Принципы и свойства объектно-ориентированного программирования

Понятие класса

Введение

Лекция 1. Объектно-ориентированное программирование. Введение

В окончательном виде любая программа представляет собой набор инструкций процессора. Все, что написано на любом языке программирования, — более удоб­ная, упрощенная запись этого набора инструкций, облегчающая написание, от­ладку и последующую модификацию программы. Чем выше уровень языка, тем в более простой форме записываются одни и те же действия. Например, для реали­зации цикла на языке ассемблера требуется записать последовательность инст­рукций, позаботившись о размещении переменных в регистрах, а в С++ или Паска­ле для этого достаточно одного оператора.

С ростом объема программы становится невозможным удерживать в памяти все детали, и становится необходимым структурировать информацию, выделять главное и отбрасывать несущественное. Этот процесс называется повышением степени абстракции программы.

Первым шагом к повышению абстракции является использование функций, по­зволяющее после написания и отладки функции отвлечься от деталей ее реализа­ции, поскольку для вызова функции требуется знать только ее интерфейс. Если глобальные переменные не используются, интерфейс полностью определяется заголовком функции.

Следующий шаг — описание собственных типов данных, позволяющих структу­рировать и группировать информацию, представляя ее в более естественном виде. Например, можно представить с помощью одной структуры все разнород­ные сведения, относящиеся к одному виду товара на складе.

Для работы с собственными типами данных требуются специальные функции. Естественно сгруппировать их с описанием этих типов данных в одном месте программы, а также по возможности отделить от ее остальных частей. При этом для использования этих типов и функций не требуется полного знания того, как именно они написаны — необходимы только описания интерфейсов. Объедине­ние в модули описаний типов данных и функций, предназначенных для работы с ними, со скрытием от пользователя модуля несущественных деталей, является дальнейшим развитием структуризации программы.

Все три описанных выше метода повышения абстракции преследуют цель упро­стить структуру программы, то есть представить ее в виде меньшего количества более крупных блоков и минимизировать связи между ними. Это позволяет управ­лять большим объемом информации и, следовательно, успешно отлаживать бо­лее сложные программы.

Введение понятия класса является естественным развитием идей модульности. В классе структуры данных и функции их обработки объединяются. Класс ис­пользуется только через его интерфейс — детали реализации для пользователя класса несущественны. Идея классов отражает строение объектов реального мира — ведь каждый предмет или процесс обладает набором характеристик или отличительных черт, иными словами, свойствами и поведением. Программы час­то предназначены для моделирования предметов, процессов и явлений реального мира, поэтому в языке программирования удобно иметь адекватный инструмент для представления моделей.

Класс является типом данных, определяемым пользователем. В классе задаются свойства и поведение какого-либо предмета или процесса в виде полей данных (аналогично структуре) и функций для работы с ними. Создаваемый тип данных обладает практически теми же свойствами, что и стандартные типы. Напомним, что тип задает внутреннее представление данных в памяти компьютера, множе­ство значений, которое могут принимать величины этого типа, а также операции и функции, применяемые к этим величинам. Все это можно задать и в классе.

Существенным свойством класса является то, что детали его реализации скрыты от пользователей класса за интерфейсом (ведь и в реальном мире можно, напри­мер, управлять автомобилем, не имея представления о принципе внутреннего сгорания и устройстве двигателя, а пользоваться телефоном — не зная, «как идет сигнал, принципов связи и кто клал кабель». Интерфейсом класса являются за­головки его методов. Таким образом, класс как модель объекта реального мира является черным ящиком, замкнутым по отношению к внешнему миру.

Идея классов является основой объектно-ориентированного программирования (ООП). Основные принципы ООП были разработаны еще в языках Simula-67 и Smalltalk, но в то время не получили широкого применения из-за трудностей освоения и низкой эффективности реализации. В С++ эти концепции реализова­ны эффективно, красиво и непротиворечиво, что и явилось основой успешного распространения этого языка и внедрения подобных средств в другие языки про­граммирования.

ООП — это не просто набор новых средств, добавленных в язык (на С++ можно успешно писать и без использования ООП, и наоборот, возможно написать объектную по сути программу на языке, не содержащим специальных средств под­держки объектов). ООП часто называют новой парадигмой программирования.

Красивый термин «парадигма» означает набор теорий, стандартов и методов, ко­торые совместно представляют собой способ организации знаний — иными сло­вами, способ видения мира. В программировании этот термин используется для определения модели вычислений, то есть способа структурирования информа­ции, организации вычислений и данных. Объектно-ориентированная программа строится в терминах объектов и их взаимосвязей.

Выбор степени абстракции определяется типом задачи, которую требуется ре­шить. Не имеет смысла использовать сложные технологии для решения простых задач, а попытка «врукопашную» справиться со сложными проблемами обречена на провал. С другой стороны, сложные технологии требуют больших затрат вре­мени на их освоение.

Конкретные величины типа данных «класс» называются экземплярами класса, или объектами. Объекты взаимодействуют между собой, посылая и получая со­общения. Сообщение — это запрос на выполнение действия, содержащий набор необходимых параметров. Механизм сообщений реализуется с помощью вызова соответствующих функций. Таким образом, с помощью ООП легко реализуется так называемая «событийно-управляемая модель», когда данные активны и управляют вызовом того или иного фрагмента программного кода.

Основными свойствами ООП являются инкапсуляция, наследование и полимор­физм.

Объединение данных с функциями их обработки в сочетании со скрытием нужной для использования этих данных информации называется инкапсуляция. Эта идея не нова и применялась в структурном и модульном программировании, а в ООП получила свое логическое завершение. Инкапсуляция повышает степень абстракции программы: данные класса и реализация его функций находятся ниже уровня абстракции, и для написания программы информация о них не требуется. Кроме того, инкапсуляция позволяет изменить реализацию класса без модификации основной части программы, если интерфейс остался прежним (например, при необходимости сменить способ хранения дан пых с массива на стек). Простота модификации, как уже неоднократно отмечалось, является очень важным критерием качества программы.

Инкапсуляция позволяет использовать класс в другом окружении и быть уве­ренным, что он не испортит не принадлежащие ему области памяти, а также создавать библиотеки классов для применения во многих программах.

Наследование — это возможность создания иерархии классов, когда потомки следуют все свойства своих предков, могут их изменять и добавлять новые. Свойства при наследовании повторно не описываются, что сокращает объем программы. Выделение общих черт различных классов в один класс-предок являет­ся мощным механизмом абстракции — ведь и любая наука начинается с абстрагирования и классификации, которые помогают справиться со сложностью рассматриваемой предметной области.

Иерархия классов представляется в виде древовидной структуры, в которой более общие классы располагаются ближе к корню, а более специализированные на ветвях и листьях. В С++ каждый класс может иметь сколько угодно потомков и предков. Иногда предки называются надклассами или суперклассами, а потомки — подклассами или субклассами.

Третьим китом, на котором стоит ООП, является полиморфизм — возможность использовать в различных классах иерархии одно имя для обозначения сходных по смыслу действий и гибко выбирать требуемое действие во время выполнения программы.

Понятие полиморфизма используется в С++ весьма широко. Простым примером полиморфизма может служить перегрузка функций, когда из нескольких вариантов выбирается наиболее подходящая функция по соответствию се прототипа передаваемым параметрам. Другой пример - использование шаблонов функций, когда один и тот же код видоизменяется в соответствии с типом, переданным в качестве параметра. Благодаря тому, что программа представляется в терминах поведения объектов, при программировании используются понятия, более близкие к предметной об­ласти, программа легче читается и понимается. Это является большим преимуществом ООП. Однако проектирование такой программы представляет собой весьма сложную задачу, поскольку в про­цесс добавляется еще один важный этап — разработка иерархии классов.

Лекция 2. Общие сведения о классах