотрения операций над данными и реализации этих операций. Достаточно знать, какие операции выполняет модуль, но не требуется знать, какие данные он при этом использует (они скрыты) и как в действительности выполняются эти операции.

Таким образом, абстракция позволяет отделить внешнее представление модуля от его внутренней структуры. Пользователя не интересует внутренняя структура модуля, а лишь то, что этот модуль может ”делать”. С точки зрения же разработчика качество модуля определяется его дешевизной и эффективностью.

Абстракция данных предполагает определение и рассмотрение абстрактных типов данных (АТД), или, иначе, новых типов данных, введенных пользователем. АТД – это совокупность данных вместе с множеством операций, которые можно выполнять над этими данными.

Базовые принципы объектно-ориентированного программирования

Объектно-ориентированное программирование основывается на трех основных концепциях: инкапсуляции, полиморфизме и наследовании.

Инкапсуляция (пакетирование) представляет собой механизм, связывающий вместе данные и код, обрабатывающий эти данные, и сохраняющий их от внешнего воздействия и ошибочного использования. Инкапсуляция позволяет создавать объект, являющийся логическим целым, включающим данные и код для работы с этими данными. Объект обеспечивает защиту против случайной или несанкционированной модификации частных (private) составляющих его членов.

Полиморфизм - принцип (подход), обеспечивающий возможность использования одного и того же кода для решения разных задач. Полиморфизм позволяет уменьшить сложность программы посредством использования одного и того же интерфейса для задания целого класса действий. Задача выбора специфического действия (метода) в зависимости от конкретной ситуации (количества и типа передаваемых аргументов) возлагается на компилятор.

Наследование представляет собой процесс, благодаря которому один объект может наследовать (приобретать) свойства от другого объекта. Объект, используя наследование, нуждается только в определении специфичных только для этого объекта свойств, отличающих его от других объектов этого класса.

Различают полиморфные и мономорфные языки. Для мономорфных языков характерно то, что используемые функции, процедуры и операторы имеют уникальный тип. Полиморфные языки поддерживают концепцию полиморфизма в теории типов, когда одно и то же имя может быть использовано для выражения различных действий. Поддержка полиморфизма осуществляется через виртуальные функции, механизм перегрузки функций и операторов.

Передача сообщений выражает основную методологию построения объектно-ориентированных программ. Программы представляются в виде набора объектов и передачи сообщений между ними.

При построении объектно-ориентированной программы одним из основных является вопрос иерархии классов. Пусть имеется некоторая иерархия (структура, взаимосвязь) классов. В этом случае можно:

• определить объект для заданного класса;

• построить новый класс, наследуя его из существующего класса;

• изменить поведение нового класса (изменить существующие и добавить новые функции).

Построение нового класса, наследуя его из существующего, предполагает:

• добавление в новый класс новых компонент-данных;

• добавление в новый класс новых компонент-функций;

• замену в новом классе наследуемых из старого класса компонент-функций;

Наследование может быть одиночным и множественным. При множественном наследовании наследуемый (новый) класс имеет более одного старого класса, из которых образуется новый класс. При этом новый класс наследует поведение этих классов.

Таким образом, объектно-ориентированное программирование – метод построения программ в виде множества взаимодействующих объектов, структура и поведение которых описаны соответствующими классами. Все эти классы образуют иерархию классов, выражающую отношение наследования.

При разработке объектно-ориентированных программ часто используются библиотеки классов. Библиотека может рассматриваться как заданная базовая иерархическая структура. Для разрабатываемой программы из библиотеки может быть выбрана некоторая подструктура и затем расширена новыми классами с использованием принципов наследования.

Язык программирования называется объектно-ориентированным, если :

• он поддерживает абстрактные типы данных (объекты с определенным интерфейсом и скрытым внутренним состоянием);

• объекты имеют связанные с ними типы (классы);

• поддерживается механизм наследования.

Примеры:

Выводы:

Язык С++ основывается на языке С, сохраняя большую часть возможностей языка С и расширяя их новыми, ориентированными на реализацию идей ООП. Язык С++ является легко переносимым языком. Получаемый программный код обладает высоким быстродействием и компактными размерами.