Объектно ориентированный стиль программирования. Основные принципы ооп и их использование. Основные концепции ООП
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.
Из своего опыта могу сказать, что всегда считал что понимал ООП, что же тут такого то - полиморфизм, инкапсуляция и наследование, но вот когда дошло до дела, то туговато пришлось. Хочу разложить всё по полочкам чтобы никто не наступил на мои грабли в будущем:)
Шаг 1.
Немного теории:
Объектно-ориентированное программирование (в дальнейшем ООП) - парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов.
В центре ООП находится понятие объекта.
Объект - это сущность, экземпляр класса, которой можно посылать сообщения и которая может на них реагировать, используя свои данные. Данные объекта скрыты от остальной программы. Сокрытие данных называется инкапсуляцией.
Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности - для этого требуется наличие наследования.
Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм, то есть возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию.
Хочу выделить что очень часто натыкаюсь на мнение, что в ООП стоит выделять еще одну немаловажную характеристику - абстракцию. Официально её не вносили в обязательные черты ООП, но списывать ее со счетов не стоит.
Абстрагирование - это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения не значимые Соответственно, абстракция - это набор всех таких характеристик.
Инкапсуляция - это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними в классе, и скрыть детали реализации от пользователя.
Наследование - это 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 или производным классом
Полиморфизм - это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.
Шаг 2.
Инкапсуляция.
Инкапсуляция позволит скрыть детали реализации, и открыть только то что необходимо в последующем использовании. Другими словами инкапсуляция – это механизм контроля доступа.
Зачем же это нужно?
Думаю, вам бы не хотелось, чтобы кто-то, что-то изменял в написанной вами библиотеки.
И если это опытный программист, то это простить еще можно, но все равно не приятно, а вот если это начинающий или не осторожный который с легкой руки задумает изменить код, да ещё не в ту степь, нам ведь такого не хочется! Чтобы обезопасить себя от таких поступков, существует инкапсуляция.
Цель инкапсуляции – уйти от зависимости внешнего интерфейса класса (то, что могут использовать другие классы) от реализации. Чтобы малейшее изменение в классе не влекло за собой изменение внешнего поведения класса. Давайте рассмотрим, как ею пользоваться.
Существует 4 вида модификаторов доступа: public , protected , private и default .
Public – уровень предполагает доступ к компоненту с этим модификатором из экземпляра любого класса и любого пакета.
Protected – уровень предполагает доступ к компоненту с этим модификатором из экземпляров родного класса и классов-потомков, независимо от того, в каком пакете они находятся.
Default – уровень предполагает доступ к компоненту с этим модификатором из экземпляров любых классов, находящихся в одном пакете с этим классом.
Private – уровень предполагает доступ к компоненту с этим модификатором только из этого класса.
Public class Human { public String name; protected String surname; private int age; int birthdayYear; }
public String name; - имя, которое доступное из любого места в приложении.
protected String surname; - фамилия доступна из родного класса и потомков.
private int age; - возраст доступен только в рамках класса Human.
int birthdayYear; - хоть не указывается явный модификатор доступа, система понимает его как default, год рождения будет доступен всему пакету, в котором находится класс Human.
Для разных структурных элементов класса предусмотрена возможность применять только определенные уровни модификаторов доступа.
Для класса - только public и default.
Для атрибутов класса - все 4 вида.
Для конструкторов - все 4 вида.
Для методов - все 4 вида.
Шаг 3.
Наслед ование.
Наследование - это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него.
Наследование является важным, поскольку оно позволяет поддерживать концепцию иерархии классов (hierarchical classification). Применение иерархии классов делает управляемыми большие потоки информации.
Разберем этот механизм на классическом примере: Геометрические фигуры.
У нас есть интерфейс Figure:
Public interface Figure { public void draw (); public void erase (); public void move (); public String getColor (); public boolean setColor (); }
Интерфейс (более детально будут рассмотрены в скором будущем ) - нам говорит, как должен выглядеть класс, какие методы в себе содержать, какими переменными и типами данных манипулировать. Сам интерфейс не реализует методы, а создает как бы скелет для класса, который будет расширять этот интерфейс. Есть класс Figure, который расширяет интерфейс Figure:
Public class Figure implements сайт.oop.inheritance.interfaces.Figure{ @Override public void draw() { //need to implement } @Override public void erase() { //need to implement } @Override public void move(int pixel) { //need to implement } @Override public String getColor() { return null; } @Override public boolean setColor(String colour) { return false; } }
В этом классе мы реализуем все методы интерфейса Figure .
public class Figure implements сайт.oop.inheritance.interfaces.Figure - с помощью ключевого слова implements мы перенимаем методы интерфейса Figure для реализации.
Важно:
в классе должны быть все методы интерфейса, даже если некоторые еще не реализованы, в противном случае компилятор будет выдавать ошибку и просить подключить все методы. Тело методов можно изменить только в интерфейсе, здесь только реализация.
@
Override
- аннотация которая говорит что метод переопределен.
И соответственно у нас есть 3 класса самих фигур, которые наследуются от класса Figure. Класс Figure является родительским классом или классом-родителем, а классы Circle, Rectungle и Triangle - являются дочерними.
Public class Circle extends Figure { @Override public void draw() { super.draw(); } @Override public void erase() { super.erase(); } @Override public void move(int pixel) { super.move(pixel); } @Override public String getColor() { return super.getColor(); } @Override public boolean setColor(String colour) { return super..oop.inheritance.Figure{ @Override public void draw() { super.draw(); } @Override public void erase() { super.erase(); } @Override public void move(int pixel) { super.move(pixel); } @Override public String getColor() { return super.getColor(); } @Override public boolean setColor(String colour) { return super..oop.inheritance.Figure{ @Override public void draw() { super.draw(); } @Override public void erase() { super.erase(); } @Override public void move(int pixel) { super.move(pixel); } @Override public String getColor() { return super.getColor(); } @Override public boolean setColor(String colour) { return super.setColor(colour); } }
public class Triangle extends сайт.oop.inheritance.Figure - это значит, что класс Triangle наследует класс Figure .
super.setColor(colour); - super модификатор, позволяющий вызывать методы из класса родителя.
Теперь каждый класс перенял свойства класса Figure. Что собственно это нам дало?
Значительно уменьшило время разработки классов самих фигур, дало доступ к полям и методам родительского класса.
Наверное возник вопрос: чем же extends отличается от implements ?
Extends дает нам намного гибче подход. Мы используем только те методы, что нам нужны, в любой момент мы можем изменить каркас и тело метода, или добавить совсем новый метод, который возможно будет использовать информацию от класса родителя, а implements все лишь формирует тело класса.
В дочерних классах мы можем спокойно добавлять новые интересующие нас методы. Например, мы хотим добавить в класс Triangle 2-а новых метода: flimHorizontal () и flipVertical ():
/** * New Method */ public void flipVertical () { }; /** * New Method */ public void flipHorizontal () { };
Теперь эти 2-а метода принадлежат сугубо классу Triangle . Этот подход используется когда базовый класс не может решить всех проблем.
Или можно использовать другой подход, изменить или переписать методы в дочерним классе:
Довольно интересный факт: в java запрещено множественное наследование, но любой из классов по умолчанию наследуется то класса Object . То есть при наследовании любого класса у нас получается множественное наследование)
Но не стоит забивать этим голову!
Шаг 4.
Полиморфизм.
В более 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 того же интерфейса для задания единого класса действий. Выбор же конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор.
Вам, как программисту, не нужно делать этот выбор самому. Нужно только помнить и использовать общий интерфейс.
Public class Parent { int a = 2; } public class Child extends Parent { int a = 3; }
Прежде всего, нужно сказать, что такое объявление корректно.
Наследники могут объявлять поля с любыми именами, даже совпадающими с родительскими. Объекты класса Child будут содержать сразу две переменных, а поскольку они могут отличаться не только значением, но и типом (ведь это два независимых поля), именно компилятор будет определять, какое из значений использовать.
Компилятор может опираться только на тип ссылки, с помощью которой происходит обращение к полю:
Child c = new Child(); System.out.println(c.a); // результатом будет 3 Parent p = c; System.out.println(p.a); //результатом будет 2
Данное объявление так и называется – «скрывающим ». Родительское поле продолжает существовать.
К нему можно обратиться явно:
Class Child extends Parent { int a = 3; //скрывающее объявление int b = ((Parent)this).a; //громоздкое обращение к родительскому полю int c = super.a; //простое обращение к родительскому полю }
Переменные b и c получат значения, родительского поля a . Хотя выражение с super более простое, оно не позволит обратиться на два уровня вверх по дереву наследования.
А ведь вполне возможно, что в родительском классе это поле также было скрывающим и в родителе родителя храниться ещё одно значение.
К нему можно обратиться явным приведением, как это делается для b .
Class Parent { int x = 0; public void printX() { System.out.println(x); } } class Child extends Parent { int x = -1; }
Каков будет результат для new Child.printX() ; ?
Метод вызывается с помощью ссылки типа Child , но метод определен в классеParent и компилятор расценивает обращение к полю x в этом методе именно как к полю класса Parent . Результатом будет 0 .
Рассмотрим случай переопределения методов:
Class Parent { public int getValue() { return 0; } } class Child extends Parent { public int getValue() { return 1; } } Child c = new Child(); System.out.println(c.getValue()); // результатом будет 1 Parent p = c; System.out.println(p.getValue()); // результатом будет 1
Родительский метод полностью перекрыт.
В этом ключевая особенность полиморфизма – наследники могут изменить родительское поведение, даже если обращение к ним производиться по ссылке родительского типа.
Хотя старый метод снаружи недоступен, внутри класса-наследника к нему можно обратиться с помощью super .
Статические методы, подобно статическим полям принадлежат классу и появление наследников на них не сказывается. Статические методы не могут перекрывать обычные методы и наоборот.
Шаг 5.
Абстракция:
Как говорилось в начале статьи, нельзя игнорировать абстракцию, а значит и абстрактные классы и методы.
В контексте ООП абстракция - это обобщение данных и поведения для типа, находящегося выше текущего класса по иерархии.
Перемещая переменные или методы из подкласса в супер класс, вы обобщаете их. Это общие понятия, и они применимы в языке Java. Но язык добавляет также понятия абстрактных классов и абстрактных методов .
Абстрактный класс является классом, для которого нельзя создать экземпляр.
Например, вы можете создать класс Animal (животное). Нет смысла создавать экземпляр этого класса: на практике вам нужно будет создавать экземпляры конкретных классов , например, Dog (собака). Но все классы Animal имеют некоторые общие вещи, например, способность издавать звуки. То, что Animal может издавать звуки, еще ни о чем не говорит.
Издаваемый звук зависит от вида животного.
Как это смоделировать?
Определить общее поведение в абстрактном классе и заставить подклассы реализовывать конкретное поведение, зависящее от их типа.
В иерархии могут одновременно находиться как абстрактные, так и конкретные классы.
Использование абстракции:
Наш класс Person содержит некоторый метод поведения, и мы пока не знаем, что он нам необходим. Удалим его и заставим подклассы реализовывать это поведение полиморфным способом. Мы можем сделать это, определив методы Person как абстрактные. Тогда наши подклассы должны будут реализовывать эти методы.
Public abstract class Person { abstract void move(); abstract void talk(); } public class Adult extends Person { public Adult() { } public void move() { System.out.println("Walked."); } public void talk() { System.out.println("Spoke."); } } public class Baby extends Person { public Baby() { } public void move() { System.out.println("Crawled."); } public void talk() { System.out.println("Gurgled."); } }
Что мы сделали в приведенном выше коде?
Мы изменили Person и указали методы как abstract , заставив подклассы реализовывать их.
Мы сделали Adult подклассом Person и реализовали эти методы.
Мы сделали Baby подклассом Person и реализовали эти методы.
Объявляя метод абстрактным, вы требуете от подклассов либо реализации этого метода, либо указания метода в этих подклассах абстрактным и передачи ответственности по реализации метода к следующим подклассам. Можно реализовать некоторые методы в абстрактном классе и заставить подклассы реализовывать остальные. Это зависит от вас. Просто объявите методы, которые не хотите реализовывать, как абстрактные и не предоставляйте тело метода. Если подкласс не реализует абстрактный метод супер класса, компилятор выдаст ошибку.
Теперь, поскольку Adult и Baby являются подклассами Person , мы можем обратиться к экземпляру каждого класса как к типу Person.
Этой статьей я начинаю серию публикаций о теории объектно-ориентированной методологии разработки программного обеспечения. Сегодня речь пойдет об одной из основных концепций ООП — объекте
.
Объекты в ООП — это объекты реального мира
Любые программные системы предназначены для моделирования реальных систем, поэтому очень важно в каких терминах мы пытаемся описать эти реальные системы. Описание в виде последовательности действий (процедурный подход к программированию) оказался довольно сложным. Объектно-ориентированный подход предлагает описывать системы в виде взаимодействия объектов.
Предположим что нам нужно разработать систему автоматизации банка. Эта система могла быть осуществлена следующим образом:
В операции снятия денег через банкомат участвуют 3 объекта : «клиент Иванов», «банкомат на Тверской» и «счет № 66579801», который открыт в данном банке для Иванова. Подойдя к банкомату и засунув свою карточку, объект «клиент Иванов» посылает банкомату сообщение «Начать работу». Получив такое сообщение, банкомат выводит на экран какую-нибудь информацию и запрашивает код доступа, т.е объект «банкомат на Тверской» посылает сообщение объекту «клиент Иванов» — «Сообщить идентификационный код». Если идентификация прошла успешно, «клиент Иванов» просит выдать ему 1000 рублей. Он посылает сообщение об этом банкомату, а тот в свою очередь объекту «счет № 66579801». Приняв это сообщение объект «счет № 66579801» проверяет есть ли у него 1000 рублей, и, если есть, пересылает разрешение на снятие денег, одновременно уменьшая свой баланс на соответствующую сумму. Банкомат передает деньги и на этом процедура заканчивается.
Объекты выполняют необходимые действия передавая друг другу сообщения.
Описание в виде объектов позволяет определить различные компоненты системы. Те же самые объекты — «счет № 66579801» и «клиент Иванов» — будут учавствовать в другой операции при которой клиент приходит в отделение банка для снятие или зачисления денег на свой счет.
Приведенная ситуация является ярким примером сущности понятия «объект в ООП «. Сложно дать четкое определение этому понятию, приведу цитату этого определения Ивара Якобсона:
Объект в ООП — это сущность, способная сохранять свое состояние (информацию) и обеспечивающая набор операций (поведение) для проверки и изменения этого состояния.
Объект в объектно-ориентированном программировании — это модель или абстракция реальной сущности в программной системе. Предмет моделирования при построении объекта в ООП может быть различным. Например, могут существовать следующие типы абстракции, используемые при построении объекта:
- абстракция понятия: объект — это модель какого-то понятия предметной области;
- абстракция действия: объект объединяет набор операций для выполнения какой-либо функции;
- абстракция виртуальной машины: объект объединяет операции, которые используются другими, более высокими уровнями абстракции;
- случайная абстракция: объект объединяет не связанные между собой операции.
Состояние объекта в ООП
Каждый объект в ООП характеризуется своим состоянием. Состояние банковского счета — это сумма лежащих на нем денег. Состояние банкомата включает в себя состояние «включен» или «выключен», готов или не готов к принятию запроса, наличию денег в банкомате.
Состояние объекта характеризуется текущим значением его атрибутов . В нашем примере у счета есть атрибут -баланс. В простейшем случае он отражается числом — количеством рублей и копеек на счету. Операция снятия или зачисления на счет изменяет баланс и атрибут объекта «счет № 66579801». У объекта «банкомат на Тверской» есть несколько атрибутов. Количество денег в банкомате может характеризоваться числом. Состояние «включен» или «выключен» и состояние «готов или не готов к принятию запроса» — логическим значением.
Стоит заметить, что атрибутами объекта в ООП могут быть не только простейшие значения (число, логическое значение и т.д.), но и сложные величины или другие объекты. Например, наш банк для целей контроля будет хранить историю всех транзакций. Транзакция — это объект, который имеет атрибуты (характеристики) тип транзакции, сумма переведенных денег, место совершения и имена контрагентов этой операции. У объекта «счет № 66579801» появится новый атрибут — «история транзакций», который будет состоять из набора объектов-транзакций.
Идентификация объектов в ООП
Иногда нужно идентифицировать объекты в ООП, т.е., если имеются два объекта, как можно определить что эти объекты разные. Например, такая процедура очень важна для идентификации банковского счета (объект «счет № 66579801») клиента банка Иванова.
На самом деле существует два вопроса: равны ли два объекта или тождественны.
Обычно для идентификации применяются специальные атрибуты объектов — идентификаторы. Например, для объекта «счет № 66579801» идентификатором является его атрибут «номер счета», который является уникальным (соблюдается требование предметной области).
В свою очередь, зная идентификаторы объектов можно точно определить являются ли они тождественными или нет.
Интерфейс объекта в ООП
Важнейшей характеристикой объекта в ООП является описание того, как он может взаимодействовать с окружающим миром. Это описание называется интерфейсом объекта .
Объекты в ООП взаимодействуют между собой с помощью сообщений. Принимая сообщение, объект выполняет соответствующее действие. Эти действия обычно называются методами .
В нашем примере у объекта «счет № 66579801» есть следующие методы — «снять деньги со счета» и «положить деньги на счет». Эти два метода и составляют интерфейс объекта. У объекта «клиент Иванов» имеется метод «Сообщить свой код». А у объекта «банкомат на Тверской » есть методы «начать работу», «принять деньги», «выдать деньги».
У объекта «счет № 66579801» есть еще один атрибут «баланс». Является ли он частью интерфейса объекта? Интерфейс — это внешнее описание объекта. При разработке банковской системы и, в частности, объекта «счет», мы решаем вопрос: является ли баланс необходимой информацией для других объектов? Очевидно, что является. Тогда нам нужно ответить на еще один вопрос: что именно нужно другим объектам? Остаток денег на счете. В таком случае необходимо добавить еще один метод «сообщить остаток денег на счете» к объекту «счет» , и его интерфейс будет теперь состоять из трех методов.
Таким образом, атрибут баланс не является непосредственно частью интерфейса. Другие объекты могут обратиться к этому атрибуту только опосредственно, с помощью метода «сообщить остаток на счете» (тем самым они не могут непосредственно менять значение этого атрибута).
Наряду с методами и атрибутами, входящими в интерфейс и доступными другим объектам, у объекта могут быть атрибуты предназначенные для внутреннего использования (к ним может обращаться только сам объект). Например, у банкомата очень сложная внутренняя структура, т.е. он имеет огромное количество атрибутов. Но для банковской системы они не важны, и ни клиент, ни объект «счет» не могут к ним обратиться. Они не входят в интерфейс объекта «банкомат».
Время жизни объекта в ООП
В любой системе объекты создаются, функционируют и уничтожаются. В программировании существуют два способа уничтожения объектов:
- Объекты должны уничтожаться явно, с помощью специальных вызовов
- Объекты уничтожаются тогда, когда они никому не нужны (в системе отсутствуют все ссылки на данный объект). Такое уничтожение иногда называется уничтожением по достижимости
Но в тоже время могут существовать объекты, для которых необходимо восстанавливать их предыдущее состояние при новом запуске программы. Для работы с такими объектами применяется метод сериализации , когда значения всех атрибутов записываются, и, при необходимости восстановления объекта, считываются. Схема данного метода представлена ниже.
Существуют, также, и постоянные объекты, которые не уничтожаются при завершении программы и не создаются заново при ее запуске (объекты объектно-ориентированной базы данных). Программа и при первом и при втором запуске обращается к одному и тому же объекту, хранящемуся в постоянной памяти.
Со временем жизни и идентификации объектов тесно связано еще одно понятие — понятие объектов первого и второго сорта или равноправия объектов в системе.
Объект считается самостоятельным или первого сорта, в том случае, если он обладает всеми признаками идентификации объектов, принятыми в данной объектной среде, и время его жизни не связано со временем жизни породившего его объекта.
Композиция объектов в ООП
Объект может состоять из других объектов. Например, банкомат содержит большое количество узлов (атрибутов), т.е он включает в свой состав другие объекты. При этом, банкомат может непосредственно включать в себя другие объекты или же только ссылаться на них.
В следующей статье будут рассмотрены классы в ООП, как способ описания структуры и поведения объектов.
Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть, представленная ниже, посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Основные понятия ООП
Класс
Представьте себе, что вы проектируете автомобиль. Вы знаете, что автомобиль должен содержать двигатель, подвеску, две передних фары, 4 колеса, и т.д. Ещё вы знаете, что ваш автомобиль должен иметь возможность набирать и сбавлять скорость, совершать поворот и двигаться задним ходом. И, что самое главное, вы точно знаете, как взаимодействует двигатель и колёса, согласно каким законам движется распредвал и коленвал, а также как устроены дифференциалы. Вы уверены в своих знаниях и начинаете проектирование.Вы описываете все запчасти, из которых состоит ваш автомобиль, а также то, каким образом эти запчасти взаимодействуют между собой. Кроме того, вы описываете, что должен сделать пользователь, чтобы машина затормозила, или включился дальний свет фар. Результатом вашей работы будет некоторый эскиз. Вы только что разработали то, что в ООП называется класс .
Класс – это способ описания сущности, определяющий состояние и поведение, зависящее от этого состояния, а также правила для взаимодействия с данной сущностью (контракт).
С точки зрения программирования класс можно рассматривать как набор данных (полей, атрибутов, членов класса) и функций для работы с ними (методов).
С точки зрения структуры программы, класс является сложным типом данных.
В нашем случае, класс будет отображать сущность – автомобиль. Атрибутами класса будут являться двигатель, подвеска, кузов, четыре колеса и т.д. Методами класса будет «открыть дверь», «нажать на педаль газа», а также «закачать порцию бензина из бензобака в двигатель». Первые два метода доступны для выполнения другим классам (в частности, классу «Водитель»). Последний описывает взаимодействия внутри класса и не доступен пользователю.
В дальнейшем, несмотря на то, что слово «пользователь» ассоциируется с пасьянсом «Косынка» и «Microsoft Word», мы будем называть пользователями тех программистов, которые используют ваш класс, включая вас самих. Человека, который является автором класса, мы будем называть разработчиком.
Объект
Вы отлично потрудились и машины, разработанные по вашим чертежам, сходят с конвейера. Вот они, стоят ровными рядами на заводском дворе. Каждая из них точно повторяет ваши чертежи. Все системы взаимодействуют именно так, как вы спроектировали. Но каждая машина уникальна. Они все имеют номер кузова и двигателя, но все эти номера разные, автомобили различаются цветом, а некоторые даже имеют литьё вместо штампованных дисков. Эти автомобили, по сути, являются объектами вашего класса.Объект (экземпляр) – это отдельный представитель класса, имеющий конкретное состояние и поведение, полностью определяемое классом.
Говоря простым языком, объект имеет конкретные значения атрибутов и методы, работающие с этими значениями на основе правил, заданных в классе. В данном примере, если класс – это некоторый абстрактный автомобиль из «мира идей», то объект – это конкретный автомобиль, стоящий у вас под окнами.
Интерфейс
Когда мы подходим к автомату с кофе или садимся за руль, мы начинаем взаимодействие с ними. Обычно, взаимодействие происходит с помощью некоторого набора элементов: щель для приёмки монеток, кнопка выбора напитка и отсек выдачи стакана в кофейном автомате; руль, педали, рычаг коробки переключения передач в автомобиле. Всегда существует некоторый ограниченный набор элементов управления, с которыми мы можем взаимодействовать.Интерфейс – это набор методов класса, доступных для использования другими классами.
Очевидно, что интерфейсом класса будет являться набор всех его публичных методов в совокупности с набором публичных атрибутов. По сути, интерфейс специфицирует класс, чётко определяя все возможные действия над ним.
Хорошим примером интерфейса может служить приборная панель автомобиля, которая позволяет вызвать такие методы, как увеличение скорости, торможение, поворот, переключение передач, включение фар, и т.п. То есть все действия, которые может осуществить другой класс (в нашем случае – водитель) при взаимодействии с автомобилем.
При описании интерфейса класса очень важно соблюсти баланс между гибкостью и простотой. Класс с простым интерфейсом будет легко использовать, но будут существовать задачи, которые с помощью него решить будет не под силу. В то же время, если интерфейс будет гибким, то, скорее всего, он будет состоять из достаточно сложных методов с большим количеством параметров, которые будут позволять делать очень многое, но использование его будет сопряжено с большими сложностями и риском совершить ошибку, что-то перепутав.
Примером простого интерфейса может служить машина с коробкой-автоматом. Освоить её управление очень быстро сможет любая блондинка, окончившая двухнедельные курсы вождения. С другой стороны, чтобы освоить управление современным пассажирским самолётом, необходимо несколько месяцев, а то и лет упорных тренировок. Не хотел бы я находиться на борту Боинга, которым управляет человек, имеющий двухнедельный лётный стаж. С другой стороны, вы никогда не заставите автомобиль подняться в воздух и перелететь из Москвы в Вашингтон.
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.
