≡× МЕНЮ

• Утилиты
• Инструменты
• Оптимизация
• Интернет
• Загрузки

Принципы ооп. Объектно-ориентированные языки

Наверное, в половине вакансий(если не больше), требуется знание и понимание ООП. Да, эта методология, однозначно, покорила многих программистов! Обычно понимание ООП приходит с опытом, поскольку годных и доступно изложенных материалов на данный счет практически нет. А если даже и есть, то далеко не факт, что на них наткнутся читатели. Надеюсь, у меня получится объяснить принципы этой замечательной методологии, как говорится, на пальцах.

Итак, уже в начале статьи я уже упомянул такой термин "методология". Применительно к программированию этот термин подразумевает наличие какого-либо набора способов организации кода, методов его написания, придерживаясь которых, программист сможет писать вполне годные программы.

ООП (или объектно-ориентированное программирование) представляет собой способ организации кода программы, когда основными строительными блоками программы являются объекты и классы, а логика работы программы построена на их взаимодействии.

Об объектах и классах

Класс - это такая структура данных, которую может формировать сам программист. В терминах ООП, класс состоит из полей (по-простому - переменных) и методов (по-простому - функций). И, как выяснилось, сочетание данных и функций работы над ними в одной структуре дает невообразимую мощь. Объект - это конкретный экземпляр класса. Придерживаясь аналогии класса со структурой данных, объект - это конкретная структура данных, у которой полям присвоены какие-то значения. Поясню на примере:

Допустим, нам нужно написать программу, рассчитывающую периметр и площадь треугольника, который задан двумя сторонами и углом между ними. Для написания такой программы используя ООП, нам необходимо будет создать класс (то есть структуру) Треугольник. Класс Треугольник будет хранить три поля (три переменные): сторона А, сторона Б, угол между ними; и два метода (две функции): посчитать периметр, посчитать площадь. Данным классом мы можем описать любой треугольник и вычислить периметр и площадь. Так вот, конкретный треугольник с конкретными сторонами и углом между ними будет называться экземпляром класса Треугольник. Таким образом класс - это шаблон, а экземпляр - конкретная реализация шаблона. А вот уже экземпляры являются объектами, то есть конкретными элементами, хранящими конкретные значения.

Одним из самых распространенных объектно-ориентированных языков программирования является язык java. Там без использования объектов просто не обойтись. Вот как будет выглядеть код класса, описывающего треугольник на этом языке:

/** * Класс Треугольник. */ class Triangle { /** * Специальный метод, называемый конструктор класса. * Принимает на вход три параметра: * длина стороны А, длина стороны Б, * угол между этими сторонами(в градусах) */ Triangle(double sideA, double sideB, double angleAB) { this.sideA = sideA; this.sideB = sideB; this.angleAB = angleAB; } double sideA; //Поле класса, хранит значение стороны А в описываемом треугольнике double sideB; //Поле класса, хранит значение стороны Б в описываемом треугольнике double angleAB; //Поле класса, хранит угла(в градусах) между двумя сторонами в описываемом треугольнике /** * Метод класса, который рассчитывает площадь треугольника */ double getSquare() { double square = this.sideA * this.sideB * Math.sin(this.angleAB * Math.PI / 180); return square; } /** * Метод класса, который рассчитывает периметр треугольника */ double getPerimeter() { double sideC = Math.sqrt(Math.pow(this.sideA, 2) + Math.pow(this.sideB, 2) - 2 * this.sideA * this.sideB * Math.cos(this.angleAB * Math.PI / 180)); double perimeter = this.sideA + this.sideB + sideC; return perimeter; } }

Если мы внутрь класса добавим следующий код:

/** * Именно в этом месте запускается программа */ public static void main(String args) { //Значения 5, 17, 35 попадают в конструктор класса Triangle Triangle triangle1 = new Triangle(5, 17, 35); System.out.println("Площадь треугольника1: "+triangle1.getSquare()); System.out.println("Периметр треугольника1: "+triangle1.getPerimeter()); //Значения 6, 8, 60 попадают в конструктор класса Triangle Triangle triangle2 = new Triangle(6, 8, 60); System.out.println("Площадь треугольника1: "+triangle2.getSquare()); System.out.println("Периметр треугольника1: "+triangle2.getPerimeter()); }

то программу уже можно будет запускать на выполнение. Это особенность языка java. Если в классе есть такой метод

Public static void main(String args)

то этот класс можно выполнять. Разберем код подробнее. Начнем со строки

Triangle triangle1 = new Triangle(5, 17, 35);

Здесь мы создаем экземпляр triangle1 класса Triangle и тут же задаем ему параметры сторон и угла между ними. При этом, вызывается специальный метод, называемый конструктор и заполняет поля объекта переданными значениями в конструктор. Ну, а строки

System.out.println("Площадь треугольника1: "+triangle1.getSquare()); System.out.println("Периметр треугольника1: "+triangle1.getPerimeter());

выводят рассчитанные площадь треугольника и его периметр в консоль.

Аналогично все происходит и для второго экземпляра класса Triangle .

Понимание сути классов и конструирования конкретных объектов - это уверенный первый шаг к пониманию методологии ООП.

Еще раз, самое важное:

ООП - это способ организации кода программы;

Класс - это пользовательская структура данных, которая воедино объединяет данные и функции для работы с ними(поля класса и методы класса);

Объект - это конкретный экземпляр класса, полям которого заданы конкретные значения.

Три волшебных слова

ООП включает три ключевых подхода: наследование, инкапсуляцию и полиморфизм. Для начала, приведу определения из wikipedia :

Инкапсуляция - свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе. Некоторые языки (например, С++) отождествляют инкапсуляцию с сокрытием, но большинство (Smalltalk, Eiffel, OCaml) различают эти понятия.

Наследование - свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс - потомком, наследником, дочерним или производным классом.

Полиморфизм - свойство системы, позволяющее использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.

Понять, что же все эти определения означают на деле достаточно сложно. В специализированных книгах, раскрывающих данную тему на каждое определение, зачастую, отводится целая глава, но, как минимум, абзац. Хотя, сути того, что нужно понять и отпечатать навсегда в своем мозге программиста совсем немного.
А примером для разбора нам будут служить фигуры на плоскости. Из школьной геометрии мы знаем, что у всех фигур, описанных на плоскости, можно рассчитать периметр и площадь. Например, для точки оба параметра равны нулю. Для отрезка мы можем вычислить лишь периметр. А для квадрата, прямоугольника или треугольника - и то, и другое. Сейчас же мы опишем эту задачу в терминах ООП. Также не лишним будет уловить цепь рассуждений, которые выливаются в иерархию классов, которая, в свою очередь, воплощается в работающий код. Поехали:

Итак, точка - это самая малая геометрическая фигура, которая является основой всех прочих построений (фигур). Поэтому именно точка выбрана в качестве базового родительского класса. Напишем класс точки на java:

/** * Класс точки. Базовый класс */ class Point { /** * Пустой конструктор */ Point() {} /** * Метод класса, который рассчитывает площадь фигуры */ double getSquare() { return 0; } /** * Метод класса, который рассчитывает периметр фигуры */ double getPerimeter() { return 0; } /** * Метод класса, возвращающий описание фигуры */ String getDescription() { return "Точка"; } }

У получившегося класса Point пустой конструктор, поскольку в данном примере мы работаем без конкретных координат, а оперируем только параметрами значениями сторон. Так как у точки нет никаких сторон, то и передавать ей никаких параметров не надо. Также заметим, что класс имеет методы Point::getSquare() и Point::getPerimeter() для расчета площади и периметра, оба возвращают 0. Для точки оно и логично.

Поскольку у нас точка является основой всех прочих фигур, то и классы этих прочих фигур мы наследуем от класса Point . Опишем класс отрезка, наследуемого от класса точки:

/** * Класс Отрезок */ class LineSegment extends Point { LineSegment(double segmentLength) { this.segmentLength = segmentLength; } double segmentLength; // Длина отрезка /** * Переопределенный метод класса, который рассчитывает площадь отрезка */ double getSquare() { return 0; } /** * Переопределенный метод класса, который рассчитывает периметр отрезка */ double getPerimeter() { return this.segmentLength; } String getDescription() { return "Отрезок длиной: " + this.segmentLength; } }

Class LineSegment extends Point

означает, что класс LineSegment наследуется от класса Point . Методы LineSegment::getSquare() и LineSegment::getPerimeter() переопределяют соответствующие методы базового класса. Площадь отрезка всегда равняется нулю, а площадь периметра равняется длине этого отрезка.

Теперь, подобно классу отрезка, опишем класс треугольника(который также наследуется от класса точки):

/** * Класс Треугольник. */ class Triangle extends Point { /** * Конструктор класса. Принимает на вход три параметра: * длина стороны А, длина стороны Б, * угол между этими сторонами(в градусах) */ Triangle(double sideA, double sideB, double angleAB) { this.sideA = sideA; this.sideB = sideB; this.angleAB = angleAB; } double sideA; //Поле класса, хранит значение стороны А в описываемом треугольнике double sideB; //Поле класса, хранит значение стороны Б в описываемом треугольнике double angleAB; //Поле класса, хранит угла(в градусах) между двумя сторонами в описываемом треугольнике /** * Метод класса, который рассчитывает площадь треугольника */ double getSquare() { double square = (this.sideA * this.sideB * Math.sin(this.angleAB * Math.PI / 180))/2; return square; } /** * Метод класса, который рассчитывает периметр треугольника */ double getPerimeter() { double sideC = Math.sqrt(Math.pow(this.sideA, 2) + Math.pow(this.sideB, 2) - 2 * this.sideA * this.sideB * Math.cos(this.angleAB * Math.PI / 180)); double perimeter = this.sideA + this.sideB + sideC; return perimeter; } String getDescription() { return "Треугольник со сторонами: " + this.sideA + ", " + this.sideB + " и углом между ними: " + this.angleAB; } }

Тут нет ничего нового. Также, методы Triangle::getSquare() и Triangle::getPerimeter() переопределяют соответствующие методы базового класса.
Ну а теперь, собственно, тот самый код, который показывает волшебство полиморифзма и раскрывает мощь ООП:

Class Main { /** * Именно в этом месте запускается программа */ public static void main(String args) { //ArrayList - Это специальная структура данных в java, // позволяющая хранить объекты определенного типа в массиве. ArrayList figures = new ArrayList(); //добавляем три разных объекта в массив figures figures.add(new Point()); figures.add(new LineSegment(133)); figures.add(new Triangle(10, 17, 55)); for (int i = 0; i

Мы создали массив объектов класса Point , а поскольку классы LineSegment и Triangle наследуются от класса Point , то и их мы можем помещать в этот массив. Получается, каждую фигуру, которая есть в массиве figures мы можем рассматривать как объект класса Point . В этом и заключается полиморфизм: неизвестно, к какому именно классу принадлежат находящиеся в массиве figures объекты, но поскольку все объекты внутри этого массива принадлежат одному базовому классу Point , то все методы, которые применимы к классу Point также и применимы к его классам-наследникам.

Теперь о инкапсуляции. То, что мы поместили в одном классе параметры фигуры и методы расчета площади и периметра - это и есть инкапсуляция, мы инкапсулировали фигуры в отдельные классы. То, что у нас для расчета периметра используется специальный метод в классе - это и есть инкапсуляцию, мы инкапсулировали расчет периметра в метод getPerimiter() . Иначе говоря, инкапсуляция - это сокрытие реализции (пожалуй, самое короткое, и в то же время емкое определением инкапсуляции).

Полный код примера:

Import java.util.ArrayList; class Main { /** * Именно в этом месте запускается программа */ public static void main(String args) { //ArrayList - Это специальная структура данных в java, // позволяющая хранить объекты определенного типа в массиве. ArrayList figures = new ArrayList(); //добавляем три разных объекта в массив figures figures.add(new Point()); figures.add(new LineSegment(133)); figures.add(new Triangle(10, 17, 55)); for (int i = 0; i

Вот так мило выглядит сам Гради Буч, похож на волшебника

Я обожаю эту книгу, потому что она написана простым языком со знанием дела и такой любовью к программированию, что вы ее с упоением прочтете в метро. Вы будете с нетерпением ждать того момента, когда вы сможете усесться с книжечкой в поезде и взахлеб читать и пропускать свои станции.

А теперь для ленивых и для себя любимой я составила краткий конспект-шпаргалку по этой книги.

ШПАРГАЛКА ПО ООП

Объектно-ориентированное программирование или ООП  -  это способ создания программных компонентов, базирующихся на объектах.

Основные принципы ООП

• абстрагирование
• инкапсуляция
• модульность
• иерархия

Дополнительные принципы:

• типизация
• параллелизм
• устойчивость

Абстрагирование  - это процесс выделения наиболее существенных характеристик некоторого объекта , отличающих его от всех других видов объектов, важных с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа, и игнорирование менее важных или незначительных деталей.

Объекты и классы - основные абстракции предметной области.

Абстракция фокусируется на существенных с точки зрения наблюдателя характеристиках объекта.

Инкапсуляция -  это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Инкапсуляция скрывает детали реализации объекта.

Модульность -  это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне сильно сцепленных, но слабо связанных между собой подсистем (частей).

Модульность снижает сложность системы, позволяя выполнять независимую разработку ее отдельных частей.

Модульность позволяет хранить абстракции раздельно.

Иерархия -  это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Абстракции образуют иерархию.

Типизация -  способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или, по крайней мере, управлять таким использованием.

Тип -  точная характеристика некоторой совокупности однородных объектов, включающая структуру и поведение.

При строгой типизации (например, в языке Оберон) запрещается использование объектов неверного типа, требуется явное преобразование к нужному типу. При менее строгой типизации такого рода запреты ослаблены. В частности, допускается полиморфизм - многозначность имен. Одно из проявлений полиморфизма, использование объект подтипа (наследника) в роли объекта супертипа (предка).

Строгая типизация предотвращает смешивание абстракций.

Параллелизм -  это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Параллелизм  - наличие в системе нескольких потоков управления одновременно. Объект может быть активен, т. е. может порождать отдельный поток управления. Различные объекты могут быть активны одновременно.

Параллелизм позволяет различным объектам действовать одновременно.

Сохраняемость (устойчивость) -  способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Устойчивость  - способность объекта сохранять свое существование во времени и/или пространстве (адресном, в частности при перемещении между узлами вычислительной системы). В частности, устойчивость объектов может быть обеспечена за счет их хранения в базе данных.

Сохраняемость поддерживает состояние и класс объекта в пространстве и во времени.

Основные понятия объектно-ориентированного подхода или элементы объектной модели

Ивар Якобсон

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

Объект  - осязаемая сущность (tangible entity) - предмет или явление (процесс), имеющие четко выраженные границы, индивидуальность и поведение.

Любой объект обладает состоянием, поведением и индивидуальностью.

Состояние объекта определяется значениями его свойств (атрибутов) и связями с другими объектами, оно может меняться со временем.

Поведение определяет действия объекта и его реакцию на запросы от других объектов. Поведение представляется с помощью набора сообщений, воспринимаемых объектом (операций, которые может выполнять объект).

Индивидуальность  -  это свойства объекта, отличающие его от всех других объектов.

Структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс.

Объект в JavaScript создаётся с помощью функции Object.create. Эта функция из родителя и опционального набора свойств создаёт новую сущность. Пока что мы не будем беспокоиться о параметрах.

Прототип -  это объект-образец, по образу и подобию которого создаются другие объекты. Объекты-копии могут сохранять связь с родительским объектом, автоматически наследуя изменения в прототипе; эта особенность определяется в рамках конкретного языка.

Класс -  это множество объектов, связанных общностью свойств, поведения, связей и семантики. Любой объект является экземпляром класса. Определение классов и объектов - одна из самых сложных задач объектно-ориентированного проектирования.

Класс (class)  - это группа данных и методов(функций) для работы с этими данными. Это шаблон. Объекты с одинаковыми свойствами, то есть с одинаковыми наборами переменных состояния и методов, образуют класс.

Конструктор класса -  специальный блок инструкций, вызываемый при создании объекта.

var s = new String();

Деструктор -  специальный метод класса, служащий для деинициализации объекта (например освобождения памяти).

Атрибут -  поименованное свойство класса, определяющее диапазон допустимых значений, которые могут принимать экземпляры данного свойства. Атрибуты могут быть скрыты от других классов, это определяет видимость атрибута: рublic (общий, открытый); private (закрытый, секретный); protected (защищенный).

Требуемое поведение системы реализуется через взаимодействие объектов. Взаимодействие объектов обеспечивается механизмом пересылки сообщений. Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называется операцией или посылкой сообщения. Сообщение может быть послано только вдоль соединения между объектами. В терминах программирования соединение между объектами существует, если один объект имеет ссылку на другой.

Дескриптор -  это атрибут объекта со связанным поведением (англ. binding behavior), т.е. такой, чьё поведение при доступе переопределяется методами протокола дескриптора.

Операция -  это услуга, которую можно запросить у любого объекта данного класса. Операции реализуют поведение экземпляров класса. Описание операции включает четыре части: имя; список параметров; тип возвращаемого значения; видимость.
Реализация операции называется методом .

Метод  - это функция или процедура, принадлежащая какому-то классу или объекту.

Различают простые методы и статические методы (методы класса):

• простые методы имеют доступ к данным объекта (конкретного экземпляра данного класса),
• статические методы не имеют доступа к данным объекта и для их использования не нужно создавать экземпляры (данного класса).

Методы предоставляют интерфейс, при помощи которого осуществляется доступ к данным объекта некоторого класса, тем самым, обеспечивая инкапсуляцию данных.

В зависимости от того, какой уровень доступа предоставляет тот или иной метод, выделяют:

• открытый (public) интерфейс - общий интерфейс для всех пользователей данного класса;
• защищённый (protected) интерфейс - внутренний интерфейс для всех наследников данного класса;
• закрытый (private) интерфейс - интерфейс, доступный только изнутри данного класса.

Такое разделение интерфейсов позволяет сохранять неизменным открытый интерфейс, но изменять внутреннюю реализацию.

Полиморфизм -  способность скрывать множество различных реализаций под единственным общим именем или интерфейсом.

Понятие полиморфизма может быть интерпретировано, как способность объекта принадлежать более чем одному типу.

Интерфейс -  это совокупность операций, определяющих набор услуг класса или компонента. Интерфейс не определяет внутреннюю структуру, все его операции открыты.

Компонент -  это относительно независимая и замещаемая часть системы, выполняющая четко определенную функцию в контексте заданной архитектуры.

Компонент представляет собой физическую реализацию проектной абстракции и может быть: компонентом исходного кода (cpp-шник); компонентом времени выполнения (dll, ActiveX и т. п.); исполняемый компонентом (exe-шник). Компонент обеспечивает физическую реализацию набора интерфейсов. Компонентная разработка (component-based development) представляет собой создание программных систем, состоящих из компонентов (не путать с объектно-ориентированным программированием (ООП).

Компонентная разработка - технология, позволяющая объединять объектные компоненты в систему.

Пакет -  это общий механизм для организации элементов в группы. Это элемент модели, который может включать другие элементы. Каждый элемент модели может входить только в один пакет.

Пакет является:

Средством организации модели в процессе разработки, повышения ее управляемости и читаемости;

Единицей управления конфигурацией.

Подсистема -  это комбинация пакета (может включать другие элементы модели) и класса (обладает поведением). Подсистема реализует один или более интерфейсов, определяющих ее поведение. Она используется для представления компонента в процессе проектирования.

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 .

Взаимодействие программных объектов в такой системе осуществляется путем передачи сообщений .

П р и м е ч а н и е. 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

Страница 2 из 51

Основные принципы ООП

использован в новых версиях универсальных языков программирования, таких как Pascal, С++,

Основное достоинство ООП - сокращение количества межмодульных вызовов и уменьшение объемов информации, передаваемой между модулями,

по сравнению 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 снижение быстродействия за счет более сложной организации программной системы.

В основу ООП положены следующие п р и н ц и п ы : абстрагирование,

ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм,

устойчивость.

Рассмотрим, что представляет собой каждый принцип.

А б с т р а г и р о в а н и е - процесс выделения 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

Страница 3 из 51

Основные принципы ООП

предмета и т.д. Современный уровень абстракции предполагает объединение всех свойств абстракции (как касающихся состояния анализируемого объекта,

так и определяющих его поведение) в единую программную единицу некий

абстрактный тип (класс).

О г р а н и ч е н и е д о с т у п а - сокрытие отдельных элементов реализации абстракции, не затрагивающих существенных характеристик ее как целого.

Необходимость ограничения доступа предполагает разграничение двух частей в описании абстракции:

интерфейс - совокупность доступных извне элементов реализации абстракции (основные характеристики состояния и поведения);

реализация - совокупность недоступных извне элементов реализации абстракции (внутренняя организация абстракции и механизмы реализации ее поведения).

Ограничение доступа в ООП позволяет разработчику:

∙ выполнять конструирование системы поэтапно, не отвлекаясь на особенности реализации используемых абстракций;

∙ легко модифицировать реализацию отдельных объектов, что в правильно организованной системе не потребует изменения других объектов.

Сочетание объединения всех свойств предмета (составляющих его состояния и поведения) в единую абстракцию и ограничения доступа к реализации этих свойств получило название инкапсуляции.

М о д у л ь н о с т ь - принцип разработки программной системы,

предполагающий реализацию ее в виде отдельных частей (модулей). При выполнении декомпозиции системы на модули желательно объединять логически связанные части, по возможности обеспечивая сокращение количества внешних связей между модулями. Принцип унаследован от

Страница 4 из 51

Основные принципы ООП

модульного программирования, следование ему упрощает проектирование и

отладку программы.

И е р а р х и я - ранжированная или упорядоченная система абстракций.

Принцип иерархичности предполагает использование иерархий при разработке программных систем.

В ООП используются два вида иерархии.

Иерархия «целое/часть» - показывает, что некоторые абстракции включены

в рассматриваемую абстракцию как ее части, например, лампа состоит из цоколя, нити накаливания и колбы. Этот вариант иерархии используется в процессе разбиения системы на разных этапах проектирования (на логическом уровне - при декомпозиции предметной области на объекты, на физическом уровне - при декомпозиции системы на модули и при выделении отдельных процессов в мультипроцессной системе).

Иерархия «общее/частное» - показывает, что некоторая абстракция является частным случаем другой абстракции, например, « обеденный стол -

конкретный вид стола», а « столы - конкретный вид мебели». Используется при

разработке структуры классов, когда сложные классы строятся на базе более простых путем добавления к ним новых характеристик и, возможно, уточнения имеющихся.

Один из важнейших механизмов ООП - наследование свойств в иерархии общее/частное. Наследование - такое соотношение между абстракциями, когда одна из них использует структурную или функциональную часть другой или нескольких других абстракций (соответственно простое и множественное

наследование).

Т и п и з а ц и я - ограничение, накладываемое на свойства объектов и

препятствующее взаимозаменяемости абстракций различных типов (или сильно сужающее возможность такой замены). В языках с жесткой типизацией для каждого программного объекта (переменной, подпрограммы, параметра и т. д.)

объявляется тип, который определяет множество операций над

Страница 5 из 51

Основные принципы ООП

соответствующим программным объектом. Рассматриваемые далее языки программирования на основе Паскаля используют строгую, а на основе С -

среднюю степень типизации.

Использование принципа типизации обеспечивает:

∙ раннее обнаружение ошибок, связанных с недопустимыми операциями над программными объектами (ошибки обнаруживаются на этапе компиляции программы при проверке допустимости выполнения данной операции над программным объектом);

∙ упрощение документирования;

∙ возможность генерации более эффективного кода.

Тип может связываться с программным объектом статически (тип объекта определен на этапе компиляции - раннее связывание) и динамически (тип объекта определяется только во время выполнения программы - позднее связывание). Реализация позднего связывания в языке программирования позволяет создавать переменные - указатели на объекты, принадлежащие различным классам (полиморфные объекты), что существенно расширяет возможности языка.

П а р а л л е л и з м - свойство нескольких абстракций одновременно находиться в активном состоянии, т.е. выполнять некоторые операции.

Существует целый ряд задач, решение которых требует одновременного выполнения некоторых последовательностей действий. К таким задачам,

например, относятся задачи автоматического управления несколькими процессами.

Реальный параллелизм достигается только при реализации задач такого типа на многопроцессорных системах, когда имеется возможность выполнения каждого процесса отдельным процессором. Системы с одним процессором имитируют параллелизм за счет разделения времени процессора между задачами управления различными процессами. В зависимости от типа используемой операционной системы (одноили мультипрограммной)

Страница 6 из 51

Основные принципы ООП

разделение времени может выполняться либо разрабатываемой системой (как в

MS DOS), либо используемой ОС (как в системах Windows).

У с т о й ч и в о с т ь - свойство абстракции существовать во времени независимо от процесса, породившего данный программный объект, и/или в пространстве, перемещаясь из адресного пространства, в котором он был создан.

Различают:

∙ временные объекты, хранящие промежуточные результаты некоторых действий, например вычислений;

∙ локальные объекты, существующие внутри подпрограмм, время жизни которых исчисляется от вызова подпрограммы до ее завершения;

∙ глобальные объекты, существующие пока программа загружена в память;

∙ сохраняемые объекты, данные которых хранятся в файлах внешней памяти между сеансами работы программы.

Все указанные выше принципы в той или иной степени реализованы в различных версиях объектно-ориентированных языков.

Объектно-ориентированные языки программирования. Язык считается объектно-ориентированным, если в нем реализованы первые четыре из рассмотренных семи принципов.

Особое место занимают объектные модели Delphi и C++Builder. Эти модели обобщают опыт ООП для MS DOS и включают некоторые новые средства,

обеспечивающие эффективное создание более сложных систем. На базе этих моделей созданы визуальные среды для разработки приложений Windows.

Сложность программирования под Windows удалось существенно

снизить за счет создания специальных библиотек объектов, « спрятавших» многие элементы техники программирования.

Страница 7 из 51

Основные принципы ООП

Этапы разработки программных систем с использованием ООП.

Процесс разработки программного обеспечения с использованием ООП включает четыре этапа: анализ, проектирование, эволюция, модификация.

Рассмотрим эти этапы.

А н а л и з . Цель анализа - максимально полное описание задачи. На этом этапе выполняется анализ предметной области задачи, объектная декомпозиция разрабатываемой системы и определяются важнейшие особенности поведения объектов (описание абстракций). По результатам анализа разрабатывается структурная схема программного продукта, на которой показываются основные объекты и сообщения, передаваемые между ними, а также выполняется описание абстракций.

Проект ирование . Различают :

логическое проектирование, при котором принимаемые решения практически не зависят от условий эксплуатации (операционной системы и используемого оборудования);

физическое проектирование, при котором приходится принимать во внимание указанные факторы.

Логическое проектирование заключается в разработке структуры классов:

определяются поля для хранения составляющих состояния объектов и алгоритмы методов, реализующих аспекты поведения объектов. При этом используются рассмотренные выше приемы разработки классов (наследование,

композиция, наполнение, полиморфизм и т.д.). Результатом является иерархия или диаграмма классов, отражающие взаимосвязь классов, и описание классов.

Физическое проектирование включает объединение описаний классов в модули, выбор схемы их подключения (статическая или динамическая компоновка), определение способов взаимодействия с оборудованием, с

операционной системой и/или другим программным обеспечением (например,

базами данных, сетевыми программами), обеспечение синхронизации процессов для систем параллельной обработки и т.д.

Страница 8 из 51

Основные принципы ООП

Э в о л ю ц и я с и с т е м ы. Это процесс поэтапной реализации и

подключения классов к проекту. Процесс начинается с создания основной программы или проекта будущего программного продукта. Затем реализуются и подключаются классы, так чтобы создать грубый, но, по возможности,

работающий прототип будущей системы. Он тестируется и отлаживается.

Например, таким прототипом может служить система, включающая реализацию основного интерфейса программного продукта (передача сообщений в отсутствующую пока часть системы не выполняется). В результате мы получаем работоспособный прототип продукта, который может быть, например, показан заказчику для уточнения требований. Затем к системе подключается следующая группа классов, например, связанная с реализацией некоторого пункта меню.

Полученный вариант также тестируется и отлаживается, и так далее, до реализации всех возможностей системы.

Использование поэтапной реализации существенно упрощает тестирование и отладку программного продукта.

Модификация. Это процесс добавления новых функциональных возможностей или изменение существующих свойств системы. Как правило,

изменения затрагивают реализацию класса, оставляя без изменения его интерфейс, что при использовании ООП обычно обходится без особых неприятностей, так как процесс изменений затрагивает локальную область.

Изменение интерфейса - также не очень сложная задача, но ее решение может повлечь за собой необходимость согласования процессов взаимодействия объектов, что потребует изменений в других классах программы. Однако сокращение количества параметров в интерфейсной части по сравнению с модульным программированием существенно облегчает и этот процесс.

Простота модификации позволяет сравнительно легко адаптировать программные системы к изменяющимся условиям эксплуатации, что увеличивает время жизни систем, на разработку которых затрачиваются огромные временные и материальные ресурсы.

Страница 9 из 51

Основные принципы ООП

Особенностью ООП является то, что объект или группа объектов могут разрабатываться отдельно, и, следовательно, их проектирование может находиться на различных этапах. Например, интерфейсные классы уже реализованы, а структура классов предметной области еще только уточняется.

Обычно проектирование начинается, когда какой-либо фрагмент предметной области достаточно полно описан в процессе анализа.

Рассмотрение основных приемов объектного подхода начнем с объектной декомпозиции.

Объектная декомпозиция

Как уже упоминалось выше, при использовании технологии ООП решение представляется в виде результата взаимодействия отдельных функциональных элементов некоторой системы, имитирующей процессы,

происходящие в предметной области поставленной задачи.

В такой системе каждый функциональный элемент, получив некоторое входное воздействие (называемое сообщением) в процессе решения задачи,

выполняет заранее определенные действия (например, может изменить собственное состояние, выполнить некоторые вычисления, нарисовать окно или график и в свою очередь воздействовать на другие элементы). Процессом решения задачи управляет последовательность сообщений. Передавая эти сообщения от элемента к элементу, система выполняет необходимые действия.

Функциональные элементы системы, параметры и поведение которой определяются условием задачи, обладающие самостоятельным поведением

(т.е. « умеющие» выполнять некоторые действия, зависящие от полученных сообщений и состояния элемента), получили название объектов.

Процесс представления предметной области задачи в виде совокупности объектов, обменивающихся сообщениями, называется объектной декомпозицией.

Страница 10 из 51

Основные принципы ООП

Для того чтобы понять, о каких объектах и сообщениях идет речь при выполнении объектной декомпозиции в каждом конкретном случае, следует вспомнить, что первоначально объектный подход был предложен для разработки имитационных моделей поведения сложных систем. Набор объектов таких систем обычно определяется при анализе моделируемых процессов.

Пример. Объектная декомпозиция (имитационная модель

бензоколонки). Пусть нас интересует зависимость длины очереди к бензоколонке от количества заправочных мест, параметров обслуживания каждого заправочного места и интенсивности поступления заявок на заправку топливом (рассматриваем топливо одного типа).

Задачи такого вида обычно решаются с использованием имитационных моделей. Модель программно имитирует реальный процесс с заданными параметрами, параллельно фиксируя его характеристики. Многократно повторяя процесс имитации с различными значениями параметров обслуживания или поступления заявок, исследователь получает конкретные значения характеристик, по которым строятся графики анализируемых зависимостей.

Процесс работы бензоколонки с тремя заправочными местами можно представить в виде диаграммы.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) является в настоящее время наиболее популярной технологией про­граммирования. Объектно-ориентированное программирова­ние является развитием технологии структурного програм­мирования, однако имеет свои характерные черты.

Наиболее распространенными системами объектно-ориен­тированного визуального программирования являются Mic­rosoft Visual Basic и Borland Delphi.

Объектно-ориентированное программирование по своей сути – это создание приложений из объектов, подобно тому, как из блоков и различных деталей строятся дома. Одни объекты приходится полностью создавать самостоятельно, тогда как другие можно позаимствовать в готовом виде из разнообразных библиотек.

Важное место в технологии объектно-ориентированного программирования занимает событие. В качестве событий могут рассматриваться щелчок кнопкой мыши на объекте, нажатие определенной клавиши, открытие документа и т.д. В качестве реакции на события вызывается определенная процедура, которая может изменять свойства объекта, вы­зывать его методы и т.д.

В системах объектно-ориентированного программирова­ния обычно используется графический интерфейс, который позволяет визуализировать процесс программирования. По­является возможность создавать объекты, задавать им свой­ства и поведение с помощью мыши.

Объект, с одной стороны, обладает определенными свойствами, которые характеризуют его состояние в данный момент времени, а, с другой стороны, над возможны операции, которые приводят к изменению свойств.

Основной единицей в объектно-ориентированном про­граммировании является объект, который заключает в себе, – инкапсулирует как описывающие его данные (свойства), так средства обработки этих данных (методы).

Инкапсуляцией называется объединение в объекте его свойств и возможных над ним операций (методов).

Другой принцип, положенный в основу ООП, состоит в возможности создания нового класса объектов с наследованием свойств и методов некоторого уже существующего класса.

Наследованием называется возможность порождать один класс от другого с сохранением всех свойств и методов класса-предка (прародителя, иногда его называют суперклассом) и добавляя, при необходимости, новые свойства и методы.

Набор классов, связанных отношением наследования, называют иерархией. Наследование призвано отобразить такое свойство реального мира, как иерархичность.

Еще один принцип ООП – принцип полиморфизма.

Полиморфизмом называют явление, при котором функции (методу) с одним и тем же именем соответствует разный программный код (полиморфный код) в зависимости от того, объект какого класса используется при вызове данного метода.

Полиморфизм обеспечивается тем, что в классе-потомке изменяют реализацию метода класса-предка с обязательным сохранением сигнатуры метода. Это обеспечивает сохранение неизменным интерфейса класса-предка и позволяет осуществить связывание имени метода в коде с разными классами - из объекта какого класса осуществляется вызов, из того класса и берётся метод с данным именем. Такой механизм называется динамическим (или поздним) связыванием - в отличие от статического (раннего) связывания, осуществляемого на этапе компиляции

Объектно-ориентированный подход позволяет объединить статическую модель, описывающую свойства объекта и динамическую модель, описывающую их изменения.

При этом подходе доступ к из­менению свойств объекта возмо­жен только через принадлежа­щие этому объекту методы. Методы «окружают» свойства объекта; говорят, что свойства «инкапсулированы» в объект.

Таким образом, в объект­но-ориентированном программи­ровании центральное место занимают объекты, которые объ­единяют в одно целое (инкапсулируют) свойства объекта и возможные над ним операции (методы).

Объекты, инкапсулирующие одинаковый перечень свойств и операций, объединяются в классы. Каждый отдельный объект является экземпляром класса. Экземпляры класса могут иметь отличающиеся значения свойств.

Например, файловая система компьютера может содер­жать сотни и тысячи файлов. Все файлы обладают одним я тем же набором свойств (имя, положение в файловой системе и др.) и операций (переименование, перемещение или ко­пирование и др.) и образуют класс объектов Файлы.

Каждый отдельный файл является экземпляром этого класса и имеет конкретные значения свойств (имя, местопо­ложение и др.).

Часто встречается ситуация, когда над объектами различных классов можно совершать одинако­вые операции. Для большинства классов объектов в среде Windows (папки, документы, символы и др.) также характерен набор одних и тех же операций (переименование, перемещение, копирование, удаление и т.д.). Такое единообразие очень удобно для пользователя.

Однако очевидно, что механизмы реализации этих опера­ций неодинаковы для различных классов. Например, для копирования папки необходимо совершить последователь­ность действий по изменению файловой системы, а для ко­пирования символа внести изменения в документ. Эти опе­рации будут выполняться различными программами, которые имеются, соответственно, в операционной системе Windows и в текстовом редакторе Word.

Таким образом реализуется полиморфизм, т.е. возмож­ность проведения одних и тех же операций над объектами, принадлежащими разным классам, при сохранении индиви­дуальных методов их реализации для каждого класса.

Объекты, обладающие одинаковыми наборами свойств и методов, образуют класс объектов. Так, в приложении Word существует класс объектов документ (Documents), который обладает такими свойствами как имя (Name), местоположе­ ние (FileNaine) и др. Объекты этого класса обладают также определенным набором методов, например: открытие доку­ мента (Open), печать документа (Printout), сохранение документа (Save) и т.д.

Объекты в приложениях образуют некоторую иерархию. На вершине иерархии объектов находится приложение (Ap­plication). Так, иерархия объектов приложения Word включает в себя следующие объекты: приложение (Applica­tion), документ (Documents), фрагмент документа (Se­lection), символ (Character) и др.

Иерархия объектов приложения Excel включает в себя следующие объекты: приложение (Application), книга (Workbook), лист (Worksheet), диапазон ячеек (Range), ячей­ ка (Cell) и др.

Полная ссылка на объект состоит из ряда имен вложен­ных последовательно друг в друга объектов. Разделителями имен объектов в этом ряду являются точки, ряд начинается с объекта наиболее высокого уровня Application и заканчи­вается именем интересующего нас объекта. Например, ссыл­ка на документ Пpo6a.doc в приложении Word будет выгля­деть следующим образом:

Application . Documents ("Пpo6a.doc")

Для того, чтобы объект выполнил какую-либо операцию необходимо задать метод. Многие методы имеют аргументы, которые позволяют задать параметры выполняемых дейст­вий. Для присваивания аргументам конкретных значений используется двоеточие и знак равенства, а между собой ар­гументы отделяются запятой.

В языке Visual Basic объекты характеризуются не только свойствами и методами, но и событиями . Событие представляет собой действие, распознаваемое объектом. Событие может создаваться пользователем (например, нажатие кнопки мыши или клавиши на клавиатуре) или быть результатом работы других объектов приложения.

Для каждого события можно запрограммировать отклик, то есть реакцию объекта на произошедшее событие. Такая программа называется событийной процедурой . Имя событийной процедуры принято составлять из имени объекта и имени события. Например, для объекта «кнопка» с именем Command 1 и события Click («нажатие», которое наступает, когда мы наводим с помощью мыши стрелку курсора на изображение кнопки и нажимаем левую кнопку мыши) событийная процедура получит имяCommand 1_ Click .

В событийной процедуре может участвовать несколько объектов. Например, в упомянутой выше процедуре Command 1_ Click может присутствовать команда

Text 1. Text = “Привет!”,

в результате выполнения которой в объекте «текстовое поле» с именем Text 1 появится строка со словом «Привет!».

Визуальное программирование, методы которого используются средой разработки Visual Basic позволяет создавать графический интерфейс разрабатываемых приложений на основе использования управляющих элементов, к котором относятся кнопки (CommandButton), флажки (CheckBox) , текстовые поля (TextBox), поля со списком (ListBox) и другие. Эти объекты, их свойства и методы будут рассмотрены в следующем разделе. Пока лишь отметим, что управляющие элементы чаще всего используются для получения от пользователя данных и вывода результатов работы приложения. Таким образом, управляющие элементы являются основой для построения пользовательского интерфейса приложения.

Основными объектами, используемыми при визуальном программировании, являются формы (Form). Форма представляет собой окно, на котором размещаются управляющие элементы. Форма также представляет собой объект, характеризуемый набором свойств и методов. Как и для любого другого объекта для формы можно написать событийную процедуру, например Form _ Load , которая запускается при наступлении события Load («загрузка») и в результате работы которой будут выполнены инструкции, необходимые для работы запускаемого приложения.

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.

	Свойства

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.