Расширение языка С. ( 3 час.)

Рабочий конспект лекций

Введение. Объектно-ориентированное программирование как технология программирования.(2 час.)

Парадигма программирования. Модульное программирование. Нисходящее программирование. Структурное программирование. Понятия объекта, класса объектов. Основные понятия объектно-ориентированного программирования: инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Введение. При изучении объектно-ориентированного программирования (ООП) наибольшей проблемой является использование новой терминологии и понимание нового подхода к решению старых задач - новой технологии программирования. Определения новых терминов и характеристики методов программирования составляют содержание данной темы.

Как в любом виде деятельности в программировании имеется своя технология: - это знания, правила, навыки и инструменты, позволяющие получать гарантированный качественный результат. Но само по себе соблюдение ряда правил не дает гарантию качества результата. Это объясняется спецификой программирования. Во-первых, это не наука, где знание какой-либо формулы позволяет однозначно решить задачу, подставив в нее исходные данные и получив результат. Во-вторых, эти правила необходимо соблюдать не столько на бумаге, сколько в голове. То есть технология программирования - это скорее способ организации процесса обдумывания программы, нежели ее записи. Из сказанного следует, что если пишущий программу - мыслит, то он уже придерживается какой-то технологии программирования, даже не подозревая об этом. Простейший метод заключается в написании программы сразу от начала до конца, без использования каких-либо общих принципов, то есть "как бог на душу положит".

Рассмотрим наиболее известные из технологий:

- метод "северо-западного" угла (имеется в виду лист бумаги или экран дисплея). Программа пишется сразу от начала до конца, без использования каких-либо общих принципов;

- технология структурного программирования, в ней предполагается придерживаться принципов модульности, нисходящего и пошагового проектирования программ, одновременного проектирования программ и структур данных.

- технология объектного программирования: связана с использованием при проектировании программы понятий объектов и их классов.

Парадигма программирования. Проблема "Что первично - курица или яйцо?" применительно к программированию звучит как парадигма:"Что первично: алгоритм (процедура, функция) или обрабатываемые им данные". В традиционной технологии программирования взаимоотношения процедуры - данные имеют более-менее свободный характер, причем процедуры (функции) являются ведущими в этой связке: как правило, функция вызывает функцию, передавая данные друг - другу по цепочке. Соответственно, технология структурного проектирования программ прежде всего уделяет внимание разработке алгоритма.

В технологии ООП взаимоотношения данных и алгоритма имеют более регулярный характер: во-первых, класс (базовое понятие этой технологии) объединяет в себе данные (структурированная переменная) и методы (функции). Во-вторых, схема взаимодействия функций и данных принципиально иная. Метод (функция), вызываемый для одного объекта, как правило, не вызывает другую функцию непосредственно. Для начала он должен иметь доступ к другому объекту (создать, получить указатель, использовать внутренний объект в текущем и т.д.), после чего он уже может вызвать для него один из известных методов. Таким образом, структура программы определяется взаимодействием объектов различных классов между собой. Как правило, имеет место иерархия классов, а технология ООП иначе может быть названа как программирование "от класса к классу".

Модульное программирование. Принцип модульности формулируется как требование разработки программы в виде совокупности модулей (функций). При этом разделение на модули должно носить не механический характер, а исходить из логики программы:

- размер модуля должен быть ограничен;

- модуль должен выполнять логически целостное и завершенное действие;

- модуль должен быть универсальным, то есть по возможности параметризованным: все изменяемые характеристики выполняемого действия должны передаваться через параметры;

- входные параметры и результат модуля желательно передавать не через глобальные переменные, а через формальные параметры и результат функции.

Еще одной, но уже физической единицей программы является текстовый файл, содержащий некоторое количество функций и определений типов данных и переменных. Модульное программирование на уровне файлов - это возможность разделить полный текст программы на несколько файлов, транслировать их независимо друг от друга.

Принцип модульности распространяется не только на программы, но и на данные: любой набор параметров, характеризующих логический или физический объект, должен быть представлен в программе в виде единой структуры данных (структурированной переменной).

Олицетворением принципа модульности является библиотека стандартных функций. Она, как правило, обеспечивает полный набор параметризованных действий, используя общие структуры данных. Библиотеки представляют собой аналогичные Си-программы, независимо оттранслированные и помещенные в каталог библиотек.

Нисходящее программирование. Нисходящее проектирование программы заключается в том, что разработка идет от общей неформальной формулировки некоторого действия программы на естественном языке, "от общего к частному": к замене ее одной из трех формальных конструкций языка программирования:

- простой последовательности действий;

- конструкции выбора или оператора if;

- конструкции повторения или цикла.

В записи алгоритма это соответствует движению от внешней (объемлющей) конструкции к внутренней (вложенной). Эти конструкции также могут содержать в своих частях неформальное описание действий, то есть нисходящее проектирование по своей природе является пошаговым. Отметим основные свойства такого подхода:

- первоначально программа формулируется в виде некоторого неформального действия на естественном языке;

- первоначально определяются входные параметры и результат действия;

- очередной шаг детализации не меняет структуру программы, полученную на предыдущих шагах;

- если в процессе проектирования получаются идентичные действия в различных ветвях, то это означает необходимость оформления этого действия отдельной функцией;

- необходимые структуры данных проектируются одновременно с детализацией программы.

В результате проектирования получается программа, в которой принципиально отсутствует оператор перехода goto, поэтому такая технология называется "программирование без goto".

Пошаговое программирование. Нисходящее проектирование по своей природе является пошаговым, ибо предполагает каждый раз замену одной словесной формулировки на единственную конструкцию языка. Но в процессе разработки программы могут быть и другие шаги, связанные с детализацией самой словесной формулировки в более подробную.

То, что этот принцип выделен отдельно, говорит о необходимости предотвратить соблазн детализации программы сразу от начала до конца и развивать умение выделять и сосредоточивать внимание на главных, а не второстепенных деталях алгоритма.

Вообще нисходящее пошаговое проектирование программы не дает гарантии получения "правильной" программы, но позволяет возвратиться при обнаружении тупиковой ситуации к одному из верхних шагов детализации.

Структурное программирование. П ри нисходящей пошаговой детализации программы необходимые для работы структуры данных и переменные появляются по мере перехода от неформальных определений к конструкциям языка, то есть процессы детализации алгоритма и данных идут параллельно. Однако это касается прежде всего отдельных локальных переменных и внутренних параметров. С самой же общей точки зрения предмет (в нашем случае - данные) всегда первичен по отношению к выполняемым с ним действиям (в нашем случае - алгоритм). Поэтому на самом деле способ организации данных в программе более существенно влияет на ее структуру алгоритма, чем что-либо другое, и процесс проектирования структур данных должен опережать процесс проектирования алгоритма их обработки.

Структурное программирование - модульное нисходящее пошаговое проектирование алгоритма и структур данных.

Понятия объекта, класса объектов. Центральными в ООП являются понятия класса и объекта. Образно говоря, ООП заключается не столько в использовании классов и объектов в программе, сколько в замене принципа программирования "от функции к функции" принципом программирования "от класса к классу".

Технология ООП прежде всего накладывает ограничения на способы представления данных в программе. Любая программа отражает в них состояние физических предметов либо абстрактных понятий (назовем их объектами программирования), для работы с которыми она предназначена. В традиционной технологии варианты представления данных могут быть разными. В худшем случае программист может "равномерно размазать" данные о некотором объекте программирования по всей программе. В противоположность этому все данные об объекте программирования и его связях с другими объектами можно объединить в одну структурированную переменную. В первом приближении ее можно назвать объектом. Кроме того, с объектом связывается набор действий, иначе называемых методами. С точки зрения языка программирования это функции, получающие в качестве обязательного параметра указатель на объект. Технология ООП запрещает работать с объектом иначе, чем через методы, то есть внутренняя структура объекта скрыта от внешнего пользователя. Описание множества однотипных объектов называется классом.

Объект - структурированная переменная, содержащая всю информацию о некотором физическом предмете или реализуемом в программе понятии.

Класс - описание множества таких объектов и выполняемых над ними действий.

Это определение можно проиллюстрировать средствами классического Си:

struct myclass

{ int data1;

...

};

void method1(struct myclass *this,...)

{... this->data1... }

void method2(struct myclass *this,...)

{... this->data1... }

struct myclass obj1, obj2;

... method1(&obj1,...);... method2(&obj2,...);

В синтаксисе классического Си зафиксирован перечень базовых типов данных и операций над ними. Переменные производных типов данных, в том числе и структуры, могут обрабатываться только с использованием выражений (функций).В Си++ класс обладает синтаксическими свойствами базового типа данных:

- класс определяется как структурированный тип данных (struct);

- объекты определяются как переменные класса;

- возможно переопределение и использование стандартных операций языка, имеющих в качестве операндов объекты класса, в виде особых методов в этом классе.

struct matrix

{

// определение структурированного типа matrix и методов,

// реализующих операции matrix * matrix, matrix * double

};

matrix a,b; // Определение переменных -

double dd; // объектов класса matrix

a = a * b; // Использование переопределенных

b = b * dd * 5.0; // операций

Класс - определенный программистом базовый тип данных.

Объект - переменная класса.

Основные понятия объектно-ориентированного программирования: инкапсуляция, наследование и полиморфизм. "Эпизодическое" использование технологии ООП заключается в разработке отдельных, не связанных между собой классов и использовании их как необходимых программисту базовых типов данных, отсутствующих в языке. При этом общая структура программы остается традиционной. ("от функции к функции").

Объектно-ориентированное программирование (ООП) это совокупность понятий (класс, объект, инкапсуляция, полиморфизм, наследование), приемов их использования при проектировании программ, а Си++ - инструмент этой технологии.

Строгое следование технологии ООП предполагает, что любая функция в программе представляет собой метод для объекта некоторого класса. Это не означает, что нужно вводить в программу какие попало классы ради того, чтобы написать необходимые для работы функции. Наоборот, класс должен формироваться в программе естественным образом, как только в ней возникает необходимость описания новых физических предметов или абстрактных понятий (объектов программирования). С другой стороны, каждый новый шаг в разработке алгоритма также должен представлять собой разработку нового класса на основе уже существующих. В конце концов вся программа в таком виде представляет собой объект некоторого класса с единственным методом run (выполнить). Именно этот переход (а не понятия класса и объекта, как таковые) создает психологический барьер перед программистом, осваивающим технологию ООП.

Программирование "от класса к классу" включает в себя ряд новых понятий. Прежде всего, это - инкапсуляция данных, то есть логическое связывание данных с конкретной операцией. Инкапсуляция данных означает, что данные являются не глобальными - доступными всей программе, а локальными - доступными только малой ее части. Инкапсуляция автоматически подразумевает защиту данных. Для этого в структуре class используется спецификатор раздела private, содержащий данные и методы, доступные только для самого класса. Если данные и методы содержатся в разделе public, они доступны извне класса. Раздел protected содержит данные и методы, доступные из класса и любого его производного класса. Наличие последних позволяет говорить об иерархии классов, где есть классы - родители - шаблоны для создания классов - потомков. Объекты, полученные из описания класса, называют экземплярами этого класса.

Вторым по значимости понятием является наследование. Новый, или производный класс может быть определен на основе уже имеющегося, или базового. При этом новый класс сохраняет все свойства старого: данные объекта базового класса включаются в данные объекта производного, а методы базового класса могут быть вызваны для объекта производного класса, причем они будут выполняться над данными включенного в него объекта базового класса. Иначе говоря, новый класс наследует как данные старого класса, так и методы их обработки. Если объект наследует свои свойства от одного родителя, то говорят об одиночном наследовании. Если же объект наследует атрибуты от нескольких базовых классов, то говорят о множественном наследовании. Простой пример наследования - определение структуры, отдельный член которой является ранее определенной структурой.

Третьим по значимости понятием является полиморфизм. Он основывается на возможности включения в данные объекта также и информации о методах их обработки (в виде указателей на функции). Принципиально важно, что такой объект становится "самодостаточным". Будучи доступным в некоторой точке программы, даже при отсутствии полной информации о его типе, он всегда может корректно вызвать свойственные ему методы. Полиморфной называется функция, независимо определенная в каждом из группы производных классов и имеющая в них общее имя. Полиморфная функция обладает тем свойством, что при отсутствии полной информации о том, объект какого из производных классов в данный момент обрабатывается, она тем не менее корректно вызывается в том виде, к каком она была определена для данного конкретного класса. Практический смысл полиморфизма заключается в том, что он позволяет посылать общее сообщение о сборе данных любому классу, причем и родительский класс, и классы-потомки ответят на сообщение соответствующим образом, поскольку производные классы содержат дополнительную информацию. Программист может сделать регулярным процесс обработки несовместимых объектов различных типов при наличии у них такого полиморфного метода.

Полиморфный метод в Си++ называется виртуальной функцией, позволяющей получать ответы на сообщения, адресованные объектам, точный вид которых неизвестен. Такая возможность является результатом позднего связывания. При позднем связывании адреса определяются динамически во время выполнения программы, а не статически во время компиляции, как в традиционных компилируемых языках, в которых применяется раннее связывание. Сам процесс связывания заключается в замене виртуальных функций на адреса памяти.

Виртуальные функции определяются в родительском классе, а в производных классах происходит их доопределение и для них создаются новые реализации. При работе с виртуальными функциями сообщения передаются как указатели, которые указывают на объект вместо прямой передачи объекту. Виртуальные функции используют таблицу для адресной информации, которая инициализируется при выполнения при помощи конструктора.

Расширение языка С. (3 час.)