Основы объектно-ориентированного программирования. ООП - это что такое? Основные принципы объектно-ориентированного программирования Ориентированное программирование

Основывается на представлении программы в виде множества объектов. Каждый объект относится к какому-либо классу, который, в свою очередь, занимает свое место в наследуемой иерархии. Использование ООП минимизирует избыточные данные, это улучшает управляемость, понимание программы.

Что такое ООП

Возникло как результат развития процедурного программирования. Основой объектно-ориентированных языков являются такие принципы, как:

• инкапсуляция;
• наследование;
• полиморфизм.

Некоторые принципы, которые были изначально заложены в первые ООЯ, подверглись существенному изменению.

Примеры объектно-ориентированных языков:

1. Pascal. С выходом Delphi 7 на официальном уровне стал называться Delphi. Основная область использования Object Pascal - написание прикладного ПО.
2. C++ широко используется для разработки программного обеспечения, является одним из самых популярных языков. Применяется для создания ОС, прикладных программ, драйверов устройств, приложений, серверов, игр.
3. Java - транслируется в байт-код, обрабатывается виртуальной машиной Java. Преимуществом такого способа выполнения является независимость от операционной системой и оборудования. Существующие семейства: Standard Edition, Enterprise Edition, Micro Edition, Card.
4. JavaScript применяется в качестве языка сценариев для web-страниц. Синтаксис во многом напоминает Си и Java. Является реализацией Ecmascript. Сам Ecmascript используется в качестве основы для построения других таких как JScript, ActionScript.
5. Objective-C построен на основе языка Си, а сам код Си понятен компилятору Objective-C.
6. Perl - высокоуровневый интерпретируемый динамический язык общего назначения. Имеет богатые возможности для работы с текстом, изначально разработан именно для манипуляций с текстом. Сейчас используется в системном администрировании, разработке, сетевом программировании, биоинформатике и т. д.
7. PHP. Аббревиатура переводится как препроцессор гипертекста. Применяется для разработки веб-приложений, в частности серверной части. С его помощью можно создавать gui-приложения с помощью пакетов WinBinder.
8. Python - язык общего назначения, ориентирован на повышение производительности разработчика и читаемость кода. Был разработан проект Cython, с помощью которого осуществляется трансляция программ, написанных на Python в код на языке Си.

Абстракция

Любая книга из рода “Объектно-ориентированное программирование для чайников” выделяет один из главных принципов - абстракцию. Идея состоит в разделении деталей или характеристик реализации программы на важные и неважные. Необходима для крупных проектов, позволяет работать на разных уровнях представления системы, не уточняя детали.

Абстрактный тип данных представляется как интерфейс или структура. Позволяет не задумываться над уровнем детализации реализации. АТД не зависит от других участков кода.

Известный афоризм Дэвида Уилера гласит: Все проблемы в информатике можно решить на другом уровне абстракции.

Наследование

Объектно-ориентированные языки являются наследуемыми - это один из важнейших принципов.

Обозначает, что функциональность некоторого типа может быть повторно использована. Класс, который наследует свойства другого, называется производным, потомком или подклассом. Тот, от которого происходит наследование, называется предком, базовым или суперклассом. Связь потомок-наследник порождает особую иерархию.

Существует несколько типов наследования:

• простое;
• множественное.

При множественном наследовании может быть несколько детей от одного предка, когда при простом - только один. Это является основным различием между типами.

Наследование выглядит так:

function draw() {

return "just animal";

function eat() {

return "the animal is eating";

class Cow extends Animal {

function draw() {

Return "something that looks like a cow";

Видим, что class Cow унаследовал все методы от class Animal. Теперь, если выполнить Cow.eat(), получаем "the animal is eating", соответственно, метод draw() изменен. Cow.draw() вернет “something that looks like a cow”, а Animal.draw() вернет “just animal”.

Инкапсуляция

Инкапсуляция ограничивает доступ компонентов к другим, связывает данные с методами для обработки. Для инкапсуляции используется спецификатор доступа private.

Обычно понятия инкапсуляция и сокрытие отождествляются, но некоторые языки различают эти понятия. Другими словами, критичные для работы свойства защищаются, а их изменение становится невозможным.

function __construct($name) {

$this->name = $name;

function getName() {

return $this->name;

Name принимается в качестве аргументов конструктора. Когда конструктор будет использован в других частях кода, ничто не сможет изменить элемент name. Как видим, он указывается внутри, для других частей кода он недоступен.

Полиморфизм

Полиморфизм позволяет использовать одно и то же имя для решения схожих, но технически разных задач.

В примере выше находится таблица. Мы видим class CardDesk и class GraphicalObject. У обоих есть функция под названием draw(). Она выполняет разные действия, хотя имеет одно имя.

Ad hoc полиморфизм или специальный полиморфизм использует:

• перегрузку функций, методов;
• приведение типов.

Перегрузка подразумевает использование нескольких функций с одним именем, когда выбор подходящих происходит на этапе компиляции.

Приведение типов означает преобразование значения одного типа в значение другого типа. Существует явное преобразование - применяется функция, которая принимает один тип, а возвращает другой, неявное - выполняется компилятором или интерпретатором.

«Один интерфейс — много реализаций» Бьерн Страуструп.

Класс

Класс - это такой тип данных, который состоит из единого набора полей и методов.

Имеет внутренние и внешние интерфейсы для управления содержимым. При копировании через присваивание копируется интерфейс, но не данные. Разные виды взаимодействуют между собой посредством:

• наследования;
• ассоциации;
• агрегации.

При наследовании дочерний класс наследует все свойства родителя, ассоциация подразумевает взаимодействие объектов. Когда объект одного класса входит в другой, это называется агрегацией. Но когда они еще зависят друг от друга по времени жизни, - это композиция.

Одной из главных характеристик является область видимости. Понятие по-разному определяется разными ЯП.

В Object Pascal описывается следующим образом:

ClassName = class(SuperClass)

{ использование элементов ограничивается только пределами модуля }

{ здесь указываются поля }

{ спецификатор доступа стал доступным с выходом Delphi 2007, обозначает то же, что и private }

{ элементы могут использоваться внутри ClassName или при наследовании }

{ элементы доступны всем, они отображаются в Object Inspector"e }

Здесь SuperClass - предок, от которого происходит наследование.

Для C++ создание выглядит так:

class MyClass: public Parent

MyClass(); // конструктор

~MyClass(); // деструктор

В этом примере Parent является предком, если таковой имеется. Спецификаторы private, public, protected обозначают то же самое, что в предыдущем примере на Паскале. Также мы видим конструктор, деструктор, доступные для любой части программы. У C++ все элементы по умолчанию являются private, соответственно, это можно не указывать.

Особенности реализации

В центре объектно-ориентированных языков - объект, он является частью класса. Он состоит из:

• поля;
• метода.

Поле данных описывает параметры объекта. Они представляют собой некое значение, которое принадлежит какому-либо классу, описывают его состояние, свойства. Являются по умолчанию закрытыми, а изменение данных происходит за счет использования различных методов.

Метод - совокупность функций, которые определяют все возможные действия, доступные для выполнения над объектом. Все объекты взаимодействуют за счет вызова методов друг друга. Могут быть внешними или внутренними, что конкретизируется модификаторами доступа.

ООП-методологии

Существуют такие методологии:

• Компонентно-ориентированное программирование;
• Прототипное программирование;
• Классоориентированное программирование.

Компонентно-ориентированное программирование опирается на понятие компонента - такого составляющего программы, которое предназначено для повторного использования. Реализуется как множество конструкций с общим признаком, правилами, ограничениями. Подход используется в объектно-ориентированном языке Java, где компонентная ориентация реализуется посредством “JavaBeans”, написанных по одним правилам.

В прототипном программировании нет понятия класса - наследование производится за счет клонирования существующего прототипа. Это основа объектно-ориентированных языков javascript и других диалектов ecmascript, а также lua или lo. Главные особенности:

• потомки не должны сохранять структурное подобие прототипа (в отношении класс - экземпляр это происходит именно так);
• при копировании прототипа все методы наследуются один в один.

Классоориентированное программирование фокусируется на и экземпляр. Класс определяет общую структуру, поведение для экземпляров, которые их перенимают.

Объектно-ориентированные языки

Все ООЯ полностью отвечают принципам ООП - элементы представляют собой объекты, у которых есть свойства. При этом, могут быть дополнительные средства.

ООЯ обязательно содержит набор следующих элементов:

• объявление классов с полями, методами;
• расширение за счет наследования функций;
• полиморфное поведение.

Кроме вышеперечисленного списка, могут быть добавлены дополнительные средства:

• конструктор, деструктор, финализаторы;
• свойства;
• индексаторы;
• модификаторы доступа.

Некоторые ООЯ отвечают всем основным элементам, другие - частично. Третьи являются гибридными, то есть совмещаются с подсистемами других парадигм. Как правило, принципы ООП могут применяться для необъектно-ориентированного языка тоже. Однако применение ООЯ еще не делает код объектно-ориентированным.

ЯП поддерживают больше, чем одну парадигму. Например, PHP или JavaScript поддерживают функциональное, процедурное, объектно-ориентированное программирование. Java работает с пятью парадигмами: объектно-ориентированной, обобщенной, процедурной, аспектно-ориентированной, конкурентной. C# считается одним из самых успешных примеров мультипарадигмальности. Он поддерживает те же подходы, что Java, к этому списку добавляется еще рефлексивная парадигма. Такой ЯП, как Oz, разработан для того, чтобы объединить все понятия, традиционно связанные с различными программными парадигмами.

Методология объектно-ориентированного программирования – подход, использующий объектную декомпозицию, при которой статическая структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами.

В основе объектно-ориентированного языка программирования лежат понятия: объект, класс, инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

В частном случае в VisualBasicобъектом называется элемент пользовательского интерфейса, который создается на формеVisualBasic, а также элементы управления и отображения.

Каждый объект есть представитель некоторого класса однотипных объектов, т.е. объект является экземпляром класса. Класс определяет общие для всех его объектов методы и свойства.Методы – это программные процедуры, определяющие взаимодействие объектов класса с внешней средой.Свойства представляют собой характеристики (атрибуты), присущие объектам (например, размер шрифта, название и др.).

Инкапсуляция – это скрытие информации. При объектно-ори­ентированном программировании возможен доступ к объекту только через его методы и свойства. Внутренняя структура объекта скрыта от пользователя, т.е. объекты – это самостоятельные сущности, отделенные от внешнего мира. Инкапсуляция позволяет изменять реализацию объектов любого класса без опасений, что это вызовет нежелательные побочные эффекты в программной системе. Это мощное средство обеспечивает многократное использование одного и того же программного кода.

Наследование – это возможность выделить свойства, методы и события одного объекта и приписать их другому объекту, иногда с их модификацией. С точки зрения программиста, новый класс должен содержать только коды и данные для новых или изменяющихся методов.

Полиморфизм – это способность объектов выбирать операцию на основе данных, принимаемых в сообщении. Каждый объект может реагировать по-своему на одно и то же сообщение. Например, командаPrint будет по-разному воспринята черно-белым или цветным принтером.

Базовые понятия объектно-ориентированного программирования

При использовании ООП основными действующими лицами являются не переменные, а объекты .

Объектам VisualBasicприсуща функциональность. Иными словами, они действуют определенным образом и могут откликаться на определенные ситуации. При этом если свойства объекта определяют его внешний вид и поведение, то методы объекта – те задачи, которые может выполнить данный объект. Методы по сути дела представляют собой сегмент программного кода, внедрен­ный в объект.

Существует определенный формат программного кода, задающего установку свойства и использование метода:

Объект.Свойство = Значение

Объект.Метод [Параметр1 [...]]

Здесь Объект – имя настраиваемого объекта;Свойство – характеристика, которую нужно изменить;Метод – команда, которая используется для изменения объекта;Значение – новая установка свойства;Параметр – аргумент, используемый методом.

Пусть необходимо написать программу, которая будет рисовать на экране снеговика, состоящего и кругов какого-либо определенного цвета. Необходимо предусмотреть возможность перемещения снеговика по экрану в различных направлениях – процедура Move. Сделать возможным изменение цвета для всех кругов, из которых состоит снеговик.

Все крути можно представить в виде самостоятельных объектов с одинаковой структурой, которые отличаются друг от друга лишь значениями параметров. Действие процедур Draw(рисование круга),Move(перемещение круга) и ChangeColor (смена цвета круга), идентичны применительно к каждому из кругов. Все круги являются объектами, которые имеют одинаковую структуру (радиус, координаты центра, цвет) и ведут себя схожим образом при выполнении любого действия (рисование, перемещение, изменение цвета), т.е. все они принадлежат одному и тому же семейству.

С точки зрения объектно-ориентированного программирования все "действующие лица" программы представляют собой объекты, каждый из которых является элементом (экземпляром) какого-либокласса. Параметры объекта (радиус, цвет и т. п.) называются егосвойствами, а процедуры или функции, которые он выполняет в ответ на какой-либо запрос (поменять цвет, переместиться и т. п.), называются методами. При этом метод, который должен вызываться в ответ на запрос, определяется классом, экземпляром которого является данный объект. И наоборот, если объекты принадлежат одному и тому же классу, то они должны вызывать одинаковые методы в ответ на один и тот же запрос.

Представление свойств и методов как неотъемлемых частей любого объекта носит название инкапсуляции , т.е. в этом случае объект можно представить как своеобразную оболочку (капсулу), которая "окружает" программный код (методы) и данные (свойства). На рис. 1 приведена иллюстрация этого важного понятия ООП.

Рис.1. Иллюстрация понятия инкапсуляции

Пусть класс, которому принадлежат все объекты-круги, называется Round.

Свойствами класса Roundявляются следующие:

– R – радиус круга;

– X ,Y – координаты центра круга;

– Color – цвет круга.

Методы класса Round:

– Draw– рисует круг с заданными параметрами;

– Move– перемещает круг на определенное расстояние в выбранном направлении;

– ChangeColor– изменяет цвет крута.

Для того чтобы нарисовать снеговика, потребуются три объекта-круга. Верхний из них можно назвать Head, средний –Body,aнижний –Foot. Все эти объекты принадлежат классуRound. Следовательно, все они имеют одинаковые свойства (R ,X ,Y ,Color ) и вызывают одинаковые методы (Draw,Move,ChangeColor) в ответ на одни и те же запросы.

Таким образом, в ООП принципы абстрагирования и сокрытия данных нашли свое максимальное отражение. Программа состоит из независимых блоков, которые могут использоваться и в других приложениях. ООП зачастую позволяет создавать конечный продукт просто путем соединения нескольких готовых блоков, написанных ранее.

Этой статьей я начинаю серию публикаций о теории объектно-ориентированной методологии разработки программного обеспечения. Сегодня речь пойдет об одной из основных концепций ООП — объекте .

Объекты в ООП — это объекты реального мира

Любые программные системы предназначены для моделирования реальных систем, поэтому очень важно в каких терминах мы пытаемся описать эти реальные системы. Описание в виде последовательности действий (процедурный подход к программированию) оказался довольно сложным. Объектно-ориентированный подход предлагает описывать системы в виде взаимодействия объектов.

Предположим что нам нужно разработать систему автоматизации банка. Эта система могла быть осуществлена следующим образом:

В операции снятия денег через банкомат участвуют 3 объекта : «клиент Иванов», «банкомат на Тверской» и «счет № 66579801», который открыт в данном банке для Иванова. Подойдя к банкомату и засунув свою карточку, объект «клиент Иванов» посылает банкомату сообщение «Начать работу». Получив такое сообщение, банкомат выводит на экран какую-нибудь информацию и запрашивает код доступа, т.е объект «банкомат на Тверской» посылает сообщение объекту «клиент Иванов» — «Сообщить идентификационный код». Если идентификация прошла успешно, «клиент Иванов» просит выдать ему 1000 рублей. Он посылает сообщение об этом банкомату, а тот в свою очередь объекту «счет № 66579801». Приняв это сообщение объект «счет № 66579801» проверяет есть ли у него 1000 рублей, и, если есть, пересылает разрешение на снятие денег, одновременно уменьшая свой баланс на соответствующую сумму. Банкомат передает деньги и на этом процедура заканчивается.

Объекты выполняют необходимые действия передавая друг другу сообщения.

Описание в виде объектов позволяет определить различные компоненты системы. Те же самые объекты — «счет № 66579801» и «клиент Иванов» — будут учавствовать в другой операции при которой клиент приходит в отделение банка для снятие или зачисления денег на свой счет.

Приведенная ситуация является ярким примером сущности понятия «объект в ООП «. Сложно дать четкое определение этому понятию, приведу цитату этого определения Ивара Якобсона:

Объект в ООП — это сущность, способная сохранять свое состояние (информацию) и обеспечивающая набор операций (поведение) для проверки и изменения этого состояния.

Объект в объектно-ориентированном программировании — это модель или абстракция реальной сущности в программной системе. Предмет моделирования при построении объекта в ООП может быть различным. Например, могут существовать следующие типы абстракции, используемые при построении объекта:

• абстракция понятия: объект — это модель какого-то понятия предметной области;
• абстракция действия: объект объединяет набор операций для выполнения какой-либо функции;
• абстракция виртуальной машины: объект объединяет операции, которые используются другими, более высокими уровнями абстракции;
• случайная абстракция: объект объединяет не связанные между собой операции.

Состояние объекта в ООП

Каждый объект в ООП характеризуется своим состоянием. Состояние банковского счета — это сумма лежащих на нем денег. Состояние банкомата включает в себя состояние «включен» или «выключен», готов или не готов к принятию запроса, наличию денег в банкомате.

Состояние объекта характеризуется текущим значением его атрибутов . В нашем примере у счета есть атрибут -баланс. В простейшем случае он отражается числом — количеством рублей и копеек на счету. Операция снятия или зачисления на счет изменяет баланс и атрибут объекта «счет № 66579801». У объекта «банкомат на Тверской» есть несколько атрибутов. Количество денег в банкомате может характеризоваться числом. Состояние «включен» или «выключен» и состояние «готов или не готов к принятию запроса» — логическим значением.

Стоит заметить, что атрибутами объекта в ООП могут быть не только простейшие значения (число, логическое значение и т.д.), но и сложные величины или другие объекты. Например, наш банк для целей контроля будет хранить историю всех транзакций. Транзакция — это объект, который имеет атрибуты (характеристики) тип транзакции, сумма переведенных денег, место совершения и имена контрагентов этой операции. У объекта «счет № 66579801» появится новый атрибут — «история транзакций», который будет состоять из набора объектов-транзакций.

Идентификация объектов в ООП

Иногда нужно идентифицировать объекты в ООП, т.е., если имеются два объекта, как можно определить что эти объекты разные. Например, такая процедура очень важна для идентификации банковского счета (объект «счет № 66579801») клиента банка Иванова.

На самом деле существует два вопроса: равны ли два объекта или тождественны.

Обычно для идентификации применяются специальные атрибуты объектов — идентификаторы. Например, для объекта «счет № 66579801» идентификатором является его атрибут «номер счета», который является уникальным (соблюдается требование предметной области).

В свою очередь, зная идентификаторы объектов можно точно определить являются ли они тождественными или нет.

Интерфейс объекта в ООП

Важнейшей характеристикой объекта в ООП является описание того, как он может взаимодействовать с окружающим миром. Это описание называется интерфейсом объекта .

Объекты в ООП взаимодействуют между собой с помощью сообщений. Принимая сообщение, объект выполняет соответствующее действие. Эти действия обычно называются методами .

В нашем примере у объекта «счет № 66579801» есть следующие методы — «снять деньги со счета» и «положить деньги на счет». Эти два метода и составляют интерфейс объекта. У объекта «клиент Иванов» имеется метод «Сообщить свой код». А у объекта «банкомат на Тверской » есть методы «начать работу», «принять деньги», «выдать деньги».

У объекта «счет № 66579801» есть еще один атрибут «баланс». Является ли он частью интерфейса объекта? Интерфейс — это внешнее описание объекта. При разработке банковской системы и, в частности, объекта «счет», мы решаем вопрос: является ли баланс необходимой информацией для других объектов? Очевидно, что является. Тогда нам нужно ответить на еще один вопрос: что именно нужно другим объектам? Остаток денег на счете. В таком случае необходимо добавить еще один метод «сообщить остаток денег на счете» к объекту «счет» , и его интерфейс будет теперь состоять из трех методов.

Таким образом, атрибут баланс не является непосредственно частью интерфейса. Другие объекты могут обратиться к этому атрибуту только опосредственно, с помощью метода «сообщить остаток на счете» (тем самым они не могут непосредственно менять значение этого атрибута).

Наряду с методами и атрибутами, входящими в интерфейс и доступными другим объектам, у объекта могут быть атрибуты предназначенные для внутреннего использования (к ним может обращаться только сам объект). Например, у банкомата очень сложная внутренняя структура, т.е. он имеет огромное количество атрибутов. Но для банковской системы они не важны, и ни клиент, ни объект «счет» не могут к ним обратиться. Они не входят в интерфейс объекта «банкомат».

Время жизни объекта в ООП

В любой системе объекты создаются, функционируют и уничтожаются. В программировании существуют два способа уничтожения объектов:

1. Объекты должны уничтожаться явно, с помощью специальных вызовов
2. Объекты уничтожаются тогда, когда они никому не нужны (в системе отсутствуют все ссылки на данный объект). Такое уничтожение иногда называется уничтожением по достижимости

Но в тоже время могут существовать объекты, для которых необходимо восстанавливать их предыдущее состояние при новом запуске программы. Для работы с такими объектами применяется метод сериализации , когда значения всех атрибутов записываются, и, при необходимости восстановления объекта, считываются. Схема данного метода представлена ниже.

Существуют, также, и постоянные объекты, которые не уничтожаются при завершении программы и не создаются заново при ее запуске (объекты объектно-ориентированной базы данных). Программа и при первом и при втором запуске обращается к одному и тому же объекту, хранящемуся в постоянной памяти.

Со временем жизни и идентификации объектов тесно связано еще одно понятие — понятие объектов первого и второго сорта или равноправия объектов в системе.
Объект считается самостоятельным или первого сорта, в том случае, если он обладает всеми признаками идентификации объектов, принятыми в данной объектной среде, и время его жизни не связано со временем жизни породившего его объекта.

Композиция объектов в ООП

Объект может состоять из других объектов. Например, банкомат содержит большое количество узлов (атрибутов), т.е он включает в свой состав другие объекты. При этом, банкомат может непосредственно включать в себя другие объекты или же только ссылаться на них.

В следующей статье будут рассмотрены классы в ООП, как способ описания структуры и поведения объектов.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) составляет основу Java. По существу, все программы на Java являются в какой-то степени объектно- ориентированными. Язык Java связан с ООП настолько тесно, что прежде чем приступить к написанию на нем даже простейших программ, следует вначале ознакомиться с основными принципами ООП. Поэтому начнем с рассмотрения тео­ретических вопросов ООП.

Две методики

Все компьютерные программы состоят из двух элементов: кода и данных. Более того, программа концептуально может быть организована вокруг своего кода или своих данных. Иными словами, организация одних программ определяется тем, “что происходит”, а других - тем, “на что оказывается влияние”. Существуют две методики создания программ. Первая из них называется моделью, ориентированной на процессы и характеризует программу как последовательность линейных шагов (т.е. кода). Модель, ориентированную на процессы, можно рассматривать в каче­стве кода, воздействующего на данные. Такая модель довольно успешно применяется в процедурных языках вроде С. Но, как отмечалось в главе 1, подобный подход по­рождает ряд трудностей в связи с увеличением размеров и сложности программ.

С целью преодолеть увеличение сложности программ была начата разработ­ка подхода, называемого объектно-ориентированным программированием. Объектно- ориентированное программирование позволяет организовать программу вокруг ее данных (т.е. объектов) и набора вполне определенных интерфейсов с этими данными. Объектно-ориентированную программу можно охарактеризовать как данные, управляющие доступом к коду. Как будет показано далее, передавая функции управления данными, можно получить несколько организационных преимуществ.

Абстракция

Важным элементом ООП является абстракция. Человеку свойственно представ­лять сложные явления и объекты, прибегая к абстракции. Например, люди представляют себе автомобиль не в виде набора десятков тысяч отдельных деталей, а в виде совершенно определенного объекта, имеющего свое особое поведение. Эта абстракция позволяет не задумываться о сложности деталей, составляющих автомобиль, скажем, при поездке в магазин. Можно не обращать внимания на подробности работы двигателя, коробки передач и тормозной системы. Вместо этого объект можно использовать как единое целое.

Эффективным средством применения абстракции служат иерархические клас­сификации. Это позволяет упрощать семантику сложных систем, разбивая их на более управляемые части. Внешне автомобиль выглядит единым объектом. Но стоит заглянуть внутрь, как становится ясно, что он состоит из нескольких под­систем: рулевого управления, тормозов, аудиосистемы, привязных ремней, обо­гревателя, навигатора и т.п. Каждая из этих подсистем, в свою очередь, собрана из более специализированных узлов. Например, аудиосистема состоит из радиопри­емника, проигрывателя компакт-дисков и/или аудиокассет. Суть всего сказанного состоит в том, что структуру автомобиля (или любой другой сложной системы) можно описать с помощью иерархических абстракций.

Иерархические абстракции сложных систем можно применять и к компьютер­ным программам. Благодаря абстракции данные традиционной, ориентирован­ной на процессы, программы можно преобразовать в составляющие ее объекты, а последовательность этапов процесса - в совокупность сообщений, передавае­мых между этими объектами. Таким образом, каждый из этих объектов описывает свое особое поведение. Эти объекты можно считать конкретными сущностями, реагирующими на сообщения, предписывающие им вътолнитьконкретное действие. В этом, собственно, и состоит вся суть ООП.

Принципы ООП лежат как в основе языка Java, так и восприятия мира человеком. Важно понимать, каким образом эти принципы реализуются в программах. Как станет ясно в дальнейшем, ООП яаляется еще одной, но более эффективной и естественной методикой создания программ, способных пережить неизбежные изменения, сопро­вождающие жизненный цикл любого крупного программного проекта, включая за­рождение общего замысла, развитие и созревание. Например, при наличии тщатель­но определенных объектов и ясных, надежных интерфейсов с этими объектам можно безбоязненно и без особого труда извлекать или заменять части старой системы.

Три принципа ООП

Все языки объектно-ориентированного программирования предоставляют ме­ханизмы, облегчающие реализацию объектно-ориентированной модели. Этими механизмами являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Рассмотрим эти принципы ООП в отдельности.

Инкапсуляция

Механизм, связывающий код и данные, которыми он манипулирует, защищая оба эти компонента от внешнего вмешательства и злоупотреблений, называется инкап­суляцией. Инкапсуляцию можно считать защитной оболочкой, которая предохраня­ет код и данные от произвольного доступа со стороны другого кода, находящегося снаружи оболочки. Доступ к коду и данным, находящимся внутри оболочки, строго контролируется тщательно определенным интерфейсом. Чтобы провести анало­гию с реальным миром, рассмотрим автоматическую коробку передач автомобиля. Она инкапсулирует немало сведений об автомобиле, в том числе величину ускоре­ния, крутизну поверхности, по которой совершается движение, а также положение рычага переключения скоростей. Пользователь (в данном случае водитель) может оказывать влияние на эту сложную инкапсуляцию только одним способом: переме­щая рычаг переключения скоростей. На коробку передач нельзя воздействовать, например, с помощью индикатора поворота или дворников. Таким образом, рычаг переключения скоростей является строго определенным, а по существу, единствен­ным, интерфейсом с коробкой передач. Более того, происходящее внутри коробки передач не влияет на объекты, находящиеся вне ее. Например, переключение пере­дач не включает фары! Функция автоматического переключения передач инкапсу­лирована, и поэтому десятки изготовителей автомобилей могут реализовать ее как угодно. Но с точки зрения водителя все эти коробки передач работают одинаково. Аналогичный принцип можно применять и в программировании. Сильная сторона инкапсулированного кода состоит в следующем: всем известно, как получить доступ к нему, а следовательно, его можно использовать независимо о подробностей реали­зации и не опасаясь неожиданных побочных эффектов.

Основу инкапсуляции ejavaсоставляет класс. Подробнее классы будут рассмотре­ны в последующих главах, а до тех пор полезно дать хотя бы краткое их описание. Класс определяет структуру и поведение (данные и код), которые будут совместно использоваться набором объектов. Каждый объект данного класса содержит струк­туру и поведение, которые определены классом, как если бы объект был “отлит” в форме класса. Поэтому иногда объекты называют экземплярами класса. Таким об­разом, класс - это логическая конструкция, а объект - ее физическое воплощение.

При создании класса определяются код и данные, которые образуют этот класс. Совместно эти элементы называются членами класса. В частности, определенные в классе данные называются перемени ымичленами, или переменными экземпляра, а код, оперирующий данными, - методами-членами, или просто методами. (То, что програм­мирующие на Java называют методами, программирующие на C/C++ называют функ­циями) В программах, правильно написанных на Java, методы определяют, каким об­разом используются переменные-члены. Это означает, что поведение и интерфейс класса определяются методами, оперирующими данными его экземпляра.

Поскольку назначение класса состоит в инкапсуляции сложной структуры про­граммы, существуют механизмы сокрытия сложной структуры реализации в самом классе. Каждый метод или переменная в классе могут быть помечены как закрытые или открытые. Открытый интерфейс класса представляет все, что должны или мо­гут знать внешние пользователи класса. Закрытые методы и данные могут быть до­ступны только для кода, который является членом данного класса. Следовательно, любой другой код, не являющийся членом данного класса, не может получать доступ к закрытому методу или переменной. Закрытые члены класса доступны другим ча­стям программы только через открытые методы класса, и благодаря этому исключа­ется возможность выполнения неправомерных действий. Это, конечно, означает, что открытый интерфейс должен быть тщательно спроектирован и не должен рас­крывать лишние подробности внутреннего механизма работы класса (рис 1).

Рис. 1.

Наследование

Процесс, в результате которого один объект получает свойства другого, назы­вается наследованием. Это очень важный принцип ООП, поскольку наследование обеспечивает принцип иерархической классификации. Как отмечалось ранее, большинство знаний становятся доступными для усвоения благодаря иерархиче­ской (т.е. нисходящей) классификации. Например, золотистый ретривер - часть классификации собак, которая, в свою очередь, относится к классу млекопитающих, а тот - к еще большему классу животных. Без иерархий каждый объект должен был бы явно определять все свои характеристики. Но благодаря наследованию объект должен определять только те из них, которые делают его особым в классе. Объект может наследовать общие атрибуты от своего родительского объекта. Таким об­разом, механизм наследования позволяет сделать один объект частным случаем более общего случая. Рассмотрим этот механизм подробнее.

Как правило, большинство людей воспринимают окружающий мир в виде ие­рархически связанных между собой объектов, подобных животным, млекопитаю­щим и собакам. Если требуется привести абстрактное описание животных, можно сказать, что они обладают определенными свойствами: размеры, уровень интел­лекта и костная система. Животным присущи также определенные особенности поведения: они едят, дышат и спят. Такое описание свойств и поведения составля­ет определение класса животных.

Если бы потребовалось описать более конкретный класс животных, например млекопитающих, следовало бы указать более конкретные свойства, в частности тип зубов и молочных желез. Такое определение называется подклассом животных, которые относятся к суперклассу (родительскому классу) млекопитающих. А поскольку млекопитающие - лишь более точно определенные животные, то они на­следуют все свойства животных. Подкласс нижнего уровня иерархии классов наследу­ет все свойства каждого из его родительских классов (рис. 2).

Рис. 2.

Наследование связано также с инкапсуляцией. Если отдельный класс инкапсули­рует определенные свойства, то любой его подкласс будет иметь те же самые свойства плюс любые дополнительные, определяющие его специализацию (рис. 3). Благодаря этому ключевому принципу сложность объектно-ориентированных программ нарастает в арифметической, а не геометрической прогрессии. Новый под­класс наследует атрибуты всех своих родительских классов и поэтому не содержит непредсказуемые взаимодействия с большей частью остального кода системы.

Рис. 3. Лабрадор полностью наследует инкапсулированные свойства всех родительских классов животных

Полиморфизм

Полиморфизм (от греч. “много форм”) - это принцип ООП, позволяющий ис­пользовать один и тот же интерфейс для общего класса действий. Каждое действие зависит от конкретной ситуации. Рассмотрим в качестве примера стек, действую­щий как список обратного магазинного типа. Допустим, в программе требуются стеки трех типов: для целочисленных значений, для числовых значений с плаваю­щей точкой и для символов. Алгоритм реализации каждого из этих стеков остается неизменным, несмотря на отличия в данных, которые в них хранятся. В языке, не являющемся объектно-ориентированным, для обращения со стеком пришлось бы создавать три разных ряда служебных программ под отдельными именами. A ejava, благодаря принципу полиморфизма, для обращения со стеком можно определить общий ряд служебных программ под одними и теми же общими именами.

В более общем смысле принцип полиморфизма нередко выражается фразой “один интерфейс, несколько методов”. Это означает, что можно разработать об­щий интерфейс для группы связанных вместе действий. Такой подход позволяет уменьшить сложность программы, поскольку один и тот же интерфейс служит для указания общего класса действий. А выбор конкретного действия (т.е. метода) де­лается применительно к каждой ситуации и входит в обязанности компилятора. Это избавляет программиста от необходимости делать такой выбор вручную. Ему нужно лишь помнить об общем интерфейсе и правильно применять его.

Если продолжить аналогию с собаками, то можно сказать, что собачье обоня­ние - полиморфное свойство. Если собака почувствует запах кошки, она залает и погонится за ней. А если собака почувствует запах своего корма, то у нее нач­нется слюноотделение, и она поспешит к своей миске. В обоих случаях действует одно и то же чувство обоняния. Отличие лишь в том, что именно издает запах, т.е. в типе данных, воздействующих на нос собаки! Этот общий принцип можно реализовать, применив его к методам в программе на Java.

Совместное применение полиморфизма, инкапсуляции и наследования

Если принципы полиморфизма, инкапсуляции и наследования применяются правильно, то они образуют совместно среду программирования, поддерживаю­щую разработку более устойчивых и масштабируемых программ, чем в том случае, когда применяется модель, ориентированная на процессы. Тщательно продуман­ная иерархия классов служит прочным основанием для многократного использо­вания кода, на разработку и проверку которого были затрачены время и усилия. Инкапсуляция позволяет возвращаться к ранее созданным реализациям, не нару­шая код, зависящий от открытого интерфейса применяемых в приложении клас­сов. А полиморфизм позволяет создавать понятный, практичный, удобочитаемый и устойчивый код.

Из двух приведенных ранее примеров из реальной жизни примере автомобиля­ми более полно иллюстрирует возможности ООП. Если пример с собаками вполне подходит для рассмотрения ООП с точки зрения наследования, то пример с авто­мобилями имеет больше общего с программами. Садясь за руль различных типов (подклассов) автомобилей, все водители пользуются наследованием. Независимо от того, является ли автомобиль школьным автобусом, легковым, спортивным автомобилем или семейным микроавтобусом, все водители смогут легко найти руль, тормоза, педаль акселератора и пользоваться ими. Немного повозившись с рычагом переключения передач, большинство людей могут даже оценить отличия руч­ной коробки передач от автоматической, поскольку они имеют ясное представление об общем родительском классе этих объектов - системе передач.

Пользуясь автомобилями, люди постоянно взаимодействуют с их инкапсули­рованными характеристиками. Педали тормоза и газа скрывают невероятную сложность соответствующих объектов за настолько простым интерфейсом, что для управления этими объектами достаточно нажать ступней педаль! Конкретная реализация двигателя, тип тормозов и размер шин не оказывают никакого влия­ния на порядок взаимодействия с определением класса педалей.

И наконец, полиморфизм ясно отражает способность изготовителей автомо­билей предлагать большое разнообразие вариантов, по сути, одного и того же средства передвижения. Так, на автомобиле могут быть установлены система тор­мозов с защитой от блокировки или традиционные тормоза, рулевая система с гидроусилителем или с реечной передачей и 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели. Но в любом случае придется нажать на педаль тормоза, чтобы остановиться, вращать руль, чтобы повернуть, и нажать на педаль акселератора, чтобы автомобиль дви­гался быстрее. Один и тот же интерфейс может быть использован для управления самыми разными реализациями.

Как видите, благодаря совместному применению принципов инкапсуляции, наследования и полиморфизма отдельные детали удается превратить в объект, называемый автомобилем. Это же относится и к компьютерным программам. Принципы ООП позволяют составить связную, надежную, сопровождаемую про­грамму из многих отдельных частей.

Как отмечалось в начале этого раздела, каждая программа на Java является объ­ектно-ориентированной. Точнее говоря, в каждой программе Hajava применяют­ся принципы инкапсуляции, наследования иполиморфизма. На первый взгляд может показаться, что не все эти принципы проявляются в коротких примерах программ, приведенных в остальной части этой главы и ряде последующих глав, тем не менее они в них присутствуют. Как станет ясно в дальнейшем, многие языковые средства Java являются составной частью встроенных библиотек классов, в которых широко применяются принципы инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

По мере совершенствования вычислительной техники компьютеры стали использоваться для решения все более и более сложных задач. Оказалось, что для решения сложных задач важна не только повышенная вычислительная мощность компьютеров, но и эффективность написания сложных программ. Объектно-ориентированное программирование (ООП) появилось именно как эффективный способ преодоления трудностей, возникающих при создании сложных программ.

Наиболее значимой частью ООП является особый подход к решению сложных задач программирования, называемый объектно-ориентированным анализом , а объектно-ориентированные языки программирования - просто удобные инструменты для реализации этого подхода.

История

Основатели ООП - выдающиеся норвежские ученые Кристен Нигаард (Cristen Nygaard) и Оле-Йохан Даль (Ole-Johan Dahl). Работая над моделированием судовождения, Нигаард понял, что существующие программные средства малоэффективны в создании столь сложных программ, и тогда Нигаард начал разрабатывать концепции нового программирования, позволяющего преодолеть барьеры сложности, и которое впоследствии было названо объектно-ориентированным (сам термин был придуман Аланом Кеем, автором языка Java). Вместе с Оле-Йоханом Далем Нигаард разработал основные положения ООП и практические механизмы их реализации, которые затем были воплощены в первом ООЯ Симула (Simula). Заслуги этих ученых были по достоинству оценены мировым научным сообществом, и в 2001 году Нигаард и Даль стали лауреатами премии имени Алана Тьюринга - своеобразного аналога Нобелевской премии в области computer science.

Язык Симула пользовался известностью в академических кругах, однако по ряду причин не завоевал популярности среди разработчиков коммерческого ПО. Тем не менее основные идеи и возможности ООП были очень привлекательны для программистов. Впоследствии были созданы другие ООЯ: SmallTalk (1980), C++ (1985), Eiffel (1986), Object Pascal (1986) и Delphi (1995), Oberon-2 (1991), Java (1991), Visual Basic (1991) и многие другие. Некоторые из этих языков стали промышленными стандартами в программировании.

Особенности ООП

Основная идея ООП заключается в том, что следует создавать программные структуры, поведение и взаимодействие которых имитирует поведение и взаимодействие объектов реального мира (т.е. в программе как бы создаются виртуальные аналоги реальных сущностей). Объектно-ориентированные языки программирования должны предоставлять средства для удобного и быстрого воплощения этого подхода.

В обыденной жизни люди используют (пусть даже неосознанно) различные приемы “экономии мышления”, позволяющие осмысливать и выражать сложные явления в простых понятиях. Типичными приемами “экономии мышления” являются:

· абстрагирование (отбрасывание несущественных деталей);

· обобщение (выделение общих существенных признаков у разных явлений или предметов);

· классификация (осознание связи между явлениями и степени их схожести).

Эти простые приемы помогают человеку справиться со сложностью рассматриваемых явлений. И объектно-ориентированные языки программирования также должны предоставлять подобные средства для “борьбы со сложностью” программ. Для реализации объектно-ориентированного подхода в языки программирования вводятся новые понятия:

· объекты - особые программные структуры, объединяющие данные и алгоритмы их обработки;

· инкапсуляция - сокрытие подробностей функционирования объектов;

· наследование - “сокращенный” способ создания новых классов;

· полиморфизм - возможность применения нескольких реализаций одной функции.

Объекты и классы

Объекты - особые программные единицы, состоящие из данных и алгоритмов для обработки именно этих данных . Данные, входящие в состав объекта, называются полями (атрибутами, свойствами, членами). Алгоритмы, входящие в состав объекта, называются методами (сервисами, операциями, функциями-членами). К сожалению, единой устоявшейся терминологии в ООП нет, и в разных языках используются различные термины для обозначения одних и тех же понятий.

Классы - это объектные типы данных. Подобно тому, как целые числа принадлежат какому-нибудь целочисленному типу (например, integer или byte), объекты также принадлежат какому-либо объектному типу - классу. Все объекты одного класса имеют одинаковый набор полей и одинаковый набор методов.

В некоторых языках (C++, Java) объекты называются экземплярами класса (instances).

Полезность использования классов и объектов заключается в том, что проверка логического (смыслового) соответствия между данными и функциями для обработки данных становится тривиальной задачей и может быть в основном переложена на компилятор (компьютер) - теперь он сам может определить неверное использование данных.

Инкапсуляция

Инкапсуляция (дословно - “сокрытие”) - контролируемое сокрытие информации о внутренней структуре класса. В классе могут быть поля и методы, используемые объектами исключительно для обеспечения своей работы (например, буфер в динамической памяти, файл с рабочими данными, методы для работы с этим файлом и т.п.). Изменять такие поля или вызывать методы извне объекта опасно - это может нарушить его рабочее состояние. Для обеспечения безопасности объектов подобные поля и методы можно скрыть - запретить обращение к ним извне.

С позиций “борьбы со сложностью” инкапсуляция позволяет переложить часть контроля за правильностью работы с объектами на компилятор (компьютер).

Различные ООЯ предлагают разные возможности по инкапсуляции полей и методов (от полного отсутствия и до автоматического сокрытия всех полей). В промышленных ООЯ, таких, как C++, Java, Delphi, Eiffel и т.д., предусмотрены три уровня инкапсуляции полей и методов:

· public - на обращение к публичным полям и методам объектов нет никаких ограничений;

· protected - прямое обращение к защищенным полям и методам возможно только из методов данного класса и методов дочерних классов;

· private - прямое обращение к приватным полям и методам возможно исключительно из методов данного класса.

Наследование

Наследование - создание новых классов путем дописывания только отличий от уже существующих классов, опуская описания совпадающих элементов. При наследовании новый класс называется классом-потомком (производным, дочерним, подклассом), а исходный класс называется классом-предком (базовым, родительским, суперклассом).

Наследование сокращает размер программы за счет исключения повторных описаний. Все поля и методы, объявленные в классе-предке, автоматически переносятся в класс-потомок, и их принято называть унаследованными (inherited).

При необходимости любой родительский метод можно переопределить - т.е. назначить выполнение другого алгоритма в случае вызова одноименного метода класса-потомка.

Некоторые ООЯ поддерживают множественное наследование , при котором производный класс наследует все свойства и методы одновременно от нескольких классов. К сожалению, множественное наследование таит в себе немало логических конфликтных ситуаций, а его поддержка усложняет язык программирования, и особенно - компилятор. По этой причине во многих ООЯ множественное наследование просто запрещено, но его можно сымитировать.

Совокупность всех классов-предков и классов-потомков называется иерархией классов .

Наследование классов - центральное понятие ООП, на нем прямо или косвенно базируются все остальные понятия и механизмы. Абсолютному большинству механизмов ООП, чтобы проявить свои преимущества, требуется построение иерархий классов.

Полиморфизм

Полиморфизм (дословно - “многообразие форм”) - возможность использовать одно имя для нескольких методов (или функций), имеющих сходное назначение. Другая интерпретация - один метод (функция) может иметь несколько вариантов реализации; такой метод (функция) называется полиморфным . Подобно другим механизмам ООП, полиморфизм является средством упрощения разработки сложных программ. Фактически полиморфизм отделяет понятие, что надо сделать, от того, как это надо делать.

Если провести аналогию с реальной жизнью, то полиморфизм соответствует обобщенным действиям. Например, глагол “музицировать” означает “играть на музыкальном инструменте”. Но на разных музыкальных инструментах играют по-разному. Термин один, а вариантов действия - много. Значит, “музицировать” - полиморфное действие . В ООП действию “музицировать” соответствовал бы полиморфный метод , имеющий свои реализации для каждого класса музыкальных инструментов.

В ООП есть два вида полиморфных методов - перегруженные и виртуальные .

Перегруженные методы предназначены для выполнения с данными разных типов. Они имеют одинаковые имена, но разные списки аргументов и/или тип возвращаемого значения.

Виртуальные методы предназначены для выполнения одинаковых по смыслу операций в объектах родственных, но не совпадающих классов. Виртуальные методы имеют одинаковые имена и прототипы. Их главная особенность - они всегда точно соответствуют реальному классу объекта.

Типичный пример перегруженных функций - функция SQR в Паскале. Она вычисляет квадрат числа, причем для целых аргументов результат будет также целым, а для вещественных - вещественным.

Достоинства виртуальных методов проявляются только при использовании иерархии классов. Типичная схема использования виртуальных методов такова:

· В классе-предке иерархии объявляется полиморфный метод, который описывает некое полезное действие. При этом либо он использует виртуальный метод, либо сам является виртуальным.

· В классах-потомках соответствующий виртуальный метод переопределяется - для каждого класса-потомка это полезное действие выполняется по-своему.

· При вызове для объекта, принадлежащего классу-потомку, полиморфного метода на деле используется виртуальный метод класса-потомка (а не класса-предка).

Яркий пример подобного использования виртуальных методов - система графического оконного интерфейса Delphi или Visual Basic: каждый видимый элемент графического интерфейса - кнопка, ползунок, окно и т.п. - должен быть потомком класса TControl. В классе TControl вводятся общие полиморфные методы отрисовки элементов графического интерфейса, а любой его потомок может нарисовать себя на экране своим собственным способом.

Объектно-ориентированное программирование явно не упоминается в Стандарте 2004 года, хотя в Обязательном минимуме содержания образования по информатике для учащихся профильных заведений (Уровень Б) такая тема присутствовала: Объектно-ориентированное программирование: объект, свойства объекта, операции над объектом . Там же упоминалась и объектно-ориентированная технология программирования.

Тем не менее ООП не просто вошло в практику преподавания информатики (программирования) многих школ, но и присутствует на страницах школьных учебников (Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10–11-х классов, 2005. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний). Кроме того, в пропедевтическом курсе информатики для начальной школы (рабочие тетради авторского коллектива под руководством А.Горячева. 1–4-е классы) также вводятся понятия объекта и его свойств .

Технология (парадигма) ООП требует не столько освоения современной техники программирования, сколько умения разрабатывать объектную модель решаемой задачи. Для этого требуется хорошо знать базовые принципы ООП и программирования вообще, однако знание какого-либо ООЯ не является обязательным - об этом неоднократно писали основоположники и теоретики ООП. Так, Гради Буч в своей книге “Объектно-ориентированное проектирование и анализ” высказывает следующую максиму: “Писать программы в объектно-ориентированном стиле можно в любом (не объектно-ориентированном) языке программирования”. Для построения алгоритма по технологии ООП требуется сформировать список объектов, с которыми работает алгоритм, продумать свойства каждого объекта и реализовать алгоритм как взаимодействие описанных объектов.

Как уже было сказано в статье, такой подход упрощает решение сложных задач, но в рамках школы (с учетом ограниченного числа часов) трудно придумать содержательные учебные задачи, которые бы не надуманно требовали использования технологии ООП в полной мере.

Фактически же ООП в школе рассматривается лишь как неотъемлемая часть визуального и компонентного программирования в современных профессиональных системах программирования, а в качестве объектов используются готовые объектные библиотеки различного уровня - это и библиотеки для построения графического интерфейса Windows-приложений, и многоцелевые универсальные библиотеки типов данных (например, STL в С++). Для примитивного использования этих библиотек достаточно знать и уметь применять несколько простейших правил синтаксиса языка программирования. Однако такие “знания” никоим образом не приближают учащихся ни к профессиональному овладению языком программирования, ни даже к пониманию ООП. Но, видимо, ничего страшного в этом нет. Школьная информатика и в профильной школе не ставит своей целью подготовку профессиональных программистов. Преподавание ООП - это специальная тема, даже на соответствующих специальностях вузов ее часто не изучают в достаточном объеме.

Не отрицая полностью предложение некоторых преподавателей информатики поставить объектно-ориентированный подход во главу угла изучения программирования, в том числе в школе, отметим, что ООП невозможно без таких базовых понятий, как программа, исполнитель, переменная, условие, цикл и т.д. Концепция ООП также включает в себя классическое процедурное программирование (см. “Подпрограммы ”), как механика Эйнштейна - механику Ньютона: достаточно представить себе процедурную программу как единственный объект с опущенным для простоты именем. Поэтому в первую очередь задача курса программирования в школе - научить базовым вещам. И лишь при возможности работы с современными визуальными средами программирования (Delphi, Visual Basic, Visual C++
и т.п.) познакомить с понятием объектов и их использованием в основном с помощью методики обучения программированию “по образцу”.