Понятие объектно-ориентированного программирования

По определению авторитета в области объектно-ориентированных методов разработки программ Гради Буча «объектно-ориентированное программирование (ООП) – это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией определенного класса (типа особого вида), а классы образуют иерархию на принципах наследуемости».

Объектно-ориентированная методология так же, как и структурная методология, была создана с целью дисциплинировать процесс разработки больших программных комплексов и тем самым снизить их сложность и стоимость.

Объектно-ориентированная методология преследует те же цели, что и структурная, но решает их с другой отправной точки и в большинстве случаев позволяет управлять более сложными проектами, чем структурная методология.

Как известно, одним из принципов управления сложностью проекта является декомпозиция. Гради Буч выделяет две разновидности декомпозиции: алгоритмическую (так он называет декомпозицию, поддерживаемую структурными методами) и объектно-ориентированную, отличие которых состоит, по его мнению, в следующем: «Разделение по алгоритмам концентрирует внимание на порядке происходящих событий, а разделение по объектам придает особое значение факторам, либо вызывающим действия, либо являющимся объектами приложения этих действий».

Другими словами, алгоритмическая декомпозиция учитывает в большей степени структуру взаимосвязей между частями сложной проблемы, а объектно-ориентированная декомпозиция уделяет больше внимания характеру взаимосвязей.

На практике рекомендуется применять обе разновидности декомпозиции: при создании крупных проектов целесообразно сначала применять объектно-ориентированный подход для создания общей иерархии объектов, отражающих сущность программируемой задачи, а затем использовать алгоритмическую декомпозицию на модули для упрощения разработки и сопровождения программного комплекса.

ОО-программирование является, несомненно, одним из наиболее интересных направлений для профессиональной разработки программ.

Объекты и классы

Базовыми блоками объектно-ориентированной програм­мы являются объекты и классы. Содержательно объект мож­но представить как что-то ощущаемое или воображаемое и имеющее хорошо определенное поведение. Таким образом, объект можно либо увидеть, либо потрогать, либо, по край­ней мере, знать, что он есть, например, представлен в виде информации, хранимой в памяти компьютера. Дадим определение объекта, придерживаясь мнения Гради Буча: «Объект – осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение».

Объект — это часть окружающей нас реальности, т. е. он существует во времени и в пространстве (впервые понятие объекта в про­граммировании введено в языке Simula ). Формально объект определить довольно трудно. Это можно сделать че­рез некоторые свойства, а именно: объект имеет состояние, поведение и может быть однозначно идентифицирован (дру­гими словами, имеет уникальное имя).

Класс — это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. Класс — описание (абстракция), которое показывает, как построить существующую во време­ни и пространстве переменную этого класса, называемую объектом. Смысл предложений «описание переменных клас­са» и «описание объектов класса» один и тот же.

Объект имеет состояние, поведение и паспорт (средство для его однозначной идентификации); структура и поведение объектов описаныв классах, переменными которых они яв­ляются .

Определим теперь понятиясостояния, поведения и иденти­фикации объекта.

Состояние объекта объединяет все его поля данных (статический компонент, т.е. неизменный) и текущие значения каждо­го из этих полей (динамический компонент, т.е. обычно изменяющийся).

Поведение выражает динамику изменения состояний объ­екта и его реакцию на поступающие сообщения, т.е. как объект изменяет свои состояния и взаи­модействует с другими объектами.

Идентификация (рас­познавание) объекта — это свойство, которое позволяет от­личить объект от других объектов того же или других клас­сов. Осуществляется идентификация посредством уникального имени (паспорта), которым наделяется объект в программе, впрочем как и любая другая переменная.

Выше уже говорилось, что процедурный (а также и мо­дульный) подход позволяет строить программы, состоящие из набора процедур (подпрограмм), реализующих заданные алгоритмы. С другой стороны, объектно-ориентированный подход представляет программы в виде набора объектов, взаимодействующих между собой. Взаимодействие объектов осуществляется через сообщения. Предположим, что нашим объектом является окружность. Тогда сообщение, посланное этому объекту, может быть следующим: «нарисуй себя». Ко­гда мы говорим, что объекту передается сообщение, то на самом деле мы вызываем некоторуюфункцию этого объекта (компонент-функцию). Так, в приведенном выше примере мы вызовем функцию, которая будет рисовать окружность на экране дисплея.

Базовые принципы ООП

К базовым принципам объектно-ориентированного стиля программирования относятся:

· пакетирование или инкапсуляция ;

· наследование ;

· полиморфизм ;

· передача сообщений.

Пакетирование (инкапсуляция)

предполагает соединение в одном объекте данных и функций, которые манипулируют этими данными. Доступ к некоторым данным внутри пакета может быть либо запрещен, либо ограничен.

Объект характеризуется как совокупностью всех своих свойств (например, для животных – это наличие головы, ушей, глаз и т.д.) и их текущих значений (голова – большая, уши – длинные, глаза – желтые и т.д.), так и совокупностью допустимых для этого объекта действий (умение принимать пищу, сидеть, стоять, бежать и т.д.). Указанное объединение в едином объекте как «материальных» составных частей (голова, уши, хвост, лапы), так и действий, манипулирующих этими частями (действие «бежать» быстро перемещает лапы) называется инкапсуляцией.

В рамках ООП данные называются полями объекта, а алгоритмы – объектными методами.

Инкапсуляция позволяет в максимальной степени изолировать объект от внешнего окружения. Она существенно повышает надежность разрабатываемых программ, т.к. локализованные в объекте алгоритмы обмениваются с программой сравнительно небольшими объемами данных, причем количество и тип этих данных обычно тщательно контролируется. В результате замена или модификация алгоритмов и данных, инкапсулированных в объект, как правило, не влечет за собой плохо прослеживаемых последствий для программы в целом. Другим немаловажным следствием инкапсуляции является легкость обмена объектами, переноса их из одной программы в другую.

Наследование

И структурная, и объектно-ориентированная методологии преследуют цель построения иерархического дерева взаимосвязей между объектами (подзадачами). Но если структурная иерархия строится по простому принципу разделения целого на составные части,

то при создании объектно-ориентированной иерархии принимается другой взгляд на тот же исходный объект. В объектно-ориентированной иерархии непременно отражается наследование свойств родительских (вышележащих) типов объектов дочерним (нижележащим) типам объектов.

По Гради Бучу «наследование – это такое отношение между объектами, когда один объект повторяет структуру и поведение другого».

Принцип наследования действует в жизни повсеместно и повседневно. Млекопитающие и птицы наследуют признаки живых организмов, в отличие от растений, орел и ворон наследуют общее свойство для птиц – умение летать. С другой стороны, львы, тигры, леопарды наследуют «структуру» и поведение, характерное для представителей отряда кошачьих и т.д.

Типы верхних уровней объектно-ориентированной иерархии, как правило, не имеют конкретных экземпляров объектов. Не существует, например, конкретного живого организма, который бы сам по себе назывался «млекопитающее» или «птица». Такие типы называют абстрактными. Конкретные экземпляры объектов имеют, как правило, типы самых нижних уровней ОО-иерархии: «крокодил Гена» – конкретный экземпляр объекта типа «крокодил», «кот Матроскин» – конкретный экземпляр объекта типа «кошка».

Наследование позволяет использовать библиотеки классов и развивать их (совершенствовать и модифицировать биб­лиотечные классы) в конкретной программе. Наследование позволяет создавать новые объекты, из­меняя или дополняя свойства прежних. Объект-наследник полу­чает все поля и методы предка, но может добавить собст­венные поля, добавить собственные методы или перекрыть своими методами одноименные унаследованные методы.

Принцип наследования решает проблему модификации свойств объекта и придает ООП в целом исключительную гибкость. При работе с объектами программист обычно подбирает объект, наиболее близкий по своим свойствам для решения конкретной задачи, и создает одного или нескольких потомков от него, которые «умеют» делать то, что не реализовано в родителе.

Последовательное проведение в жизнь принципа «наследуй и изменяй» хорошо согласуется с поэтапным подходом к разработке крупных программных проектов и во многом стимулирует такой подход.

Когда вы строите новый класс, наследуя его из сущест­вующего класса, можно:

· добавить в новый класс новые компоненты-данные;

· добавить в новый класс новые компоненты-функции;

· заменить в новом классе наследуемые из старого класса компоненты-функции.

Полиморфизм

позволяет использовать одни и те же функ­ции для решения разных задач. Полиморфизм выражается в том, что под одним именем скрываются различные действия, со­держание которых зависит от типа объекта.

Полиморфизм – это свойство родственных объектов (т.е. объектов, имеющих одного общего родителя) решать схожие по смыслу проблемы разными способами. Например, действие «бежать» свойственно большинству животных. Однако каждое из них (лев, слон, крокодил, черепаха) выполняет это действие различным образом.

При традиционном (не объектно-ориентированном) подходе к программированию, животных перемещать будет программист, вызывая отдельную для конкретного животного и конкретного действия подпрограмму.

В рамках ООП поведенческие свойства объекта определяются набором входящих в него методов, программист только указывает, какому объекту какое из присущих ему действий требуется выполнить, и (для рассматриваемого примера) однажды описанные объекты-животные сами будут себя передвигать характерным для них способом, используя входящие в его состав методы. Изменяя алгоритм того или иного метода в потомках объекта, программист может придавать этим потомкам отсутствующие у родителя специфические свойства. Для изменения метода необходимо перекрыть его в потомке, т.е. объявить в потомке одноименный метод и реализовать в нем нужные действия. В результате в объекте-родителе и объекте-потомке будут действовать два одноименных метода, имеющих разную алгоритмическую основу и, следовательно, придающие объектам разные свойства. Это и называется полиморфизмом объектов.

Таким образом, в нашем примере с объектами-животными действие «бежать» будет называться полиморфическим действием, а многообразие форм проявления этого действия – полиморфизмом.

Описание объектного типа

Класс или объект – это структура данных, которая содержит поля и методы. Как всякая структура данных она начинается зарезервированным словом и закрывается оператором end . Формальный синтаксис не сложен: описание объектного типа получается, если в описании записи заменить слово record на слово object или class и добавить объявление функций и процедур над полями.

Type <имя типа объекта>= object
<поле>;
<поле>;
….
<метод>;
<метод>;
end ;

В ObjectPascal существует специальное зарезервированное слово class для описания объектов, заимствованное из С++.

Type <имя типа объекта>= class
<поле>;
….
<метод>;
<метод>;
end ;

ObjectPascal поддерживает обе модели описания объектов.

Компонент объекта – либо поле, либо метод. Поле содержит имя и тип данных. Метод – это процедура или функция, объявленная внутри декларации объектного типа, в том числе и особые процедуры, создающие и уничтожающие объекты (конструкторы и деструкторы). Объявление метода внутри описания объектного типа состоит только из заголовка. Это разновидность предварительного описания подпрограммы. Тело метода приводится вслед за объявлением объектного типа.

Пример . Вводится объектный тип «предок», который имеет поле данных Name (имя) и может выполнять два действия:

· провозглашать: «Я – предок!»;

· сообщать свое имя.

Type tPredoc = object Name : string ; {поле данных объекта}
Procedure Declaration ; {объявление методов объекта}
Procedure MyName ;
End ;

Тексты подпрограмм, реализующих методы объекта, должны приводиться в разделе описания процедур и функций. Заголовки при описании реализации метода повторяют заголовки, приведенные в описании типа, но дополняются именем объекта, которое отделяется от имени процедуры точкой. В нашем примере:

Procedure tPredoc.Declaration ; {реализация метода объекта}
begin
writeln (‘Я – предок!’);
end ;
Procedure tPredoc.MyName ; {реализация метода объекта}
begin
writeln(‘Я –’, Name);
end;

Внутри описания методов на поля и методы данного типа ссылаются просто по имени. Так метод MyName использует поле Name без явного указания его принадлежности объекту так, если бы выполнялся неявный оператор with <переменная_типа_объект> do .

Под объектами понимают и переменные объектного типа – их называют экземплярами. Как всякая переменная, экземпляр имеет имя и тип: их надо объявить.

…….{объявление объектного типа и описание его методов}
var v 1: tPredoc ; {объявление экземпляра объекта}
begin
v1. Name := ‘Петров Николай Иванович’;
v1.Declaration;
v1.MyName
end.

Использование поля данных объекта v1 не отличается по своему синтаксису от использования полей записей. Вызов методов экземпляра объекта означает, что указанный метод вызывается с данными объекта v 1. В результате на экран будут выведены строчки

Я – предок!
Я – Петров Николай Иванович

Аналогично записям, к полям переменных объектного типа разрешается обращаться как с помощью уточненных идентификаторов, так и с помощью оператора with .

Например, в тексте программы вместо операторов

v1.Name := ‘Петров Николай Иванович’;
v1.Declaration ;
v1.MyName

возможно использование оператора with такого вида

with v1 do
begin
Name:= ‘Петров Николай Иванович’;
Declaration ;
MyName
End ;

Более того, применение оператора with с объектными типами, также как и для записей не только возможно, но и рекомендуется.

Иерархия типов (наследование)

Типы можно выстроить в иерархию. Объект может наследовать компонен­ты из другого объектного типа. Наследующий объект — это потомок. Объект, которому наследуют — предок. Подчеркнем, что наследование относится только к типам, но не к экземплярам объектов.

Если введен объектный тип (предок, родительский), а его надо дополнить полями или методами, то вводится новый тип, объявляется наследником (потомком, дочерним типом) первого и описываются только новые поля и методы. Потомок содержит все поля типа предка. Заметим, что поля и ме­тоды предка доступны потомку без специальных указаний. Если в описании потомка повторяются имена полей или методов предка, то новые описания переопределяют поля и методы предка.

ООП всегда начинается с базового класса. Это шаблон для базового объекта. Следующим этапом является определение нового класса, который называется производным и является расширением базового.

Производный класс может включать дополнительные методы, которые не существуют в базовом классе. Он может переопределять ( redefined ) методы (или даже удалять их целиком).

В производном классе не должны переопределяться все методы базового класса. Каждый новый объект наследует свойства базового класса, необходимо лишь определить те методы, которые являются новыми или были изменены. Все другие методы базового класса считаются частью и производного. Это удобно, т.к. когда метод изменяется в базовом классе, он автоматически изменяется во всех производных классах.

Процесс наследования может быть продолжен. Класс, который произведен от базового, может сам стать базовым для других производных классов. Таким образом, ОО программы создают иерархию классов.

Пример иерархической структуры объектов

Наиболее часто структура иерархии классов описывается в виде дерева. Вершины дерева соответствуют классам, а корню соответствует класс, который описывает что-то общее (самое общее) для всех других классов.

Наследование дочерними типами информационных полей и методов их родительских типов выполняется по следующим правилам.

Правило 1. Информационные поля и методы родительского типа наследуются всеми его дочерними типами независимо от числа промежуточных уровней иерархии.

Правило 2. Доступ к полям и методам родительских типов в рамках описания любых дочерних типов выполняется так, как будто-бы они описаны в самом дочернем типе.

Правило 3. Ни в одном дочернем типе не могут быть использованы идентификаторы полей родительских типов.

Правило 4. Дочерний тип может доопределить произвольное число собственных методов и информационных полей.

Правило 5. Любое изменение текста в родительском методе автоматически оказывает влияние на все методы порожденных дочерних типов, которые его вызывают.

Правило 6. В противоположность информационным полям идентификаторы методов в дочерних типах могут совпадать с именами методов в родительских типах. В этом случае говорят, что дочерний метод перекрывает (подавляет) одноименный родительский метод. В рамках дочернего типа, при указании имени такого метода, будет вызываться именно дочерний метод, а не родительский.

Продолжим рассмотрение нашего примера. В дополнение к введенному нами типу предка tPredoc можно ввести типы потомков:

tуре tSon= оbject(tPredoc) {Тип, наследующий tPredoc }
procedure Declaration; {перекрытие методов предка}
procedure Му Name(Predoc : tPredoc);
end ;

tуре tGrandSon=object(tSon) {Тип, наследующий tSon}
procedure Declaration ; {перекрытие методов предка}
end ;

Имя типа предка приводится в скобках после словаоbject.Мы породили наследственную иерархию из трех типов: tSon («сын») наследник типу tPredoc , а тип tGrandSon (“внук”) ­- типу tSon. Тип tSon переопределяет методы Declaration и Му N а m е, но наследует поле Name . Тип tGrandSon переопределяет только метод Declaration и наследует от общего предка поле Name , а от своего непосредственного предка (типа tSon ) переопределенный метод Declaration .

Давайте разберемся, что именно мы хотим изменить в родительских методах. Дело в том, что «сын» должен провозглашать несколько иначе, чем его предок, а именно сообщить ‘Я – отец!’

procedure tSon.Declaration ; {реализация методов объектов — потомков}
begin
writeln (' Я — отец !');
end;

А называя свое имя, “сын” должен сообщить следующие сведения:

· Я <фамилия имя отчество >

· Я – сын <фамилия имя отчество своего предка>

procedure tSon .Му Name ( predoc : tPredoc );
begin
inherited Му Name ; {вызов метода непосредственного предка}
writeln ('Я — сын ', predoc.Name, ‘ а ’ );
end;

В нашем примере потомок tSon из метода Му Name вызывает одноимен­ный метод непосредственного предка типа tPredoc . Такой вызов обес­печивается директивой inherited , после которой указан вызываемый метод непосредственного предка. Если возникает необходимость вызвать метод отдаленного предка в каком-нибудь дочернем типе на любом уровне иерархии, то это можно сделать с помощью уточненного идентификатора, т.е. указать явно имя типа родительского объекта и через точку – имя его метода:

TPredoc.MyName;

Теперь давайте разберемся с «внуком». Метод, в котором «внук» называет свое имя, в точности такой же, как и у его непосредственного предка (типа tSon ), поэтому нет необходимости этот метод переопределять, этот метод лучше автоматически наследовать и пользоваться им как своим собственным. А вот в методе Declaration нужно провозгласить ‘Я – внук!’, поэтому метод придется переопределить.

procedure tGrandSon.Declaration;
begin
writeln (' Я — внук !');
end;

Рассмотрим пример программы, в которой определим экземпляр типа tPredoc , назовем его «дед», экземпляр типа tSon – «отец», и экземпляр типа tGrandSon – «внук». Потребуем от них, чтобы они представились.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: