Полиморфизм и виртуальные методы

Полиморфизм – это свойство родственных объектов (т.е. объектов, имеющих одного родителя) решать схожие по смыслу проблемы разными способами.

Два или более класса, которые являются производными одного и того же базового класса, называются полиморфными. Это означает, что они могут иметь общие характеристики, но так же обладать собственными свойствами.

В рамках ООП поведенческие свойства объекта определяются набором входящих в него методов. Изменяя алгоритм того или иного метода в потомках объекта, программист может придавать этим потомкам отсутствующие у родителя специфические свойства. Для изменения метода необходимо перекрыть его в потомке, т.е. объявить в потомке одноименный метод и реализовать в нем нужные действия. В результате чего в объекте-родителе и объекте-потомке будут действовать два одноименных метода, имеющих разную алгоритмическую основу и, следовательно, придающие объектам разные свойства. Это и называется полиморфизмом объектов.

В рассмотренном выше примере во всех трех объектных типах tPredoc, tSon и tGrandSon действуют одноименные методы Declaration и MyName. Но в объектном типе tSon метод MyName выполняется несколько иначе, чем у его предка. А все три одноименных метода Declaration для каждого объекта выполняются по-своему.

Методы объектов бывают статическими, виртуальными и динамическими.

Статические методы включаются в код программы при компиляции. Это означает, что до использования программы определено, какая процедура будет вызвана в данной точке. Компилятор определяет, какого типа объект используется при данном вызове, и подставляет метод этого объекта.

Объекты разных типов могут иметь одноименные статические методы. В этом случае нужный метод определяется по типу экземпляра объекта.

Это удобно, так как одинаковые по смыслу методы разных типов объектов можно и назвать одинаково, а это упрощает понимание и задачи и программы. Статическое перекрытие – первый шаг полиморфизма. Одинаковые имена – вопрос удобства программирования, а не принцип.

Виртуальные методы, в отличие от статических, подключаются к основному коду на этапе выполнения программы. Виртуальные методы дают возможность определить тип и конкретизировать экземпляр объекта в процессе исполнения, а затем вызвать методы этого объекта.

Этот принципиально новый механизм, называемый поздним связыванием, обеспечивает полиморфизм, т.е. разный способ поведения для разных, но однородных (в смысле наследования) объектов.

Описание виртуального метода отличается от описания обычного метода добавлением после заголовка метода служебного слова virtual.

procedure Method (список параметров); virtual;

Использование виртуальных методов в иерархии типов объектов имеет определенные ограничения:

· если метод объявлен как виртуальный, то в типе потомка его нельзя перекрыть статическим методом;

· объекты, имеющие виртуальные методы, инициализируются специальными процедурами, которые, в сущности, также являются виртуальными и носят название constructor;

· списки переменных, типы функций в заголовках перекрывающих друг друга виртуальных процедур и функций должны совпадать полностью;

Обычно на конструктор возлагается работа по инициализации экземпляра объекта: присвоение полям исходных значений, первоначальный вывод на экран и т.п.

Помимо действий, заложенных в него программистом, конструктор выполняет подготовку механизма позднего связывания виртуальных методов. Это означает, что еще до вызова любого виртуального метода должен быть выполнен какой-нибудь конструктор.

Конструктор – это специальный метод, который инициализирует объект, содержащий виртуальные методы. Заголовок конструктора выглядит так:

constructor Method (список параметров);

Зарезервированное слово constructor заменяет слова procedure и virtual.

Основное и особенное назначение конструктора – установление связей с таблицей виртуальных методов (VMT) – структурой, содержащей ссылки на виртуальные методы. Таким образом, конструктор инициализирует объект установкой связи между объектом и VMT с адресами кодов виртуальных методов. При инициализации и происходит позднее связывание.

У каждого объекта своя таблица виртуальных методов VMT. Именно это и позволяет одноименному методу вызывать различные процедуры.

Упомянув о конструкторе, следует сказать и о деструкторе. Его роль противоположна: выполнить действия, завершающие работу с объектом, закрыть все файлы, очистить динамическую память, очистить экран и т.д.

Заголовок деструктора выглядит таким образом:

destructor Done;

Основное назначение деструкторов – уничтожение VMT данного объекта. Часто деструктор не выполняет других действий и представляет собой пустую процедуру.

destructor Done;

begin end;

Литература

1. Стефен Моррис. Объектно-ориентированное программирование. Серия «Enter». – Ростов-на-Дону: «Феникс», 1997.

2. Скляров В.А. Язык С++ и объектно-ориентированное программирование. – Мн.: Выш. шк., 1997.

3. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Начальный курс/ Учебное пособие. – М.: «Нолидж», 1997.

4. Бондарев В.М., Рублинецкий В.И., Качко Е.Г. Основы программирования. – Харьков: Фолио; Ростов н/Д: Феникс, 1998.

5. Марченко А.И., Марченко Л.М. Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. – К.: ВЕК+, М.: ДЕСС, 1999.

6. Грызлов В.И., Грызлова Т.П. Турбо Паскаль 7.0 – М.: ДМК, 1998.

7. Бабушкина И. А. Практикум по объектно-ориентированному программированию./ Бабушкина И. А., Окулов С. М. – М.: БИНОМ, Лаборатория Знаний, 2004. – 366 с.

Задания по
объектно-ориентированному программированию

Минимальный уровень:

Для получения зачета по теме «Объектно-ориентированное программирование» необходимо выполнить следующие задания:

1. Набрать, отладить и проверить работу программы «Аквариум»;

2. Модифицировать программу, добавив метод движения для рыб;

3. «Поселить» в аквариуме созданный вами объект, придумать его свойства и методы, а также взаимодействие с рыбами.

Максимальный уровень:

Для получения зачета на этом уровне вам необходимо самостоятельно решить одну из предложенных задач, используя описание объектов и принципы ООП.

Задачи:

1. Решить задачу «Аквариум» в графическом режиме, используя следующие рекомендации для развития задачи и изменения законов обитания рыб:

- определить объект «аквариумная рыбка», имеющий свойства (координаты, скорость движения, размер, цвет, направление движения) и методы Init (устанавливает значения полей и рисует рыбу на экране методом Draw), Draw (рисует рыбу в виде уголка с острием в точке с координатами (x, y) и направленного острием по ходу движения), Look (проверяет несколько точек на линии движения рыбы. Если хоть одна точка отличается по цвету от воды, возвращаются ее цвет и расстояние до рыбы), Run (перемещает рыбу в текущем направлении на расстояние, зависящее от скорости. Иногда случайным образом меняет направление движения рыбы. Если рыба видит препятствие, направление движения меняется, пока препятствие не исчезнет из поля зрения рыбы).

- объединить «съедобных» рыб и «хищников» в две стаи. Позвольте пользователю пополнять стаи, вводя рыб с клавиатуры.

- позволить «хищникам» поедать «съедобных» рыб как только они их увидят или догонят (на ваше усмотрение).

2. Составить программу для игры в шашки. Шашка каждого цвета выступает в качестве отдельного объекта. Характеристики шашки – цвет и позиция на доске. Методы – перемещение. Не забудьте о таких объектах, как «дамки».

3. Волчий остров (Ван Тассел Д. Стиль, разработка, эффективность, отладка и испытание программ. М.: Мир, 1981.)

Волчий остров размером 20 * 20 заселен дикими кроликами, волками и волчицами. Имеется по несколько представителей каждого вида. Кролики довольно глупы: в каждый момент времени они с одинаковой вероятностью 1/9 передвигаются в один из восьми соседних квадратов (за исключением участков, ограниченных береговой линией) или просто сидят неподвижно. Каждый кролик с вероятностью 0.2 превращается в двух кроликов. Каждая волчица передвигается случайным образом, пока в одном из соседних восьми квадратов не окажется кролик, за которым она охотится. Если волчица и кролик оказываются в одном квадрате, волчица съедает кролика и получает одно "очко". В противном случае она теряет 0.1 "очка". Волки и волчицы с нулевым количеством очков умирают.

В начальный момент времени все волки и волчицы имеют 1 очко. Волк ведет себя подобно волчице до тех пор, пока в соседних квадратах не исчезнут все кролики; тогда если волчица находится в одном из восьми близлежащих квадратов, волк гонится за ней. Если волк и волчица окажутся в одном квадрате и там нет кролика, которого нужно съесть, они производят потомство случайного пола.

Запрограммируйте предполагаемую экологическую модель, понаблюдайте за изменением популяции в течение некоторого периода времени.

4. Задача об инфекции стригущего лишая (Ван Тассел Д. Стиль, разработка, эффективность, отладка и испытание программ. М.: Мир, 1981.)

Промоделируйте процесс распространения инфекции стригущего лишая по участку кожи размером n * n (n — нечетное) клеток. Предполагается, что исходной зараженной клеткой кожи является центральная. В каждый интервал времени пораженная инфекцией клетка может с вероятностью 0,5 заразить любую из соседних здоровых клеток. По прошествии шести единиц времени зараженная клетка становится невосприимчивой к инфекции, возникший иммунитет действует в течение последующих четырех единиц времени, а затем клетка оказывается здоровой. В ходе моделирования описанного процесса выдавать текущее состояние моделируемого участка кожи в каждом интервале времени, отмечая зараженные, невосприимчивые к инфекции и здоровые клетки.

5. Игра "Две лисы и 20 кур"

На поле указанной формы (см. рисунок ниже) находятся две лисы и 20 кур. Куры могут перемещаться на один шаг вверх, влево или вправо, но не назад и не по диагонали. Лисы также могут перемещаться только на один шаг, но также и вверх — как вниз, влево и вправо. Лиса может съесть курицу — как в игре в шашки: если в горизонтальном или вертикальном направлении за курицей на один шаг следует свободное поле, то лиса перепрыгивает через курицу и берет ее. Лисы всегда обязаны есть и, когда у них есть выбор, — они обязаны осуществлять наиболее длинное поедание. Если два приема пищи имеют одинаковую длину, осуществляется один из них — по выбору лисы.

Составить программу, которая играет за лис. Игрок перемещает кур. Партнеры играют по очереди, причем куры начинают. Они выигрывают партию, если девяти из них удается занять 9 полей, образующих верхний квадрат игры.

Начальное положение кур и лис изображено на рисунке.

		Л		Л
К	К	К	К	К	К	К
К	К	К	К	К	К	К
	К	К	К
К	К	К

Лисы выигрывают, если им удается съесть 12 кур, так как тогда оставшихся кур недостаточно, чтобы занять 9 верхних полей.

6. Морской бой

Составить программу, позволяющую играть в морской бой игроку с компьютером. Программа должна позволять расставлять корабли на поле 10 * 10, контролировать правильность их расстановки, делать противникам поочередно ходы и выдавать соответствующие информационные сообщения. Когда в качестве одного из игроков выступает компьютер, программа должна анализировать предыдущие ходы и следующий делать на основе проведенного анализа.