Введение в объектно-ориентированное программирование. Что такое ООП на примерах

Концепция объектно-ориентированного программирования (ООП) появилась более сорока лет назад, как развитие идей процедурного программирования. Идеология процедурного программирования, ничего особенного собой не представляет: все программы представлены набором процедур и функций, в то время как сами процедуры и функции – это последовательности операторов, выполняя которые компьютер модифицирует значения переменных в памяти. Основная программа в процедурном программировании также является процедурой (функцией), в теле которой могут быть вызовы других процедур и функций – подпрограмм. Суть процедурного программирования проста: данные отдельно, поведение отдельно. То из чего состоит процедурный язык программирования (какие конструкции в него входят), я постарался собрать в отдельном разделе. Разделение кода на подпрограммы, во-первых, позволяет выделить повторно используемые фрагменты кода, а во-вторых, делает код программы структурированным.

Идеология объектно-ориентированного программирования, как следует из самого названия, строится вокруг понятия объект. Объект объединяет в себе и данные и поведение. Объект – это любая сущность, с которой имеет дело программа, а именно: объекты предметной области, моделируемые программой; ресурсы операционной системы; сетевые протоколы и многое другое. По сути, объект – это та же структура (составной тип), но дополненная процедурами и функциями, управляющими элементами этой структуры. К примеру, для работы с файлом в процедурном языке программирования отдельно была бы создана переменная для хранения имени файла и отдельно – для хранения его дескриптора (уникальный идентификатор ресурса в операционной системе), а также ряд процедур работы с файлом: открыть файл, прочитать данные из файла и закрыть файл. Все бы эти процедуры, помимо обычных параметров и переменных для хранения результата, обязаны были бы принимать тот самый дескриптор, чтобы понять, о каком именно файле идет речь. В объектно-ориентированном языке для этих же целей был бы описан объект-файл, который также бы хранил внутри себя имя и дескриптор и предоставлял бы пользователю процедуры для открытия, чтения и закрытия себя самого (файла, ассоциированного с конкретным объектом). Разница была бы в том, что дескриптор был бы скрыт от остальной части программы, создавался бы в коде процедуры открытия файла и использовался бы неявно только самим объектом. Таким образом, пользователю объекта (программному коду внешней по отношению к объекту программы) не нужно было бы передавать дескриптор каждый раз в параметрах процедур. Объект – это комплект данных и методов работы с этими данными, часть из которых может быть скрыта от окружающего его мира, к которой и относятся детали реализации. Более подробно о терминологии объектно-ориентированного программирования будет рассказано далее.

Объектом в объектно-ориентированном языке программирования является практически все, за исключением операторов: и элементарные типы являются объектами, и описание ошибки является объектом и, наконец, основная программа также является объектом. Осталось понять, что такое объект с точки зрения самой программы, как он создается и используется. Вторым основополагающим понятием ООП является класс. Класс – это тот самый новый в сравнении с процедурным программированием тип данных, экземпляры которого и называются объектами. Класс, как уже было сказано, похож на составной тип данных или структуру, но дополненный процедурами и функциями (методами) для работы со своими данными. Теперь самое время описать основные термины объектно-ориентированного программирования.

Терминология объектно-ориентированного программирования

Перед тем, как перейти к описанию преимуществ, которые дает ООП разработчикам программного обеспечения в процессе проектирования, кодирования и тестирования программных продуктов необходимо познакомиться с наиболее часто встречающимися терминами в этом области.

• Класс – тип данных, описывающий структуру и поведение объектов.

• Объект – экземпляр класса.

• Поле – элемент данных класса: переменная элементарного типа, структура или другой класс, являющийся частью класса.

• Состояние объекта – набор текущих значений полей объекта.

• Метод – процедура или функция, выполняющаяся в контексте объекта, для которого она вызывается. Методы могут изменять состояние текущего объекта или состояния объектов, передаваемых им в качества параметров.

• Свойство – специальный вид методов, предназначенный для модификации отдельных полей объекта. Имена свойств обычно совпадают с именами соответствующих полей. Внешне работа со свойствами выглядит точно так же, как работа с полями структуры или класса, но на самом деле перед тем, как вернуть или присвоить новое значение полю может быть выполнен программный код, осуществляющий разного рода проверки, к примеру, проверку на допустимость нового значения.

• Член класса – поля, методы и свойства класса.

• Модификатор доступа – дополнительная характеристика членов класса, определяющая, имеется ли к ним доступ из внешней программы, или же они используются исключительно в границах класса и скрыты от окружающего мира. Модификаторы доступа разделяют все элементы класса на детали реализации и открытый или частично открытый интерфейс.

• Конструктор – специальный метод, выполняемый сразу же после создания экземпляра класса. Конструктор инициализирует поля объекта – приводит объект в начальное состояние. Конструкторы могут быть как с параметрами, так и без. Конструктор без параметров называют конструктором по умолчанию, который может быть только один. Имя метода конструктора, чаще всего, совпадает с именем самого класса.

• Деструктор – специальный метод, вызываемый средой исполнения программы в момент, когда объект удаляется из оперативной памяти. Деструктор используется в тех случаях, когда в состав класса входят ресурсы, требующие явного освобождения (файлы, соединения с базами данных, сетевые соединения и т.п.)

• Интерфейс – набор методов и свойств объекта, находящихся в открытом доступе и призванных решать определенный круг задач, к примеру, интерфейс формирования графического представления объекта на экране или интерфейс сохранения состояния объекта в файле или базе данных.

• Статический член – любой элемент класса, который может быть использован без создания соответствующего объекта. К примеру, если метод класса не использует ни одного поля, а работает исключительно с переданными ему параметрами, то ничто не мешает его использовать в контексте всего класса, не создавая отдельных его экземпляров. Константы в контексте класса обычно всегда являются статическими его членами.

Преимущества объектно-ориентированного программирования

Теперь поговорим о свойствах, которые приобретает программа при использовании объектно-ориентированного подхода к ее проектированию и кодированию. Как мне кажется, большинство этих свойств являются преимуществами ООП, но есть на этот счет и другие мнения…

• Инкапсуляция обозначает сокрытие деталей реализации классов средствами награждения отдельных его членов соответствующими модификаторами доступа. Таким образом, вся функциональность объекта, нацеленная на взаимодействие с другими объектами программы группируется в открытый интерфейс, а детали тщательно скрываются внутри, что избавляет основной код бизнес-логики информационной системы от ненужных ему вещей. Инкапсуляция повышает надежность работы программного кода, поскольку гарантирует, что определенные данные не могут быть изменены за пределами содержащего их класса.

• Наследование . Краеугольный камень ООП. В объектно-ориентированном программировании есть возможность наследовать структуру и поведение класса от другого класса. Класс, от которого наследуют, называется базовым или суперклассом, а класс, который получается вследствие наследования – производным или просто потомком. Любой класс может выступать как в роли суперкласса, так и в роли потомка. Связи наследования классов образуют иерархию классов. Множественным наследованием называют определение производного класса сразу от нескольких суперклассов. Не все объектно-ориентированные языки программирования поддерживают множественное наследование. Наследование – это эффективный способ выделения многократно используемых фрагментов кода, но у него есть и минусы, о которых будет рассказано далее.

• Абстрагирование . Возможность объединять классы в отдельные группы, выделяя общие, значимые для них всех характеристики (общие поля и общее поведение). Собственно, абстрагирование и есть следствие наследования: базовые классы не всегда имеют свою проекцию на объекты реального мира, а создаются исключительно с целью выделить общие черты целой группы объектов. К примеру, объект мебель – это базовое понятие для стола, стула и дивана, всех их объединяет то, что это движимое имущество, часть интерьера помещений, и они могут быть выполнены для дома или офиса, а также относиться к “эконом” или “премиум” классу. В ООП есть для этого отдельное понятие абстрактный класс – класс, объекты которого создавать запрещено, но можно использовать в качестве базового класса. Наследование и абстрагирование позволяют описывать структуры данных программы и связи между ними точно так же, как выглядят соответствующие им объекты в рассматриваемой модели предметной области.

Пример диаграммы классов, построенной путем абстрагирования, в ходе анализа видов существующих транспортных средств приведен на следующем рисунке. На верхних уровнях иерархии наследования находятся абстрактные классы, объединяющие транспортные средства по наиболее значимым характеристикам.

Диаграмма классов или иерархия наследования "Транспортные средства". Белые квадраты обозначают абстрактные классы.

• Полиморфизм . Еще одно свойство, которое является следствием наследования. Дело в том, что объектно-ориентированные языки программирования позволяют работать с набором объектов из одной иерархии точно так же, как если бы все они были объектами их базового класса. Если вернуться к примеру про мебель, то можно предположить, что в контексте создания информационной системы для мебельного магазина в базовый класс для всех видов мебели разумно добавить общий для всех метод “показать характеристики”. При распечатке характеристик всех видов товара программа бы без разбору для всех объектов вызывала бы этот метод, а каждый конкретный объект уже сам бы решал, какую информацию ему предоставлять. Как это реализуется: Во-первых, в базовом классе определяют общий для всех метод с общим для всех поведением. В случае с нашим примером это будет метод, печатающий общие для любых типов мебели параметры. Во-вторых, в каждом производном классе, где это необходимо, переопределяют базовый метод (добавляют метод с тем же именем), где расширяют базовое поведение своим, например, выводят характеристики, свойственные только конкретному виду мебельной продукции. Метод в базовом классе иногда вообще не обязан содержать какой-либо код, а необходим только для того, чтобы определить имя и набор параметров – сигнатуру метода. Такие методы называют абстрактными методами, а классы, их содержащие, автоматически становятся абстрактными классами. Итак, полиморфизм – это возможность единообразного общения с объектами разных классов через определенный интерфейс. Идеология полиморфизма гласит, что для общения с объектом вам не нужно знать его тип, а нужно знать, какой интерфейс он поддерживает.

• Интерфейс . В некоторых языках программирования (C#, Java) понятие интерфейса выделено явно - это не только открытые методы и свойства самого класса. Такие языки, как правило, не поддерживают множественного наследования и компенсируют это тем, что любой объект может иметь один базовый объект и реализовывать любое количество интерфейсов. Интерфейс в их интерпретации – это подобие абстрактного класса, содержащего только описание (сигнатуру) открытых методов и свойств. Реализация интерфейса ложится на плечи каждого класса, который собирается его поддерживать. Один и тот же интерфейс могут реализовывать классы абсолютно разных иерархий, что расширяет возможности полиморфизма. К примеру, интерфейс “сохранение/восстановление информации в базе данных” могли бы реализовывать как классы иерархии “мебель”, так и классы, связанные с оформлением заказов на изготовление мебели, а при нажатии на кнопку “сохранить” программа бы прошлась по всем объектами, запросила бы у них этот интерфейс и вызвала бы соответствующий метод.

Объектно-ориентированное программирование постоянно развивается, порождая новые парадигмы, такие как аспектно-ориентированное, субъектно-ориентированное и даже агентно-ориентиванное программирование. Нужно отметить, что лавры ООП не дают покоя остальным теоретикам, и они спешат предложить свои варианты его совершенствования и расширения. Прототипное программирование исключает понятие класса, заменяя его прототипом – образцом объекта. Таким образом, в прототипно-ориентированном языке нет понятия типа объекта, а есть понятие образец или прототип. Прототип – это экземпляр объекта, по которому создаются другие экземпляры, копируя (клонируя) его члены. В JavaScript вы не описываете поля и методы класса, а создаете сначала пустой объект, а потом добавляете ему нужные поля и методы (в JavaScript метод можно определить и добавить к объекту динамически). Точно также создаются и прототипы, на которые потом ссылаются другие объекты, как на свой прообраз. Если у объекта не находится какого-то метода или поля, которое указано в месте вызовы, то оно ищется среди членов его прототипа.

Некоторые элементы современного объектно-ориентированного программирования

Время не стоит на месте, да и времени с момента появления ООП уже прошло довольно много, поэтому не стоит удивляться, что сегодня словарь по объектно-ориентированному программированию серьезно разросся. Итак, вот некоторые новые термины и понятия, связанные с ООП.

• События . Специальный вид объектов, создаваемый для оповещения одних объектов о событиях, происходящих с другими объектами. В разных языках программирования механизм событий реализуется по-разному: где-то с помощью специальных синтаксических конструкции, а где-то силами базовых средств ООП.

• Универсальный тип . Концепция универсальных типов не связана непосредственно с концепцией ООП, но она является причиной появление таких элементов, как универсальный класс, универсальный метод, универсальное событие и т.д. Универсальный тип – это тип, параметризованный другим типом (набором типов). Кем является этот тип-параметр в контексте проектирования универсального типа неизвестно, хотя есть возможность ограничить значения типов-параметров, заставив их быть производными от конкретного класса или реализовывать определенные интерфейсы. В качестве примера можно привести универсальный класс сортировки последовательности элементов, где тип элемента в последовательности заранее неизвестен. При проектировании такого класса важно указать, что тип-параметр должен поддерживать операцию сравнения. При создании объектов универсальных типов параметр указывается явно, например целочисленный или строковый тип, а сам объект начинает себя вести так, как если бы это был экземпляр класса, созданный специально для сортировки целых чисел или строк.

• Исключения . Еще один специальный вид объектов, поддерживаемый встроенным в конкретный язык программирования механизмом обработки ошибок и исключительных ситуаций. Исключения, помимо кода ошибки, содержат ее описание, возможные причины возникновения и стек вызовов методов, имевший место до момента возникновения исключения в программе.

Недостатки объектно-ориентированного программирования

Про то, что популярность объектно-ориентированного подхода к созданию программных продуктов огромна я уже сказал. Про то, что тех, кто стремится расширить эту парадигму довольно много, я тоже уже отметил. Но есть еще один способ выделиться среди огромного сообщества специалистов в информационных технологиях – это заявить, что ООП себя не оправдало, что это не панацея, а, скорее, плацебо. Есть среди этих людей действительно специалисты очень высокого класса, такие как Кристофер Дэйт, Александр Степанов, Эдсгер Дейкстра и другие, и их мнение заслуживает внимания, но есть и те, про которых говорят, что “плохому танцору всегда что-то мешает”. Вот они, наиболее очевидные недостатки ООП, на которые указывают специалисты:

1. ООП порождает огромные иерархии классов, что приводит к тому, что функциональность расползается или, как говорят, размывается по базовым и производным членам класса, и отследить логику работы того или иного метода становится сложно.

2. В некоторых языках все данные являются объектами, в том числе и элементарные типы, а это не может не приводить к дополнительным расходам памяти и процессорного времени.

3. Также, на скорости выполнения программ может неблагоприятно сказаться реализация полиморфизма, которая основана на механизмах позднего связывания вызова метода с конкретной его реализацией в одном из производных классов.

4. Психологический аспект. Многие считают, что ООП это круто и начинают использовать его подходы всегда и везде и без разбору. Все это приводит к снижению производительности программ в частности и дискредитации ООП в целом.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) позволяет разложить проблему на составные части, каждая из которых становится самостоятельным объектом. Каждый из объектов содержит свой собственный код и данные, которые относятся к этому объекту.

Любая программа, написанная на языке ООП, отражает в своих данных состояние физических предметов либо абстрактных понятий – объектов программирования, для работы, с которыми она предназначена.

Все данные об объекте программирования и его связях с другими объектами можно объединить в одну структурированную переменную. В первом приближении ее можно назвать объектом.

С объектом связывается набор действий, иначе называемых методами . С точки зрения языка программирования набор действий или методов – это функции, получающие в качестве обязательного параметра указатель на объект и выполняющие определенные действия с данными объекта программирования. Технология ООП запрещает работать с объектом иначе, чем через методы, таким образом, внутренняя структура объекта скрыта от внешнего пользователя.

Описание множества однотипных объектов называется классом .
Объект – это структурированная переменная, содержащая всю информацию о некотором физическом предмете или реализуемом в программе понятии.

Класс – это описание множества объектов программирования (объектов) и выполняемых над ними действий.

Класс можно сравнить с чертежом, согласно которому создаются объекты. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области решаемой задачи.

Основные понятия объектно-ориентированного программирования

Любая функция в программе представляет собой метод для объекта некоторого класса.

Класс должен формироваться в программе естественным образом, как только в ней возникает необходимость описания новых объектов программирования. Каждый новый шаг в разработке алгоритма должен представлять собой разработку нового класса на основе уже существующих.

Вся программа в таком виде представляет собой объект некоторого класса с единственным методом run (выполнить).

Программирование «от класса к классу» включает в себя ряд новых понятий. Основными понятиями ООП являются

• инкапсуляция;
• наследование;
• полиморфизм.

Инкапсуляция данных (от «капсула») – это механизм, который объединяет данные и код, манипулирующий с этими данными, а также защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. В ООП код и данные могут быть объединены вместе (в так называемый «черный ящик») при создании объекта.

Внутри объекта коды и данные могут быть закрытыми или открытыми.

Закрытые коды или данные доступны только для других частей того же самого объекта и, соответственно, недоступны для тех частей программы, которые существуют вне объекта.

Открытые коды и данные, напротив, доступны для всех частей программы, в том числе и для других частей того же самого объекта.

Наследование . Новый, или производный класс может быть определен на основе уже имеющегося, или базового класса.

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 объект наследует данные и методы от нескольких базовых классов, то говорят о множественном наследовании .

Пример наследования – определение структуры, отдельный член которой является ранее определенной структурой.

Полиморфизм – это свойство, которое позволяет один и тот же идентификатор (одно и то же имя) использовать для решения двух и более схожих, но технически разных задач.

Целью полиморфизма, применительно к ООП, является использование одного имени для задания действий, общих для ряда классов объектов. Такой полиморфизм основывается на возможности включения в данные объекта также и информации о методах их обработки (в виде указателей на функции).

Будучи доступным в некоторой точке программы, объект, даже при отсутствии полной информации о его типе, всегда может корректно вызвать свойственные ему методы.
Полиморфная функция – это семейство функций с одним и тем же именем, но выполняющие различные действия в зависимости от условий вызова.

Например, нахождение абсолютной величины в языке Си требует трех разных функций с разными именами.

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 определенноготипа (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

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

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

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

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)

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.

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.

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.

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.

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.

Почему объектно-ориентированному программированию отдается предпочтение в большинстве проектов? ООП предлагает эффективный способ борьбы с их сложностью. Вместо того чтобы рассматривать программу как последовательность исполняемых инструкций, оно представляет ее как группу объектов с определенными свойствами и производит с ними определенные действия. Это приводит к созданию более ясных, более надежных и легкосопровождаемых приложений.

Основные принципы сформировались потому, что в существовавших ранее подходах были обнаружены ограничения. Среди них - неограниченный доступ к данным и большое количество связей, которые накладывают ограничения на внесение изменений. Их осознание и причины важны для того, чтобы понять, что такое ООП в программировании и каковы его преимущества.

Процедурные языки

C, Pascal, FORTRAN и подобные языки являются процедурными. То есть каждый их оператор приказывает компьютеру что-то сделать: получить данные, сложить числа, разделить на шесть, отобразить результат. Приложение на процедурном языке представляет собой список инструкций. Если он небольшой, никакого другого организационного принципа (часто называемого парадигмой) не требуется. Программист создает список инструкций, и компьютер выполняет их.

Разделение на функции

Когда приложения становятся больше, список получается громоздким. Немногие могут понять более нескольких сотен инструкций, пока они не будут сгруппированы. По этой причине функция стала способом сделать приложения более понятными для своих создателей. В некоторых языках та же концепция может носить название подпрограммы или процедуры.

Приложение разделено на функции, каждая из которых имеет четко определенную цель и интерфейс.

Идея разделения на процедуры может быть расширена их группированием в больший объект, называемый модулем, но принцип аналогичен: группирование компонентов, которые выполняют списки инструкций.

Разделение на функции и модули - один из краеугольных камней структурного программирования, которое в течение нескольких десятилетий до появления ООП являлось довлеющей парадигмой.

Проблемы структурного программирования

Поскольку приложения становились все более крупными, структурное программирование начало испытывать трудности. Проекты становились слишком сложными. Графики сдвигались. Задействовалось большее число программистов. Сложность росла. Затраты взлетали, график сдвигался дальше, и наступал крах.

Анализ причин этих неудач показал недостатки процедурной парадигмы. Независимо от того, насколько хорошо реализован структурированный подход к программированию, крупные приложения становятся чрезмерно сложными.

Каковы причины этих проблем, связанных с процедурными языками? Во-первых, функции имеют неограниченный доступ к глобальным данным. Во-вторых, не связанные между собой процедуры и значения плохо моделируют реальный мир.

Если рассматривать эти проблемы в контексте программы учета запасов, то одним из важнейших глобальных элементов данных является совокупность учетных единиц. Разные функции могут обращаться к ним для ввода нового значения, его отображения, изменения и т. д.

Неограниченный доступ

В программе, написанной, например, на C, есть два вида данных. Локальные скрыты внутри функции и другими процедурами не используются.

Когда две и более функций должны получить доступ к одним и тем же данным, то последние должны быть глобальными. Такими, например, являются сведения об учитываемых предметах. Глобальные данные могут быть доступны любой процедуре.

В большой программе есть множество функций и много глобальных элементов. Проблема процедурной парадигмы состоит в том, что это приводит к еще большему числу потенциальных связей между ними.

Такое большое количество соединений вызывает несколько затруднений. Во-первых, это осложняет понимание структуры программы. Во-вторых, затрудняет внесение изменений. Изменение в глобальном элементе данных может потребовать корректирования всех функций, имеющих к нему доступ.

Например, в программе учета кто-то решит, что код учитываемого предмета должен состоять не из 5 цифр, а из 12. Это потребует изменить с short на long. Теперь связанные с кодом функции должны быть изменены для работы с новым форматом.

Когда элементы изменяются в большом приложении, трудно сказать, какие процедуры имеют к ним доступ. Но даже если это выяснить, их изменение может привести к неправильной работе с другими глобальными данными. Все связано со всем остальным, поэтому изменение в одном месте аукнется в другом.

Моделирование реального мира

Второй и более важной проблемой процедурной парадигмы является то, что ее расположение отдельных данных и функций плохо моделирует вещи в реальном мире. Здесь мы имеем дело с такими объектами, как люди и автомобили. Они не похожи ни на данные, ни на функции. Сложные реальные объекты обладают атрибутами и поведением.

Атрибуты

Примерами атрибутов (иногда называемых характеристиками) для людей являются цвет глаз и название должности, для автомобилей - мощность и количество дверей. Как оказалось, атрибуты в реальном мире эквивалентны данным в программе. Они имеют конкретные значения, такие как синий (цвет глаз) или четыре (количество дверей).

Поведение

Поведение - это то, что объекты реального мира производят в ответ на какое-то воздействие. Если попросить начальство о повышении зарплаты, ответ будет "да" или "нет". Если нажать на тормоз, то автомобиль остановится. Произнесение и остановка являются примерами поведения. Поведение подобно процедуре: его вызывают, чтобы сделать что-то, и оно делает это. Таким образом, данные и функции сами по себе не моделируют объекты реального мира эффективно.

Решение проблемы

Объект в ООП представляется как совокупность данных и функций. Только процедуры, которые называются функциями-членами в C ++, позволяют получить его значения. Данные скрыты и защищены от изменения. Значения и функции инкапсулированы в одно целое. Инкапсуляция и упрятывание - основные термины в описании ОО-языков.

Если требуется изменить данные, точно известно, какие функции взаимодействуют с ними. Никакие другие процедуры не могут получить к ним доступ. Это упрощает написание, отладку и поддержание программы.

Приложение, как правило, состоит из нескольких объектов, которые взаимодействуют друг с другом, вызывая функции-члены.

Сегодня наиболее широко используемый программирование) - C++ (плюс-плюс). В Java отсутствуют некоторые функции, такие как указатели, шаблоны и множественное наследование, что делает его менее мощным и универсальным, чем C++. C# еще не достиг популярности C++.

Следует отметить, что так называемые функции-члены в C++ называются методами в некоторых других ОО-языках, таких как Smalltalk. Элементы данных называются атрибутами. Вызов метода объекта является посылкой ему сообщения.

Аналогия

Можно представить объекты отделами компании. В большинстве организаций сотрудники не работают один день с кадрами, на следующий начисляя зарплату, а затем неделю занимаясь розничной торговлей. У каждого отдела есть свой персонал с четко возложенными на него обязанностями. Есть и собственные данные: показатели заработной платы, продаж, учет сотрудников и т. д. Люди в отделах работают со своей информацией. Разделение компании, таким образом, облегчает контроль за ее деятельностью и поддерживает целостность данных. Бухгалтерия отвечает за Если необходимо знать общую сумму заработной платы, выплачиваемой в южном филиале в июле, не нужно рыться в архиве. Достаточно направить записку ответственному лицу, подождать, пока этот человек получит доступ к данным и отправит ответ с требуемой информацией. Это гарантирует соответствие регламенту и отсутствие постороннего вмешательства. Таким же образом объект в ООП обеспечивает организацию приложения.

Следует помнить, что ориентация на объекты не касается подробностей работы программы. Большинство инструкций C++ соответствует операторам процедурных языков, таких как С. Действительно, функции-члены в C++ очень похожи на функции в С. Только более широкий контекст позволит установить, является ли инструкция процедурной или объектно-ориентированной.

Объект в ООП: определение

При рассмотрении задачи программирования на ОО-языке вместо вопросов о ее разделении на отдельные функции возникает проблема разделения на объекты. ООП-мышление намного облегчает разработку приложений. Это происходит в результате сходства программных и реальных объектов.

Какие вещи становятся объектами в ООП? Ниже представлены типичные категории.

Физический объект в ООП - это:

• транспорт в моделях движения потока;
• электрические элементы в программах схемотехники;
• страны в модели экономики;
• самолет в системе управления воздушным движением.

Элементы среды компьютера пользователя:

• меню;
• окна;
• графика (линия, прямоугольник, круг);
• клавиатура, мышь, принтер, дисковые накопители.

• работники;
• студенты;
• клиенты;
• продавцы.

• книга учета;
• личное дело;
• словарь;
• таблица широт и долгот населенных пунктов.

Связь объектов реального мира и ООП стало результатом сочетания функций и данных: они произвели переворот в программировании. Такого близкого соответствия в процедурных языках нет.

Класс

Объекты в ООП - это члены классов. Что это значит? Языки программирования имеют встроенные типы данных. Тип int, т. е. целое число, предопределен в C++. Можно объявлять сколько угодно переменных int.

Аналогично определяется множество объектов одного класса. Он определяет функции и данные, включаемые в его объекты, не создавая их, так же как int не создает переменные.

Класс в ООП - это описание ряда похожих объектов. Принц, Стинг и Мадонна являются певцами. Нет ни одного человека с таким именем, но люди могут так называться, если они обладают соответствующими характеристиками. Объект ООП - это экземпляр класса.

Наследование

В жизни классы разделены на подклассы. Например, животные делятся на земноводных, млекопитающих, птиц, насекомых и т. д.

Принцип такого рода деления состоит в том, что каждый подкласс имеет общие характеристики с классом, от которого происходит. Все автомобили имеют колеса и двигатель. Это определяющие характеристики транспортных средств. В дополнение к общим характеристикам каждый подкласс обладает своими особенностями. У автобусов много посадочных мест, а грузовики имеют пространство для перевозки тяжелых грузов.

Аналогично базовый класс может стать родителем нескольких производных подклассов, которые могут быть определены так, что они будут разделять его характеристики с добавлением собственных. Наследование подобно функции, упрощающей процедурную программу. Если несколько частей кода делают почти то же, можно извлечь общие элементы и поместить их в одну процедуру. Три участка приложения могут вызвать функцию, чтобы выполнить общие действия, но они могут производить и свои собственные операции. Подобно этому базовый класс содержит данные, общие для группы производных. Подобно функциям наследование сокращает ОО-программу и проясняет взаимосвязь ее элементов.

Повторное использование

После того как класс создан и отлажен, он может быть передан другим программистам для повторного использования в собственных приложениях. Это похоже на библиотеку функций, которая может входить в разные приложения.

В ООП наследование является расширением идеи многократного использования. Из существующего класса, не изменяя его, можно образовать новый с добавлением других функций. Легкость повторного использования существующего ПО - важное преимущество ООП. Считается, что это обеспечивает рост доходности от первоначальных инвестиций.

Создание новых типов данных

Объекты удобны для создания новых типов данных. Предположим, в программе используются двумерные значения (например, координаты или широта и долгота), и есть желание выразить действия с ними арифметическими операциями:

position1 = position + origin,

где и origin - пары независимых численных величин. Создание класса, включающего в себя эти два значения, и объявление переменных его объектами создает новый тип данных.

Полиморфизм, перегрузка

Операторы = (равно) и + (плюс), используемые в позиционной арифметике выше, не действуют так же, как с встроенными типами, такими как int. Объекты position и др. не предопределены, а заданы программным путем. Каким образом эти операторы знают, как с ними обращаться? Ответ заключается в том, что для них можно задать новые модели поведения. Эти операции будут функциями-членами класса Position.

Использование операторов или процедур в зависимости от того, с чем они работают, называется полиморфизмом. Когда существующий оператор, такой как + или =, получает возможность работать с новым типом данных, говорят, что он перегружен. Перегрузка в ООП - это вид полиморфизма. Она является его важной чертой.

Книга об ООП «Объектно-ориентированное программирование для чайников» позволит всем желающим ознакомиться с данной темой подробнее.

Событие в объектно-ориентированном программировании - это сообщение, которое возникает в различных точках исполняемого кода при выполнении определённых условий. События предназначены для того, чтобы иметь возможность предусмотреть реакцию программного обеспечения. Для решения поставленной задачи создаются обработчики событий: как только программа попадает в заданное состояние, происходит событие, посылается сообщение, а обработчик перехватывает это сообщение. В общем случае в обработчик не передаётся ничего, либо передаётся ссылка на объект, инициировавший (породивший) обрабатываемое событие. В особых случаях в обработчик передаются значения некоторых переменных или ссылки на какие-то другие объекты, чтобы обработка данного события могла учесть контекст возникновения события. Самое простое событие - это событие, сообщающее о начале или о завершении некоторой процедуры. Событие, по сути, сообщает об изменении состояния некоторого объекта. Наиболее наглядно события представлены в пользовательском интерфейсе, когда каждое действие пользователя порождает цепочку событий, которые, затем обрабатываются в приложении. В объектно-ориентированном анализе для описания динамического поведения объектов принято использовать модель состояний. Событие - это переход объекта из одного состояния в другое. Взаимодействие объектов также осуществляется при помощи событий: изменение состояния одного объекта приводит к изменению состояния другого объекта, а событие оказывается средством связи между объектами. Событие - это. Далее, выделяются четыре аспекта события:

Первый ряд примеров событий доставляет собственно сам жизненный цикл объекта:

Более сложные примеры событий возникают тогда, когда у объекта появляются внутренние состояния, которые описываются соответствующей диаграммой переходов (из одного состояния в другое).

Современными языками объектно-ориентированного программирования являются С++ и Java . С середины 90-х годов многие объектно–ориентированные языки реализуются как системы визуального программирования , в которых интерфейсная часть программного продукта создается в диалоговом режиме, практически без написания программных операторов. К объектно – ориентированным системам визуального проектирования относятся Visual Basic , Delphi , C++ Builder , Visual C++. Язык VBA (Visual Basic for Applications) – язык приложений Microsoft Office (Excel , Word , Access , Power Point и др). VBA соблюдает основной синтаксис языка и правила программирования языков Basic – диалектов, позволяет создавать макросы для автоматизации выполнения некоторых операций и графический интерфейс пользователя, интеграцию между различными программными продуктами.

Целью курса является дать представление студентам об основных принципах объектно-ориентированного программирования на различных языках. Основной задачей курса является подготовка специалистов, владеющих современными методами и средствами разработки алгоритмов и программ, знающих современную технологию программирования и умеющих применять ее при решении сложных прикладных задач. Курс лекций расчитан на студентов, имеющих подготовку по информатике и программированию на языке С .

Лабораторные работы

Литература

1. Бруно Бабэ. Просто и ясно о Borland C++: Версии 4.0 и 4.5/ Пер. с англ. -М.:БИНОМ, 1994. - 400с.
2. Буч Г. «Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++» Пер. с англ. - М.: Бином; СПб.: Невский диалект, 1999.
3. . - М, 2000
4. Гайсарян С.С. «Объектно-ориентированное проектирование» (http://www.mista.ru/oop_book/index.htm)
5. Жуков А. «Изучаем С» - СПб.: Питер, 2003.
6. - Adobe Systems, 2010.
7. Ишкова Э. «С++ начала программирования» - М.: Бином, 2001.
8. Клочков Д.П., Павлов Д.А. Введение в объектно-ориентированное программирование. / Учебно-методическое пособие. - Изд. Нижегор. ун-та, 1995. - 70с.
9. Легалов А. «Итоги экспансии объектно-ориентированной парадигмы» (http://www.softcraft.ru/paradigm/process/pr01.shtml
10. Мухортов В.В., Рылов В.Ю. (методическое пособие) - ИМСО РАН, Новосибирск, 2002
11. Немнюгин С., Перколаб Л. «Изучаем TurboPascal
12. Плискин М. «Эволюция языков программирования» (://2..cctpu../edu///lang/_09.)
13. . - МИФИ, 2003
14. Объектно-ориентированная методология программирования (http://www.math.rsu.ru/smalltalk/sml-a.ru.html)
15. Объектно-ориентированные системы: состояние и перспективы. Аналитический обзор по материалам фирмы OVUM. Обзор подготовил А.Г. Иванов. (http://www.math.rsu.ru/smalltalk/obzornew.ru.html)
16. Объектно-ориентированные языки программирования. Сравнение с традиционными языками (://.suvvbcourse/1.)
17. Патрикеев Ю.Н. «Объектно-ориентированное проектирование» (http://www.object.newmail.ru/oop1.html)
18. Патрикеев Ю.Н. «Объектно-ориентированное программирование на Borland C++» (http://www.object.newmail.ru/obj0.html)
19. Принципы объектно-ориентированного программирования – Лекции по системе визуального объектно-ориентированного проектирования Delphi - Лекции (http://blackman.wp-club.net/lection/visualprg.php)
20. Стили программирования (http://media.karelia.ru/~ftt/IVK/new2/Inflect/T_1_16.htm)
21. Страуструп Б. Язык программирования С++ (2-ред)./Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1995. - 352с.