8.2. ВВЕДЕНИЕ В ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ПРОГРАММ

8.2. ВВЕДЕНИЕ В ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ПРОГРАММ

В основу структурного мышления положены структуризация и декомпозиция окружающего мира. Задача любой сложности разбивается на подзадачи, а те в свою очередь разбиваются далее и т. д., пока каждая подзадача не станет простой, соответствующей модулю.

Модуль в понятии структурного программирования — это подпрограмма (функция или процедура), оформленная определенным образом и выполняющая строго одно действие. Методы структурного проектирования используют модули в качестве строительных блоков программы, а структура программы представляется иерархией подчиненности модулей.

Модуль ООПр — файл описаний объектов и действий над ними.

Методы объектно-ориентированного проектирования используют в качестве строительных блоков объекты. Каждая структурная составляющая является самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные. Благодаря этому уменьшена или отсутствует область глобальных данных.

Объектно-ориентированное мышление адекватно способу естественного человеческого мышления, ибо человек мыслит "образами" и "абстракциями". Чтобы проиллюстрировать некоторые из принципов объектно-ориентированного мышления, обратимся к следующему примеру, основанному на аналогии мира объектов реальному миру.

Рассмотрим ситуацию из обыденной жизни. Допустим, вы решили поехать в другой город на поезде. Для этого вы приходите на ближайшую железнодорожную станцию и сообщаете кассиру номер нужного поезда и дату, когда планируете уехать. Теперь можете быть уверены, что ваш запрос будет удовлетворен (при условии, что вы покупаете билет заранее).

Таким образом, для решения своей проблемы вы нашли объект "кассир железнодорожной кассы" и передали ему сообщение, содержащее запрос. Обязанностью объекта "кассир железнодорожной кассы" является удовлетворение запроса.

У кассира имеется некоторый определенный метод, или эвроритм, или последовательность операций (процедура), которые используют работники кассы для выполнения вашего запроса. Имеются у кассира и другие методы, например по сдаче денег, — инкассации.

Вам совершенно не обязательно знать не только детально метод, который используется кассиром, но даже весь набор методов работы кассира. Однако если бы вас заинтересовал вопрос как работает кассир, то обнаружили бы, что кассир пошлет свое сообщение автоматизированной системе железнодорожного вокзала. Та, в свою очередь, примет необходимые меры и т. д. Тем самым ваш запрос, в конечном счете, будет удовлетворен через последовательность запросов, пересылаемых от одного объекта к другому.

Таким образом, действие в объектно-ориентированном программировании инициируется посредством передачи сообщений объекту, ответственному за действие. Сообщение содержит запрос на осуществление действия конкретным объектом и сопровождается дополнительными аргументами, необходимыми для его выполнения. Пример аргументов вашего сообщения: дата отъезда, номер поезда, тип вагона. Сообщения кассира: дайте паспорт, заплатите такую-то сумму, получите билет и сдачу.

Кассир, находящийся на рабочем месте, не обязан отвлекаться от работы для пустой болтовни с покупателем билета, например, сообщать ему свой домашний телефон или сумму денег, находящуюся в сейфе кассы. Таким образом, кассир взаимодействует с другими объектами ("покупатель билета", "автоматизированная система", "инкассатор", "бригадир" и т. д.) только по строго регламентированному интерфейсу. Интерфейс — это набор форматов допустимых сообщений. Для исключения возможных, но недопустимых сообщений используется механизм сокрытия информации (инструкция, запрещающая кассиру болтать впустую на рабочем месте).

Помимо методов, кассир для успешной работы должен располагать наборами чистых бланков билетов, купюрами и монетами наличных денег (хотя бы для сдачи покупателю). Такие наборы хранятся в особых отсеках кассы, особых коробках. Места хранения этих наборов называют полями объектов. В программах полям объектов соответствуют переменные, которые могут хранить какие-то значения.

Покупатель билета не может положить деньги непосредственно в отсек кассового аппарата или сейф кассира, а также самостоятельно отсчитать себе сдачу. Таким образом, кассир как бы заключен в оболочку, или капсулу, которая отделяет его и покупателя от лишних взаимодействий. Помещение кассы (капсула) имеет особое устройство, исключающее доступ покупателей билетов к деньгам. Это и есть инкапсуляция объектов, позволяющая использовать только допустимый интерфейс — обмен информацией и предметами только посредством допустимых сообщений, а может быть, еще и подаваемых в нужной последовательности. Именно только через вызов сообщениями особых методов осуществляется обмен данных, отделяя покупателей от полей. Благодаря инкапсуляции покупатель может лишь отдавать в качестве оплаты деньги за билет в форме сообщения с аргументом "сумма". Аналогично, но в обратном направлении кассир возвращает сдачу.

Вы можете передать свое сообщение, например, объекту "свой приятель", и он его, скорее всего, поймет, и как результат — действие будет выполнено (а именно билеты будут куплены). Но если вы попросите о том же объект "продавец магазина", у него может не оказаться подходящего метода для решения поставленной задачи. Если предположить, что объект "продавец магазина" вообще воспримет этот запрос, то он "выдаст" надлежащее сообщение об ошибке. В отличие от программ, люди работают не по алгоритмам, а по эвроритмам. Человек может самостоятельно менять правила методов своей работы. Так, продавец магазина при виде аргумента "очень большая сумма", может закрыть магазин и побежать покупать железнодорожный билет. Напомним, что такие ситуации для программ пока еще невозможны.

Различие между вызовом процедуры и пересылкой сообщения состоит в том, что в последнем случае существует определенный получатель и интерпретация (т. е. выбор подходящего метода, запускаемого в ответ на сообщение), которая может быть различной для разных получателей.

Обычно конкретный объект-получатель неизвестен вплоть до выполнения программы, так что определить, какой метод, какого объекта будет вызван, заранее невозможно (конкретный кассир заранее не знает, кто и когда из конкретных покупателей обратится к нему). В таком случае говорят, что имеет место позднее связывание между сообщением (именем процедуры или функции) и фрагментом кода (методом), исполняемым в ответ на сообщение. Эта ситуация противопоставляется раннему связыванию (на этапе компилирования или компоновки программы) имени с фрагментом кода, что происходит при традиционных вызовах процедур.

Фундаментальной концепцией в объектно-ориентированном программировании является понятие классов. Все объекты являются представителями, или экземплярами, классов. Например: у вас наверняка есть примерное представление о реакции кассира на запрос о заказе билетов, поскольку вы имеете общую информацию о людях данной профессии (например, кассире кинотеатра) и ожидаете, что он, будучи представителем данной категории, в общих чертах будет соответствовать шаблону. То же самое можно сказать и о представителях других профессий, что позволяет разделить человеческое общество на определенные категории по профессиональному признаку (на классы). Каждая категория в свою очередь делится на представителей этой категории. Таким образом, человеческое общество представляется в виде иерархической структуры с наследованием свойств классов объектов всех категорий. В корне такой классификации может находиться класс "HomoSapience" или даже класс "млекопитающие" (рис. 8.1).

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.

Классы могут быть организованы в иерархическую структуру с наследованием свойств. Класс-потомок наследует атрибуты родительского класса, расположенного ниже в иерархическом дереве (если дерево иерархии наследования растет вверх). Абстрактный родительский класс — это класс, не имеющий экземпляров объектов. Он используется только для порождения потомков. Класс "HomoSapience", скорее всего, будет абстрактным, поскольку для практического применения, например работодателю, экземпляры его объектов не интересны.

Рис. 8.1. Понятие создания объекта как экземпляра класса ПТИЦЫ

Итак, пусть абстрактным родительским классом у работодателя будет класс "трудоспособный человек", который включает методы доступа к внутренним данным, а также поля самих внутренних данных: фамилия; имя; отчество; дата рождения; домашний адрес; домашний телефон; сведения об образовании; сведения о трудовом стаже и т. д. От данного класса могут быть унаследованы классы: "кассир", "водитель автомобиля", "музыкант". Класс "кассир" располагает методами работы: общение с клиентом по правилам, получение денег, выдача денег, общение с инкассатором и т. д. От класса "кассир" могут быть унаследованы классы: "кассир, выдающий зарплату", "кассир железнодорожной кассы". Кассир железнодорожной кассы отличается от кассира, выдающего зарплату, дополнительными знаниями и навыками работы.

От класса "кассир железнодорожной кассы" могут быть получены экземпляры объектов: "кассир кассы № 1", "кассир кассы № 2", "кассир кассы № 3" и т. д.

В помещении большого вокзала можно обнаружить множество одинаково оборудованных объектов — касс. Однако среди касс можно выделить различающиеся кассы: суточные, предварительные, воинские, работающие по бронированию билетов и т. д. Для того чтобы начальнику вокзала поменять один вид кассы на другой, нет необходимости перестраивать помещение кассы и менять оборудование. Ему достаточно заменить в кассе кассира с одними навыками на кассира с другими навыками. Кассир вставляет табличку с новой надписью вида кассы — и все. Заметим, что смена функции касс произошла без остановки работы вокзала. Такая замена становится простой именно потому, что все помещения касс имеют одинаковый интерфейс с кассирами и клиентами. Теперь разные объекты, поддерживающие одинаковые интерфейсы, могут выполнять в ответ на запросы разные операции.

Ассоциация запроса с объектом и одной из его операций во время выполнения называется динамическим связыванием. Динамическое связывание позволяет во время выполнения подставить вместо одного объекта другой, если он имеет точно такой же интерфейс. Такая взаимозаменяемость называется полиморфизмом и является еще одной фундаментальной особенностью объектно-ориентированных систем (рис. 8.2).

Пусть, согласно произведенной классификации, объекты "скрипач с фамилией Петров" и "водитель автомобиля Сидоров" будут экземплярами разных классов. Для того чтобы получить объект "Иванов, являющийся одновременно скрипачом и водителем", необходим особый класс, который может быть получен из классов "скрипач" и "водитель автомобиля" множественным наследованием (рис. 8.3). Теперь работодатель, послав особое сообщение делегирования, может поручить (делегировать) объекту "Иванов" выполнять функцию либо водителя, либо скрипача. Объект "Иванов", находящийся за рулем автомобиля, не должен начать играть на скрипке. Для этого должен быть реализован механизм самоделегирования полномочий — объект "Иванов", находясь за рулем, запрещает сам себе игру на скрипке. Таким образом, понятие обязанности или ответственности за выполнение действия является фундаментальным в объектно-ориентированном программировании.

Рис. 8.3. Пример простого и множественного наследования

В системах программирования с отсутствующим множественным наследованием задачи, требующие множественного наследования, всегда могут быть решены композицией (агрегированием) с последующим делегированием полномочий.

Композиция объектов — это реализация составного объекта, состоящего из нескольких совместно работающих объектов и образующих единое целое с новой, более сложной функциональностью.

Агрегированный объект — объект, составленный из подобъектов. Подобъекты называются частями агрегата, и агрегат отвечает за них. Например, в системах с множественным наследованием шахматная фигура ферзь может быть унаследована от слона и ладьи. В системах с отсутствующим множественным наследованием можно получить ферзя двумя способами. Согласно первому способу, можно создать класс "любая_фигура" и далее, в периоде выполнения, делегировать полномочия каждому объекту-экземпляру данного класса быть ладьей, слоном, ферзей, пешкой и т. д. По второму способу после получения классов "ладья" и "слон" их можно объединить композицией в класс "ферзь". Теперь объект класса "ферзь" можно использовать как объект "ферзь" или даже как объект "слон", для чего объекту "ферзь" делегируется выполнение полномочий слона. Более того, можно делегировать объекту "ферзь" полномочия стать объектами "король" или даже "пешка"! Для композиции требуется, чтобы объединяемые объекты имели четко определенные интерфейсы. И у наследования, и у композиции есть достоинства и недостатки.

Наследование класса определяется статически на этапе компиляции; его проще использовать, поскольку оно напрямую поддержано языком программирования.

Но у наследования класса есть и минусы. Во-первых, нельзя изменить унаследованную от родителя реализацию во время выполнения программы, поскольку само наследование фиксировано на этапе компиляции. Во-вторых, родительский класс нередко, хотя бы частично, определяет физическое представление своих подклассов. Поскольку подклассу доступны детали реализации родительского класса, то часто говорят, что наследование нарушает инкапсуляцию. Реализации подкласса и родительского класса настолько тесно связаны, что любые изменения последней требуют изменять и реализацию подкласса.

Композиция объектов определяется динамически во время выполнения за счет того, что объекты получают ссылки на другие объекты. Композицию можно применить, если объекты соблюдают интерфейсы друг друга. Для этого, в свою очередь, требуется тщательно проектировать интерфейсы, так чтобы один объект можно было использовать вместе с широким спектром других. Но и выигрыш велик, поскольку доступ к объектам осуществляется только через их интерфейсы, мы не нарушаем инкапсуляцию. Во время выполнения программы любой объект можно заменить другим, лишь бы он имел тот же тип. Более того, поскольку при реализации объекта кодируются прежде всего его интерфейсы, то зависимость от реализации резко снижается.

Композиция объектов влияет на дизайн системы и еще в одном аспекте. Отдавая предпочтение композиции объектов, а не наследованию классов, вы инкапсулируете каждый класс и даете ему возможность выполнять только свою задачу. Классы и их иерархии остаются небольшими, и вероятность их разрастания до неуправляемых размеров невелика. С другой стороны, дизайн, основанный на композиции, будет содержать больше объектов (хотя число классов, возможно, уменьшится), и поведение системы начнет зависеть от их взаимодействия, тогда как при другом подходе оно было бы определено в одном классе.

Это подводит еще к одному правилу объектно-ориентированного проектирования: предпочитайте композицию наследованию класса.

В идеале, чтобы добиться повторного использования кода, вообще не следовало бы создавать новые компоненты. Хорошо бы, чтобы можно было получить всю нужную функциональность, просто собирая вместе уже существующие компоненты. На практике, однако, так получается редко, поскольку набор имеющихся компонентов все же недостаточно широк. Повторное использование за счет наследования упрощает создание новых компонентов, которые можно было бы применять со старыми. Поэтому наследование и композиция часто используются вместе.

Тем не менее опыт показывает, что проектировщики злоупотребляют наследованием. Нередко программы могли бы стать проще, если бы их авторы больше полагались на композицию объектов.

С помощью делегирования композицию можно сделать столь же мощным инструментом повторного использования, сколь и наследование. При делегировании в процесс обработки запроса вовлечено два объекта: получатель поручает выполнение операций другому объекту — уполномоченному. Примерно так же подкласс делегирует ответственность своему родительскому классу. Но унаследованная операция всегда может обратиться к объекту-получателю через переменную-член (в C++) или переменную self (в Smalltalk). Чтобы достичь того же эффекта для делегирования, получатель передает указатель на самого себя соответствующему объекту, чтобы при выполнении делегированной операции последний мог обратиться к непосредственному адресату запроса.

Например, вместо того чтобы делать класс Window (окно) подклассом класса Rectangle (прямоугольник) — ведь окно является прямоугольником, — мы можем воспользоваться внутри Window поведением класса Rectangle, поместив в класс Window переменную экземпляра типа Rectangle и делегируя ей операции, специфичные для прямоугольников. Другими словами, окно не является прямоугольником, а содержит его. Теперь класс Window может явно перенаправлять запросы своему члену Rectangle, а не наследовать его операции.

Главное достоинство делегирования в том, что оно упрощает композицию поведения во время выполнения. При этом способ комбинирования поведения можно изменять. Внутреннюю область окна разрешается сделать круговой во время выполнения простой подставкой вместо экземпляра класса Rectangle экземпляра класса Circle. Предполагается, конечно, что оба эти класса имеют одинаковый тип.

У делегирования есть и недостаток, свойственный и другим подходам, применяемым для повышения гибкости за счет композиции объектов. Заключается он в том, что динамическую, в высокой степени параметризованную программу труднее понять, чем статическую. Есть, конечно, и некоторая потеря машинной производительности, но неэффективность работы проектировщика гораздо более существенна. Делегирование можно считать хорошим выбором только тогда, когда оно позволяет достичь упрощения, а не усложнения. Нелегко сформулировать правила, ясно говорящие, когда следует пользоваться делегированием, поскольку эффективность его зависит от контекста и личного опыта программиста.

Таким образом, можно выделить следующие фундаментальные характеристики объектно-ориентированного мышления:

Характеристика 1. Любой предмет или явление могут рассматриваться как объект.

Характеристика 2. Объект может размещать в своей памяти (в полях) личную информацию, независимую от других объектов. Рекомендуется использовать инкапсулированный (через особые методы) доступ к информации полей.

Характеристика 3. Объекты могут иметь открытые по интерфейсу методы обработки сообщений. Сами сообщения вызовов методов посылаются другими объектами, но для осуществления разумного интерфейса между объектами некоторые методы могут быть скрыты.

Характеристика 4. Вычисления осуществляются путем взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некоторое действие (метод). Объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения. Сообщение — это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия. Объект — получатель сообщения — обрабатывает сообщения своими внутренними методами.

Характеристика 5. Каждый объект является представителем класса, который выражает общие свойства объектов данного класса в виде одинаковых списков набора данных (полей) в своей памяти и внутренних методов, обрабатывающих сообщения. В классе методы задают поведение объекта. Тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия.

Характеристика 6. Классы организованы в единую квазидревовидную структуру с общим корнем, которая называется иерархией наследования. Обычно корень иерархии направлен вверх. При множественном наследовании ветви могут срастаться, образуя сеть наследования. Память и поведение, связанные с экземплярами определенного класса, автоматически являются доступными любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.

Характеристика 7. Благодаря полиморфизму — способности подставлять во время выполнения вместо одного объекта другой, с совместимым интерфейсом, в периоде выполнения одни и те же объекты могут разными методами исполнять одни и те же запросы сообщений.

Характеристика 8. Композиция является предпочтительной альтернативой множественному наследованию и позволяет изменять состав объектов агрегата в процессе выполнения программы.

Характеристика 9. Структура объектно-ориентированной программы на этапе выполнения часто имеет мало общего со структурой ее исходного кода. Последняя фиксируется на этапе компиляции. Ее код состоит из классов, отношения наследования между которыми неизменны. На этапе же выполнения структура программы — быстро изменяющаяся сеть из взаимодействующих объектов. Две эти структуры почти независимы.