Тема 1. Объектно-ориентированный подход в программировании

1.Технологии программирования

2. Принципы ОО подхода в программировании

3. Сущность ОО подхода к программированию

4. Характеристики ООП

5. Резюме

1. Технологии программирования

Технология программирования - это совокупность методов и средств разработки (написания) программных систем и порядок применения этих методов и средств.

На ранних этапах развития программирования, когда программы писались в виде последовательностей машинных команд, какая-либо технология программирования отсутствовала. Первые шаги в разработке технологии состояли в представлении программы в виде последовательности операторов, т.е. составление операторной схемы, отражающей последовательность операторов и переходы между ними. Операторный подход позволил разработать первые программы для автоматизации составления программ - так называемые составляющие программы.

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

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

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

Часть таких функций объединялась в библиотеки, из которых функции можно было включать в рабочие программы и затем вызывать из рабочих программ. Это положило начало процедурному программированию - большая программа представлялась совокупностью функций. Одна из функций являлась главной и с нее начиналось выполнение программы.

Процедурный подход потребовал структурирования будущей программы, разделения ее на отдельные функции. При разработке отдельной функции о других функции требовалось знать только их назначение и способ вызова. Появилась возможность перерабатывать отдельные функции, не затрагивая остальной части программы, сокращая при этом затраты труда и машинного времени на разработку и модернизацию программ.

Следующим шагом структурирования программ стало так называемое структурное программирование, при котором программа в целом и отдельные функции рассматривались как последовательности канонических структур: линейных участков, циклов и разветвлений. Появилась возможность читать и проверять программу как последовательный текст, что повысило производительность труда программистов при разработке и отладке программ. С целью повышения структурности программы были выдвинуты требования к большей независимости функций, функции должны связываться с вызывающими их функциями только путем передачи им аргументов, использование в п функциях переменных, принадлежащих другим функциям или главной функции, стало считаться нежелательным.

Применение программ в самых разных областях человеческой деятельности привело к необходимости повышения надежности всего программного обеспечения. Одним из направлений совершенствования языков программирования стало повышения уровня типизации данных.

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

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

Теория типов данных исходит из того, что каждое используемое в программе данное принадлежит одному и только одному типу данных. Тип данного определяет множество возможных значений данного и набор операций, допустимых над этим данным. Данное конкретного типа в ряде случаев может быть преобразовано в данное другого типа, но такое преобразование должно быть явно представлено в программе. В зависимости от степени выполнения перечисленных требований можно говорить об уровне типизации того или иного языка программирования. Стремление повысить уровень типизации языка программирования привело к идее создания строго типизированных языков программирования.

Применение строго типизированного языка при написании программы позволяет еще при трансляции исходного текста выявить многие ошибки использования данных и этим повысить надежность программы. Вместе с тем строгая типизация сковывала свободу программиста, затрудняла применение некоторых приемов преобразования данных, часто используемых в системном программировании.

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

Все универсальные языки программирования, несмотря на различия в синтаксисе и используемых ключевых словах, реализуют одни и те же канонические структуры: операторы присваивания, циклы и разветвления. Во всех современных языках присутствуют предопределенные типы данных (целые и вещественные арифметические типы, символьный и, возможно, строковый тип), имеется возможность использования агрегатов данных, в том числе массивов и структур (записей). Для арифметических данных разрешены обычные арифметические операции, для агрегатов данных обычно предусмотрена только операция присваивания и возможность обращения к элементам агрегата.

Вместе с тем при разработке программы для решения конкретной прикладной задачи желательна возможно большая концептуальная близость текста программы к описанию задачи. Например, если решение задачи требует выполнения операций над комплексными числами или квадратными матрицами, желательно, чтобы в программе явно присутствовали операторы сложения, вычитания, умножения и деления данных типа комплексного числа, сложения, вычитания, умножения и обращения данных типа квадратной матрицы. Решение этой проблемы возможно несколькими путями:

- Построением языка программирования, содержащего как можно больше типов данных, и выбором для каждого класса задач некоторого подмножества этого языка. Такой язык иногда называют языком-оболочкой.

- Построением расширяемого языка, содержащего небольшое ядро и допускающего расширение, дополняющее язык типами данных и операторами, отражающими концептуальную сущность конкретного класса задач. Такой язык называют языком-ядром.

Дальнейшим развитием второго пути явился объектно-ориентированный подход к программированию.

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

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

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

ООП основная методология программирования 90-х годов. Это стиль программирования, который фиксирует поведение реального мира таким способом, при котором детали его реализации скрыты. Идея классов является основой объектно-ориентированного программирования (ООП). Основные принципы ООП были разработаны еще в языках Simula-67 и Smalltalk, но в то время не получили широкого применения из-за трудностей освоения и низкой эффективности реализации. В C++ эти концепции реализованы эффективно, красиво и непротиворечиво, что и явилось основой успешного распространения этого языка и внедрения подобных средств в другие языки программирования.

Популярность ООП объясняется следующим:

· ООП позволяет привести к росту продуктивности и улучшению надежности программ, помогая тем самым разрешить кризис в программном обеспечении;

· стремление перейти от устаревших технологий программирования к новой технологии;

· максимальное сходство с идеями, родившимися в других областях.

ООП является лишь последним звеном в длиной цепи решений, которые были предложены для разрешения "кризиса программного обеспечения". Кризис программного обеспечения означает, что те задачи, которые мы хотим решить, опережают наши возможности.

ООП - это не просто набор новых средств, добавленных в язык, ООП часто называют новой парадигмой программирования.

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

2. Принципы ОО подхода в программировании

Рассмотрим ситуацию из жизни. Например, надо поздравить родственника, живущего в другом городе с днем рождения. Для это идете на почту и посылаете телеграмму. Вы сообщаете оператору, что хотите переслать данный текст по некоторому адресу и ваше поздравление попадет по нужному адресу.

Итак, для решения своей проблемы Вы нашли агента и передали ему сообщение, содержащее запрос. Обязанностью агента будет удовлетворить Ваш запрос любым известным только им способом. Вас совершенно не интересует каким именно. Имеется некий метод - т.е. алгоритм, или последовательность операций, которые используют почтовые работники для выполнения запроса. Вам не надо знать какой конкретно метод используется.

Действие в ООП инициируется посредством передачи сообщений объекту, ответственному за действия. Сообщение содержит запрос на выполнение действия и сопровождается дополнительной информацией, необходимой для его выполнения. Получатель - это агент, кому посылается сообщение. Если он принимает сообщение, то на него автоматически возлагается ответственность за выполнение указанного действия. В качестве реакции на сообщение получатель запустит некоторый известный только ему метод, чтобы удовлетворить принятый запрос.

Итак, первым принципом ОО подхода к решению задачи является способ задания действий.

Скрытие информации является важным принципом и в традиционных языках программирования. Чем же пересылка сообщения отличается в ООП и в традиционных подходах.

Первое отличие: имеется вполне определенный получатель - агент, которому послано сообщение. При вызове процедуры нет столь явно выделенного получателя.

Второе отличие: интерпретация сообщения (а именно метод, вызываемый после приема сообщения) зависит от получателя и является различной для различных получателей.

Таким образом, различие между вызовом процедуры и пересылкой сообщения состоит в том, что в последнем случае существует определенный получатель и интерпретация может быть различной для различных получателей. Обычно конкретный получатель неизвестен вплоть до выполнения программы, и, следовательно, не известен какой метод будет вызван. В таком случае говорят, что имеет место позднее связывание между сообщением и методом, который вызывается в ответ на это сообщение. Эта ситуация противопоставляется раннему связыванию на стадиях компоновки, присущих традиционному программированию.

Фундаментальной концепцией в ООП является понятие ответственности за выполнение действий.

Все объекты являются представителями, или экземплярами, классов. Метод активизируемый объектом в ответ на сообщение, определяется классом, к которому принадлежит получатель сообщения. Все объекты одного класса используют одни и те же методы в ответ на одинаковые сообщения.

Весь мир - это объекты, которые передают друг другу сообщения

Работников почты и операторов сотовой связи можно представить в виде такой иерархии категорий. Работник почты и оператор сотовой связи - это продавец услуг, продавец услуг - это просто продавец, продавец - это человек, человек - это млекопитающее, млекопитающее - это животное, животное - это материальный объект.

Классы могут быть организованы в иерархическую структуру с наследованием свойств. Дочерний класс (или подкласс) наследует атрибуты родительского класса (или надкласса), расположенного выше в иерархическом дереве.

Принцип, в соответствии с которым знание о более общей категории разрешается использовать для более узкой категории, является вторым принципом ООП, называется наследованием.

Возникают случаи, когда необходимо переопределить способ действия, т.е. необходимо разрешать переопределять информацию, наследуемую из родительских классов. Для поиска метода, подходящего для обработки сообщения, используется следующее правило.

Поиск метода, который вызывается в ответ на определенное сообщение, начинается с методов, принадлежащих классу получателя. Если подходящий метод не найден, то поиск продолжается для родительского класса. Поиск продвигается вверх по цепочке родительских классов до тех пор, пока не будет найден нужный метод или пока не будет исчерпана последовательность родительских классов. В первом случае выполняется найденный метод, во втором - выдается сообщение об ошибке. Если выше в иерархии классов существуют методы с тем же именем, что и текущий, то говорят, что данный метод переопределяет наследуемое поведение.

Тот факт, что Ваш друг студент и оператор почты будет реагировать по разному на просьбу поздравить родственников, является третьим принципом ООП, называемый полиморфизмом.

3. Сущность ОО подхода к программированию

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

Например, если требуется напечатать письмо, для этой цели подойдет простейший текстовый редактор, имеющий минимум возможностей, которым можно за 10 минут обучить даже собственную бабушку; подготовка статьи с формулами потребует освоения более сложного текстового процессора типа Microsoft Word, а для создания рекламной брошюры с иллюстрациями лучше всего подойдет один из издательских пакетов, для овладения которым потребуется не одна неделя. Так и в программировании: идеи ООП не очень просты для понимания и, в особенности, для практического использования (их неграмотное применение приносит гораздо больше вреда, чем пользы), а освоение существующих стандартных библиотек требует времени и достаточно высокого уровня первоначальной подготовки.

Конкретные величины типа данных «класс» называются экземплярами класса, или объектами. Объекты взаимодействуют между собой, посылая и получая сообщения. Сообщение - это запрос на выполнение действия, содержащий набор необходимых параметров. Механизм сообщений реализуется с помощью вызова соответствующих функций. Таким образом, с помощью ООП легко реализуется так называемая «событийно-управляемая модель», когда данные активны и управляют вызовом того или иного фрагмента программного кода¹.

ПРИМЕЧАНИЕ

Примером реализации событийно-управляемой модели может служить любая программа, управляемая с помощью меню. После запуска такая программа пассивно ожидает действий пользователя и должна уметь правильно отреагировать на любое из них. Событийная модель является противоположностью традиционной (директивной), когда код управляет данными: программа после старта предлагает пользователю выполнить некоторые действия (ввести данные, выбрать режим) в соответствии с жестко заданным алгоритмом.

Основными свойствами ООП являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Благодаря тому, что программа представляется в терминах поведения объектов, при программировании используются понятия, более близкие к предметной области, следовательно, программа легче читается и понимается. Это является большим преимуществом ООП. Однако проектирование объектно-ориентированной программы представляет собой весьма сложную задачу, поскольку в процесс добавляется еще один важный этап - разработка иерархии классов.

Плохо спроектированная иерархия приводит к созданию сложных и запутанных программ. Другим препятствием к применению ООП является большой объем информации, которую требуется освоить, и ее значительная сложность.

Основные идеи объектно-ориентированного подхода опираются на следующие положения:

- Программа представляет собой модель некоторого реального процесса, части реального мира.

- Модель реального мира или его части может быть описана как совокупность взаимодействующих между собой объектов.

- Объект описывается набором параметров, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций (действий), которые может выполнять объект.

- Взаимодействие между объектами осуществляется посылкой специальных сообщений от одного объекта к другому. Сообщение, полученное объектом, может потребовать выполнения определенных действий, например, изменения состояния объекта.

- Объекты, описанные одним и тем же набором параметров и способные выполнять один и тот же набор действий представляют собой класс однотипных объектов.

Основополагающей идеей объектно-ориентированного подхода является объединение данных и действий, производимых над этими данными, в единое целое, которое называется объектом.

Функции объекта, называемые в C++ методами или функциями-членами, обычно предназначены для доступа к данным объекта. Если необходимо считать какие-либо данные объекта, нужно вызвать соответствующий метод, который выполнит считывание и возвратит требуемое значение. Прямой доступ к данным невозможен. Данные сокрыты от внешнего воздействия, что защищает их от случайного изменения. Говорят, что данные и методы инкапсулированы. Термины сокрытие и инкапсуляция данных являются ключевыми в описании объектно-ориентированных языков.

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

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

Если необходимо изменить данные объекта, то, очевидно, это действие также будет возложено на методы объекта. Никакие другие функции не могут изменять данные класса. Такой подход облегчает написание, отладку и использование программы.

Типичная программа на языке C++ состоит из совокупности объектов, взаимодействующих между собой посредством вызова методов друг друга. Структура программы на C++ приводится на рис. 1.

Рис. 1. Объектно-ориентированный подход

ООП: подход к организации программы. Объектно-ориентированное программирование никак не связано с процессом выполнения программы, а является лишь способом ее организации.

Объекты. При решении задачи с помощью объектно-ориентированного метода вместо проблемы разбиения задачи на функции возникает проблема разбиения ее на объекты. Мышление в терминах объектов оказывается гораздо более простым и наглядным, чем в терминах функций, поскольку программные объекты схожи с объектами реального мира.

Соответствие между программными и реальными объектами является следствием объединения данных и функций. Получающиеся в результате такого объединения объекты в свое время произвели фурор, ведь ни одна программная модель, созданная на основе процедурного подхода, не отражала существующие вещи столь точно, как это удалось сделать с помощью объектов.

Классы. Когда мы говорим об объектах, мы говорим, что они являются экземплярами классов. Рассмотрим следующую аналогию. Практически все языки программирования имеют стандартные типы данных; например, в C++ есть целый тип int. Мы можем определять переменные таких типов в наших программах:

int day;

int count;

int divisor;

int answer;

Подобным же образом мы можем определять объекты класса (рис. 2). Класс является своего рода формой, определяющей, какие данные и функции будут включены в объект класса. При объявлении класса не создаются никакие объекты этого класса, по аналогии с тем, что существование типа int еще не означает существование переменных этого типа.

Рис. 2. Класс и его объекты

Таким образом, класс является описанием совокупности сходных между собой объектов. Это соответствует нестрогому в техническом смысле пониманию термина «класс»: например, Зидан, Рональдо, Щевченко относятся к классу футболистов. Не существует конкретного человека с именем «футболист», однако люди со своими уникальными именами являются объектами этого класса, если они обладают определенным набором характеристик. Объект класса также называют экземпляром класса.

Наследование. Понятие класса приводит нас к понятию наследования. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с разбиением классов на подклассы: например, класс животные можно разбить на подклассы млекопитающие, земноводные, насекомые, птицы и т. д. Класс наземный транспорт делится на классы автомобили, грузовики, автобусы, мотоциклы и т. д.

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

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

Принцип, положенный в основу такого деления, заключается в том, что каждый подкласс обладает свойствами, присущими тому классу, из которого выделен данный подкласс. Автомобили, грузовики, автобусы и мотоциклы обладают колесами и мотором, являющимися характеристиками наземного транспорта. Кроме тех свойств, которые являются общими у данных класса и подкласса, подкласс может обладать и собственными свойствами: например, автобусы имеют большое число посадочных мест для пассажиров, в то время как грузовики обладают значительным пространством и мощностью для перевозки тяжеловесных грузов и т. д.

Подобно этому, в программировании класс также может породить множество подклассов. В C++ класс, который порождает все остальные классы, называется базовым классом; остальные классы наследуют его свойства, одновременно обладая собственными свойствами. Такие классы называются производными.

Рис. 3. Наследование

Производные классы имеют свойства как унаследованные от базового класса, так и свои собственные.

Базовый класс содержит элементы, общие для группы производных классов. Роль наследования в ООП - сократить размер кода и упростить связи между элементами программы.

Повторное использование кода. Разработанный класс может быть использован в других программах. Это свойство называется возможностью повторного использования кода.

В ООП концепция наследования открывает новые возможности повторного использования кода. Программист может взять существующий класс, и, ничего не изменяя, добавить в него свои элементы. Все производные классы унаследуют эти изменения, и в то же время каждый из производных классов можно модифицировать отдельно.

Предположим, что разработали класс, представляющий систему меню, аналогичную графическому интерфейсу Microsoft Windows или другому графическому интерфейсу пользователя (GUI). Вы не хотите изменять этот класс, но вам необходимо добавить возможность установки и снятия флажков. В этом случае вы создаете новый класс, наследующий все свойства исходного класса, и добавляете в него необходимый код.

Легкость повторного использования кода уже написанных программ является важным достоинством ООП.

Пользовательские типы данных. Одним из достоинств объектов является то, что они дают пользователю возможность создавать свои собственные типы данных. Представьте себе, что вам необходимо работать с объектами, имеющими две координаты, например х и у. Вам хотелось бы совершать обычные арифметические операции над такими объектами, например:

pos3 = pos1 + pos2

где переменные pos1, pos2 и pos3 представляют собой наборы из двух координат. Описав класс, включающий в себя пару координат, и объявив объекты этого класса с именами pos1, pos2 и pos3, фактически создадим новый тип данных. В C++ имеются средства, облегчающие создание подобных типов данных.

Полиморфизм и перегрузка.

Надо отметить, что операции присваивания = и сложения + для типа pos должны выполнять действия, отличающиеся от тех, которые они выполняют для объектов стандартных типов, например int. Объекты pos не являются стандартными, поскольку определены пользователем как принадлежащие классу pos. Как же операторы = и + распознают, какие действия необходимо совершить над операндами? Ответ заключается в том, что мы сами можем задать эти действия, сделав нужные операторы методами класса pos.

Использование операций и функций различным образом в зависимости от того, с какими типами величин они работают, называется полиморфизмом. Когда существующая операция, например = или +, наделяется возможностью совершать действия над операндами нового типа, говорят, что такая операция является перегруженной. Перегрузка представляет собой частный случай полиморфизма и является важным инструментом ООП.

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

Понятие полиморфизма используется в C++ весьма широко. Простым примером полиморфизма может служить рассмотренная нами ранее перегрузка функций, когда из нескольких вариантов выбирается наиболее подходящая функция по соответствию ее прототипа передаваемым параметрам. Другой пример - использование шаблонов функций, когда один и тот же код видоизменяется в соответствии с типом, переданным в качестве параметра. Чаще всего понятие полиморфизма связывают с механизмом виртуальных методов.

С точки зрения языка программирования класс объектов можно рассматривать как тип данного, а отдельный объект - как данное этого типа. Определение программистом собственных классов объектов для конкретного набора задач должно позволить описывать отдельные задачи в терминах самого класса задач (при соответствующем выборе имен типов и имен объектов, их параметров и выполняемых действий).

Таким образом, объектно-ориентированный подход предполагает, что при разработке программы должны быть определены классы используемых в программе объектов и построены их описания, затем созданы экземпляры необходимых объектов и определено взаимодействие между ними.

Классы объектов часто удобно строить так, чтобы они образовывали иерархическую структуру. Например, класс “Студент”, описывающий абстрактного студента, может служить основой для построения классов “Студент 1 курса”, “Студент 2 курса” и т.д., которые обладают всеми свойствами студента вообще и некоторыми дополнительными свойствами, характеризующими студента конкретного курса. При разработке интерфейса с пользователем программы могут использовать объекты общего класса “Окно” и объекты классов специальных окон, например, окон информационных сообщений, окон ввода данных и т.п. В таких иерархических структурах один класс может рассматриваться как базовый для других, производных от него классов. Объект производного класса обладает всеми свойствами базового класса и некоторыми собственными свойствами, он может реагировать на те же типы сообщений от других объектов, что и объект базового класса и на сообщения, имеющие смысл только для производного класса. Обычно говорят, что объект производного класса наследует все свойства своего базового класса.

Некоторые параметры объекта могут быть локализованы внутри объекта и недоступны для прямого воздействия извне объекта. Например, во время движения объекта-автомобиля объект-водитель может воздействовать только на ограниченный набор органов управления (рулевое колесо, педали газа, сцепления и тормоза, рычаг переключения передач) и ему недоступен целый ряд параметров, характеризующих состояние двигателя и автомобиля в целом.

Очевидно, для того, чтобы продуктивно применять объектный подход для разработки программ, необходимы языки программирования, позволяющие строить описание классов объектов, образовывать данные объектных типов, выполнять операции над объектами.

ОО языки программирования являются развивающимися языками. Наиболее распространенными в настоящее время являются системы программирования фирмы Borland, такие как Borland C++. Это связано прежде всего наличием в ней развитой IDE, объединяющей текстовый редактор, компилятор, редактор связей (компоновщик) и отладочные средства.

4. Характеристики ООП

Рассмотрим несколько основных элементов, входящих в состав объектно-ориентированных языков, в частности в состав языка C++.

· Все является объектом.

· Вычисления осуществляются путем взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некое действие. Объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения. Сообщения - это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия.

· Каждый объект является представителем класса, который выражает общие свойства объектов.

· В классе задается поведение (функциональность) объекта. Тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия.

· Классы организованы в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования. Память и поведение, связанное с экземплярами определенного класса, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.

Традиционная модель, описывающая выполнение программы на компьютере, базируется на дуализме - процесс-состояние. С этой точки зрения компьютер является администратором данных, следующим некоторому набору инструкций. В рамках ООП мы никогда не поминаем адреса ячеек памяти, переменные, присваивания.

Вместо процессора, мы получаем набор объектов, которые обращаются друг к другу выполнить те или иные действия.

При ООП мы считаем, что вычисление есть моделирование.

Конечно, объекты не могут во всех случаях реагировать на сообщение только тем, что обращаются друг к другу с просьбой выполнить некоторое действие. Это приведет к бесконечному циклу запросов. На некоторой стадии объекты должны выполнять некоторые действия перед пересылкой запросов другим объектам.

При традиционном подходе сложность программы усложняется большим числом перекрестных ссылок. Перекрестные ссылки обозначают зависимость одного фрагмента кода от другого. Даже самый независимый фрагмент кода часто невозможно понять в изоляции от других.

Главный механизм борьбы со сложностью - это абстрагирование, т.е. способность отделить логический смысл фрагмента программы от проблемы его реализации. От процедур к модулям, далее к абстрактным данным и, наконец, к объектам.

Процедуры и функции были первыми механизмами абстрагирования. Процедуры позволяют сконцентрировать в одном месте работу, которая выполняется многократно, а затем многократно использовать этот код.

Данные не могут быть локальными, потому что являются общими для всех процедур. Данные должны содержаться в глобальных переменных. Однако, если переменные глобальные - нет способа ограничить доступ к ним или их видимость. Если имя переменной datastack, об этом должны знать все программисты, чтобы не создать переменные с таким именем.

Модули можно рассматривать как улучшенный метод создания и управления совокупности имен и связанными с ними значениями. Если рассматривать модуль как абстрактную концепцию, то ее суть состоит в разбиении пространства имен на две части. Открытая (public) часть является доступной извне модуля, закрытая (private) часть доступна только внутри модуля. Типы, данные и процедуры могут быть к любому из этих двух частей.

Модули решают некоторые, но не все проблемы разработки программного обеспечения. Механизм модуля, позволяя маскировать данные, не позволяет размножать экземпляры.

Абстрактный тип данных задается программистом. С данными абстрактного типа можно манипулировать так же, как и с данными типов, встроенных в систему. Пользователю разрешается создавать переменные, которые принимают значения из допустимого множества, и манипулировать ими, использовать имеющиеся операции. Чтобы построить абстрактный тип данных, мы должны иметь:

· Экспортировать определение типа данных

· Делать доступным набор операций, использующихся для манипулирования экземплярами типа данных.

· Защищать данные, связанные с типом данных, чтобы с ними можно было работать только через указанные подпрограммы.

· Создавать несколько экземпляров абстрактного типа данных.

Объекты - это почти абстрактный тип данных, но дополненный некоторыми новшествами.

ООП добавляет идеи к абстрактному типу данных. Главная из них - пересылка сообщений. Действие инициируется по запросу, обращенному к конкретному объекту, а не через вызов функции. К пересылке сообщения добавляется переопределение имен и механизмы совместного/многократного использования кода.

Интерпретация сообщений меняется для различных объектов.

Добавляются механизмы наследования и полиморфизма. Наследование позволяет различным типам данных совместно использовать один и тот же код, приводя к уменьшению его размера и повышению функциональности. Полиморфизм обеспечивает, чтобы общий код удовлетворял конкретным особенностям отдельных типов данных.

Многократное использование - это цель, к которой все стремятся, но редко достигают. ООП обеспечивает механизм для отделения существенной информации от специализированной (например, конкретный формат данных).

5. Резюме

ООП - это не просто набор некоторых свойств, добавленных в уже существующие языки. Это новый шаг в осмыслении задач и разработки ПО.

Программы - это совокупность взаимодействующих объектов. Каждый объект отвечает за конкретную задачу. Вычисление осуществляется посредством взаимодействия объектов. Объект получается в результате инкапсуляции состояния (данных) и поведения (операций), во многом аналогично абстрактному типу данных. Поведение объекта диктуется классом. Данные и поведение представлены в виде классов, экземпляры которых - объекты. Все экземпляры одного класса будут вести себя одинаковым образом в ответ на одинаковые запросы.

Объект проявляет свое поведение путем вызова метода в ответ на сообщение. Интерпретация сообщения зависит от объекта и может быть различной для различных классов объектов.

Для удобства создания нового типа из уже существующих типов, определенных пользователем используется механизм наследования. Классы могут быть организованы в виде иерархического дерева наследования.

С помощью уменьшения взаимозависимости ООП позволяет разрабатывать системы, пригодные для многократного использования.

ООП - это взгляд на программирование, сосредоточенный на данных; в котором данные и поведение жестко связаны. Для этого необходимо, чтобы объекты определялись вместе с сообщениями, на которые они могут реагировать.

Объектно-ориентированная парадигма предлагает новый подход к разработке программного обеспечения. Фундаментальная концепция объектно-ориентированной парадигмы состоит в передаче сообщений объектам.

Таким образом, Объектно-ориентированный язык должен обладать свойствами абстракции, инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция с сокрытием данных - способность отличать внутреннее состояние объекта и поведение от его внешнего состояния и поведения

Абстракция - расширяемость типов - способность добавлять типы, определяемые пользователем для того, чтобы дополнить ими встроенные типы. Один из принципов ООП заключается в том, чтобы типы, определяемые пользователем, должны обладать теми же привилегиями, что и встроенные типы.

Наследование - способность создавать новые типы, повторно используя, описание существующих типов.

Полиморфизм с динамическим (поздним) связыванием - способность объектов быть ответственными за интерпретацию вызова функции

Принципы Объектно-ориентированного подхода:

Действие в объектно-ориентированном программировании инициируется посредством передачи сообщений объекту. Сообщение содержит запрос на осуществление действия. В качестве реакции на сообщение получатель запустит некоторый метод, чтобы удовлетворить принятый запрос.

Все объекты являются экземплярами, классов. Все объекты одного класса используют одни и те же методы в ответ на одинаковые сообщения.

Принцип наследования. Классы могут быть организованы в иерархическую структуру с наследованием свойств. Дочерний класс наследует атрибуты родительского класса.

Принцип полиморфизма. Объекты реагируют на одно и тоже сообщение строго специфичным для них образом.