Основывается на представлении программы в виде множества объектов. Каждый объект относится к какому-либо классу, который, в свою очередь, занимает свое место в наследуемой иерархии. Использование ООП минимизирует избыточные данные, это улучшает управляемость, понимание программы.

Что такое ООП

Возникло как результат развития процедурного программирования. Основой объектно-ориентированных языков являются такие принципы, как:

• инкапсуляция;
• наследование;
• полиморфизм.

Некоторые принципы, которые были изначально заложены в первые ООЯ, подверглись существенному изменению.

Примеры объектно-ориентированных языков:

1. Pascal. С выходом Delphi 7 на официальном уровне стал называться Delphi. Основная область использования Object Pascal - написание прикладного ПО.
2. C++ широко используется для разработки программного обеспечения, является одним из самых популярных языков. Применяется для создания ОС, прикладных программ, драйверов устройств, приложений, серверов, игр.
3. Java - транслируется в байт-код, обрабатывается виртуальной машиной Java. Преимуществом такого способа выполнения является независимость от операционной системой и оборудования. Существующие семейства: Standard Edition, Enterprise Edition, Micro Edition, Card.
4. JavaScript применяется в качестве языка сценариев для web-страниц. Синтаксис во многом напоминает Си и Java. Является реализацией Ecmascript. Сам Ecmascript используется в качестве основы для построения других таких как JScript, ActionScript.
5. Objective-C построен на основе языка Си, а сам код Си понятен компилятору Objective-C.
6. Perl - высокоуровневый интерпретируемый динамический язык общего назначения. Имеет богатые возможности для работы с текстом, изначально разработан именно для манипуляций с текстом. Сейчас используется в системном администрировании, разработке, сетевом программировании, биоинформатике и т. д.
7. PHP. Аббревиатура переводится как препроцессор гипертекста. Применяется для разработки веб-приложений, в частности серверной части. С его помощью можно создавать gui-приложения с помощью пакетов WinBinder.
8. Python - язык общего назначения, ориентирован на повышение производительности разработчика и читаемость кода. Был разработан проект Cython, с помощью которого осуществляется трансляция программ, написанных на Python в код на языке Си.

Абстракция

Любая книга из рода “Объектно-ориентированное программирование для чайников” выделяет один из главных принципов - абстракцию. Идея состоит в разделении деталей или характеристик реализации программы на важные и неважные. Необходима для крупных проектов, позволяет работать на разных уровнях представления системы, не уточняя детали.

Абстрактный тип данных представляется как интерфейс или структура. Позволяет не задумываться над уровнем детализации реализации. АТД не зависит от других участков кода.

Известный афоризм Дэвида Уилера гласит: Все проблемы в информатике можно решить на другом уровне абстракции.

Наследование

Объектно-ориентированные языки являются наследуемыми - это один из важнейших принципов.

Обозначает, что функциональность некоторого типа может быть повторно использована. Класс, который наследует свойства другого, называется производным, потомком или подклассом. Тот, от которого происходит наследование, называется предком, базовым или суперклассом. Связь потомок-наследник порождает особую иерархию.

Существует несколько типов наследования:

• простое;
• множественное.

При множественном наследовании может быть несколько детей от одного предка, когда при простом - только один. Это является основным различием между типами.

Наследование выглядит так:

function draw() {

return "just animal";

function eat() {

return "the animal is eating";

class Cow extends Animal {

function draw() {

Return "something that looks like a cow";

Видим, что class Cow унаследовал все методы от class Animal. Теперь, если выполнить Cow.eat(), получаем "the animal is eating", соответственно, метод draw() изменен. Cow.draw() вернет “something that looks like a cow”, а Animal.draw() вернет “just animal”.

Инкапсуляция

Инкапсуляция ограничивает доступ компонентов к другим, связывает данные с методами для обработки. Для инкапсуляции используется спецификатор доступа private.

Обычно понятия инкапсуляция и сокрытие отождествляются, но некоторые языки различают эти понятия. Другими словами, критичные для работы свойства защищаются, а их изменение становится невозможным.

function __construct($name) {

$this->name = $name;

function getName() {

return $this->name;

Name принимается в качестве аргументов конструктора. Когда конструктор будет использован в других частях кода, ничто не сможет изменить элемент name. Как видим, он указывается внутри, для других частей кода он недоступен.

Полиморфизм

Полиморфизм позволяет использовать одно и то же имя для решения схожих, но технически разных задач.

В примере выше находится таблица. Мы видим class CardDesk и class GraphicalObject. У обоих есть функция под названием draw(). Она выполняет разные действия, хотя имеет одно имя.

Ad hoc полиморфизм или специальный полиморфизм использует:

• перегрузку функций, методов;
• приведение типов.

Перегрузка подразумевает использование нескольких функций с одним именем, когда выбор подходящих происходит на этапе компиляции.

Приведение типов означает преобразование значения одного типа в значение другого типа. Существует явное преобразование - применяется функция, которая принимает один тип, а возвращает другой, неявное - выполняется компилятором или интерпретатором.

«Один интерфейс — много реализаций» Бьерн Страуструп.

Класс

Класс - это такой тип данных, который состоит из единого набора полей и методов.

Имеет внутренние и внешние интерфейсы для управления содержимым. При копировании через присваивание копируется интерфейс, но не данные. Разные виды взаимодействуют между собой посредством:

• наследования;
• ассоциации;
• агрегации.

При наследовании дочерний класс наследует все свойства родителя, ассоциация подразумевает взаимодействие объектов. Когда объект одного класса входит в другой, это называется агрегацией. Но когда они еще зависят друг от друга по времени жизни, - это композиция.

Одной из главных характеристик является область видимости. Понятие по-разному определяется разными ЯП.

В Object Pascal описывается следующим образом:

ClassName = class(SuperClass)

{ использование элементов ограничивается только пределами модуля }

{ здесь указываются поля }

{ спецификатор доступа стал доступным с выходом Delphi 2007, обозначает то же, что и private }

{ элементы могут использоваться внутри ClassName или при наследовании }

{ элементы доступны всем, они отображаются в Object Inspector"e }

Здесь SuperClass - предок, от которого происходит наследование.

Для C++ создание выглядит так:

class MyClass: public Parent

MyClass(); // конструктор

~MyClass(); // деструктор

В этом примере Parent является предком, если таковой имеется. Спецификаторы private, public, protected обозначают то же самое, что в предыдущем примере на Паскале. Также мы видим конструктор, деструктор, доступные для любой части программы. У C++ все элементы по умолчанию являются private, соответственно, это можно не указывать.

Особенности реализации

В центре объектно-ориентированных языков - объект, он является частью класса. Он состоит из:

• поля;
• метода.

Поле данных описывает параметры объекта. Они представляют собой некое значение, которое принадлежит какому-либо классу, описывают его состояние, свойства. Являются по умолчанию закрытыми, а изменение данных происходит за счет использования различных методов.

Метод - совокупность функций, которые определяют все возможные действия, доступные для выполнения над объектом. Все объекты взаимодействуют за счет вызова методов друг друга. Могут быть внешними или внутренними, что конкретизируется модификаторами доступа.

ООП-методологии

Существуют такие методологии:

• Компонентно-ориентированное программирование;
• Прототипное программирование;
• Классоориентированное программирование.

Компонентно-ориентированное программирование опирается на понятие компонента - такого составляющего программы, которое предназначено для повторного использования. Реализуется как множество конструкций с общим признаком, правилами, ограничениями. Подход используется в объектно-ориентированном языке Java, где компонентная ориентация реализуется посредством “JavaBeans”, написанных по одним правилам.

В прототипном программировании нет понятия класса - наследование производится за счет клонирования существующего прототипа. Это основа объектно-ориентированных языков javascript и других диалектов ecmascript, а также lua или lo. Главные особенности:

• потомки не должны сохранять структурное подобие прототипа (в отношении класс - экземпляр это происходит именно так);
• при копировании прототипа все методы наследуются один в один.

Классоориентированное программирование фокусируется на и экземпляр. Класс определяет общую структуру, поведение для экземпляров, которые их перенимают.

Объектно-ориентированные языки

Все ООЯ полностью отвечают принципам ООП - элементы представляют собой объекты, у которых есть свойства. При этом, могут быть дополнительные средства.

ООЯ обязательно содержит набор следующих элементов:

• объявление классов с полями, методами;
• расширение за счет наследования функций;
• полиморфное поведение.

Кроме вышеперечисленного списка, могут быть добавлены дополнительные средства:

• конструктор, деструктор, финализаторы;
• свойства;
• индексаторы;
• модификаторы доступа.

Некоторые ООЯ отвечают всем основным элементам, другие - частично. Третьи являются гибридными, то есть совмещаются с подсистемами других парадигм. Как правило, принципы ООП могут применяться для необъектно-ориентированного языка тоже. Однако применение ООЯ еще не делает код объектно-ориентированным.

ЯП поддерживают больше, чем одну парадигму. Например, PHP или JavaScript поддерживают функциональное, процедурное, объектно-ориентированное программирование. Java работает с пятью парадигмами: объектно-ориентированной, обобщенной, процедурной, аспектно-ориентированной, конкурентной. C# считается одним из самых успешных примеров мультипарадигмальности. Он поддерживает те же подходы, что Java, к этому списку добавляется еще рефлексивная парадигма. Такой ЯП, как Oz, разработан для того, чтобы объединить все понятия, традиционно связанные с различными программными парадигмами.

Общая информация

ООП - это стиль программирования, появившийся в 80 годах 20 века. В отличие от процедурных языков, где данные и инструкции по их обработке существуют отдельно, в объектно-ориентированном программировании эта информация объединяется в единую сущность.

Основные принципы ООП

Наследование

Второй принцип ООП - наследование - это возможность одного класса использовать методы другого без повторения их фактической реализации. Наследование позволяет избавиться от избыточности исходного кода.

Полиморфизм

Еще один принцип ООП - полиморфизм. Его использование означает, что для манипуляции с объектами разной степени сложности можно создать один интерфейс, который будет по-разному реагировать на события и одновременно правильно реализовывать поставленные задачи.

Языки ООП

Принципы ООП используются в таких наиболее популярных языках программирования, как C++ и Java, на которых разработана значительная часть программ и приложений. Есть и менее используемые языки ООП - это Delphi, Object Pascal, Ruby и многие другие.

Критика ООП

Несмотря на в основном позитивные высказывания в сторону данной методологии, нередко принципы ООП подвергаются и критике. Как и у у ООП есть свои недостатки.

Во-первых, сложность перехода. Чтобы понять принципы ООП, потребуется достаточно много времени, тем более людям, вплотную работающим только с процедурными языками программирования.

Во-вторых, недостатком является более сложная документация, так как потребуется не только описывать классы и объекты, но и конкретные случаи их реализации.

В-третьих, излишняя универсальность методов может привести к тому, что исходный код и разрабатываемые программы будут перегружены невостребованными в данном конкретном случае функциями и возможностями. Кроме того, отмечают неэффективность с точки зрения распределения памяти. Однако вне зависимости от мнения окружающих число программистов ООП постоянно растет, а сами языки стремительно развиваются.

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

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.

(ООП) организует данные и алгоритмы, обрабатываемые программой. При этом программист создает формы данных и алгоритмы, соответствующие основным характеристикам решаемой проблемы. Модели данных и алгоритмы, их обрабатывающие, называются классами , а объекты — это конкретные их представители, используемые в программе.

Из общих объектов создаются другие, более специализированные. Механизм создания таких подобъектов называется наследованием . В итоге данные программы представляют из себя объектную модель — дерево объектов, начиная с самого верхнего наиболее абстрактного и общего объекта.

ООП сочетает лучшие принципы структурного программирования с новыми мощными концепциями, базовые из которых называются инкапсуляцией , полиморфизмом и наследованием.

Примером объектно-ориентированных языков являются: Object Pascal , C++, Java .

ООП позволяет оптимально организовывать программы, разбивая проблему на составные части, и работая с каждой по отдельности.

Объектно-ориентированное программирование — это развитие технологии структурного программирования, однако оно имеет свои характерные черты. Основной единицей в объектно-ориентированном программировании выступает объект, который заключает в себе, инкапсулирует как описывающие его данные (свойства), так и средства обработки этих данных (методы). В системах ООП обычно используется графический интерфейс, который позволяет визуализировать процесс программирования. Появляется возможность создавать объекты, задавать им свойства и поведение с помощью мыши.

Объект - это комбинация данных и кода. Другими словами, объект, называемый ещё представителем (какого-нибудь класса), - это порция данных, значение которых определяют его текущее состояние, и набор подпрограмм, называемых методами , оперирующих с этими данными и определяющими поведение объекта, т.е. его реакцию на внешние воздействия.

Объект состоит из следующих трех частей:

Имя объекта;

Состояние (переменные состояния);

Методы (операции).

Каждый объект является представителем (экземпляром) определенного класса . Во время выполнения программы объекты взаимодействуют друг с другом, вызывая методы, которые являются подпрограммами, характерными для определённого класса.

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. Объект (object) - это конкретная реализация, экземпляр класса. В программировании отношения объекта и класса можно сравнить с описанием переменной, где сама переменная (объект) является экземпляром какого-либо типа данных (класса).

Объектно-ориентированное программирование сводится к созданию некоторого количества классов, описанию связей между этими классами и их свойств, и дальнейшей реализации полученных классов.

Теоретический подход. Класс — это один из вариантов описания сущности, которая в теории программирования именуется абстрактным типом данных. Класс определяет скрытую внутреннюю структуру некоторого значения, а также набор операций, применимых к данному значению.

Практический подход. В современных объектно-ориентированных языках программирования (php, Java, C++, Oberon, Python, Ruby, Smalltalk, Object Pascal) создание класса сводится к написанию некоторой структуры, содержащей набор полей и методов. Практически класс может пониматься как некий шаблон, по которому создаются объекты — экземпляры данного класса. Экземпляры одного класса созданы по одному шаблону, поэтому имеют один и тот же набор полей и методов.

Отношения между классами:

Наследование (Генерализация) — объекты дочернего класса наследуют все свойства родительского класса.

Ассоциация — объекты классов вступают во взаимодействие между собой.

Агрегация — объекты одного класса входят в объекты другого.

Композиция — объекты одного класса входят в объекты другого и зависят друг от друга по времени жизни.

Класс-Метакласс — отношение, при котором экземплярами одного класса являются другие классы.

Виды классов:

Базовый (родительский) класс;

Производный класс (наследник, потомок);

Абстрактный класс;

Виртуальный класс;

Интерфейс.

Класс - это структурный тип данных, который включает описание полей данных, а также процедур и функций, работающих с этими полями данных. Применительно к классам такие процедуры и функции получили название методов .

Методы - инкапсулированные в классе процедуры и функции, то есть способы работы с данными.

В основу классов и объектно-ориентированного программирования положены три принципа - инкапсуляция , наследование и полиморфизм .

Инкапсуляция (сокрытие) — свойство языка программирования, позволяющее объединить данные и код в объект и скрыть реализацию объекта от пользователя. При этом пользователю предоставляется только спецификация (интерфейс) объекта. Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс.

Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта и реализация его методов.

Цели инкапсуляции:

§ предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,

§ прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.

Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Часто инкапсуляция может быть достигнута простейшими организационными мерами: знание того, что «вот так-то делать нельзя» иногда является самым эффективным средством инкапсуляции!

Инкапсуляция - комбинирование записей с процедурами и функциями, манипулирующими полями этих записей, формирует новый тип данных - объект.

Инкапсуляция - изолирование составляющих класса (полей, методов и свойств) от остальных частей программы.

Суть инкапсуляции : Переменные состояния объекта скрыты от внешнего мира. Изменение состояния объекта (его переменных) возможно ТОЛЬКО с помощью его методов (операций). Почему это так важно? Этот принцип позволяет защитить переменные состояния объекта от неправильного их использования.

Применение этого метода ведет к снижению эффективности доступа к элементам объекта. Это обусловлено необходимостью вызова методов для изменения внутренних элементов (переменных) объекта. Однако, при современном уровне развития вычислительной техники, эти потери в эффективности не играют существенной роли.

Наследование — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориен-ти-ро-ванного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом и абстракцией), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом.

Наследование - это процесс, посредством которого, один объект может наследовать свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него. Смысл и универсальность наследования заключается в том, что не надо каждый раз заново (с нуля) описывать новый объект, а можно указать родителя (базовый класс) и описать отличительные особенности нового класса. В результате, новый объект будет обладать всеми свойствами родительского класса плюс своими собственными отличительными особенностями.

Наследование - представляет собой возможность построения иерархии объек-тов с использованием наследования их характеристик.

Наследование . Наследование - это такое свойство объекта, которое позволяет ему использовать поля и методы объекта родителя, без описания их в своей структуре.

Наследование - возможность создания новых классов на базе имеющихся с возможностью использования их составляющих. Объект, принадлежащий классу-потомку, может использовать поля, свойства и методы класса-родителя и новые составляющие своего класса.

Если в классе-потомке описан новый метод, одноименный с методом класса-родителя, то «говорят», что в потомке «перекрыт» метод родителя. Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса. При создании иерархии классов некоторые свойства объектов, сохраняя названия, изменяются по сути.

Для реализации таких иерархий в языке программирования предусмотрен полиморфизм. Слово полиморфизм имеет греческое происхождение и переводится как «имеющий много форм».

Полиморфизм . Присваивание действию одного имени, которое затем совместно используется вниз и вверх по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, именно ему подходящим.

Полиморфизм - это свойство, которое позволяет одно и тоже имя использовать для решения нескольких технически разных задач.

В терминах ООП можно сказать, что все типы интерфейсных кнопок имеют способность изображения самих себя на экране. Однако способ (процедура) является различным для каждого типа кнопки. Простая кнопка рисуется на экране с помощью процедуры «вывод изображения простой кнопки», кнопка-переключатель рисуется на экране с помощью процедуры «вывод изображения кнопки-переключателя» и т.д.

Таким образом, существует единственное для всего перечня интерфейсных кнопок действие (вывод изображения кнопки на экран), которое реализуется специфическим для каждой кнопки способом. Это и является проявлением полиморфизма.

Полиморфизм - способность классов решать похожие задачи разными способами. При перекрытии метода родителя в потомке реализуется новый алгоритм решения задачи. Получается, что в объекте-родителе и объекте-потомке действуют два одноименных метода, имеющих разную алгоритмическую основу.

Полиморфизм - это способ действия с набором объектов одного и того же предка за один шаг, без детализации операций с каждым конкретным объектом. Он является также основанием для расширяемости объектно-ориентированных программ, поскольку он предоставляет способ старым программам воспринимать новые типы данных, которые не были определены во время написания программы.

В общем смысле, концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов». Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий.

Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор .

Применительно к ООП, целью полиморфизма, является использование одного имени для задания общих для класса действий. На практике это означает способность объектов выбирать внутреннюю процедуру (метод) исходя из типа данных, принятых в сообщении.

Механизм работы ООП в таких случаях можно описать примерно так: при вызове того или иного метода класса сначала ищется метод у самого класса. Если метод найден, то он выполняется и поиск этого метода на этом завершается. Если же метод не найден, то обращаемся к родительскому классу и ищем вызванный метод у него. Если найден - поступаем как при нахождении метода в самом классе. А если нет - продолжаем дальнейший поиск вверх по иерархическому дереву. Вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.