8.5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЯЗЫКАХ

8.5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЯЗЫКАХ

Класс в одном из значений этого термина обозначает тип структурированных данных.

Объект — это структурированная переменная типа класс. Каждый объект является представителем (экземпляром) определенного класса. В программе может быть несколько объектов, являющихся экземплярами одного и того же класса. Все объекты — экземпляры данного класса — аналогичны друг другу, поскольку имеют одинаковый интерфейс, один и тот же набор операций (методов) и полей, определяемых в их классе. Интерфейс класса иногда называют особенностями класса.

Класс является описанием того, как будет выглядеть и вести себя его представитель. Обычно проектируют класс как образование (матрицу), отвечающее за создание своих новых представителей (экземпляров или объектов). Экземпляр объекта создается при помощи особого метода класса, называемого конструктором, так как необходимо создать экземпляр, прежде чем он станет активным и начнет взаимодействовать с окружающим миром. Уничтожение экземпляров поддерживает сам активный экземпляр, имеющий соответствующий метод — деструктор.

Объект — это структурированная переменная типа класс, содержащая всю информацию о некотором физическом предмете или реализуемом в программе понятии.

Объект — это логическая единица, которая содержит данные и правила (методы с кодом алгоритма) (см. рис. 1.8). Другими словами, объект — это расположенные в отдельном участке памяти:

— порция данных объекта или атрибуты исходных данных, называемые еще полями, членами данных (data members), значения которых определяют текущее состояние объекта;

— методы объекта (methods, в разных языках программирования еще называют подпрограммами, действиями, member functions или функциями-членами), реализующие действия (выполнение алгоритмов) в ответ на их вызов в виде переданного сообщения;

— часть методов, называемых свойствами (property), которые, в свою очередь, определяют поведение объекта, т. е. его реакцию на внешние воздействия (в ряде языков программирования свойства оформляются особыми операторами).

Объекты в программах воспроизводят все оттенки явлений реального мира: "рождаются" и "умирают"; меняют свое состояние; запускают и останавливают процессы; "убивают" и "возрождают" другие объекты.

Объявления классов определяют уже описанные три характеристики объектов: поля объекта, методы объекта, свойства объектов. Также в объявлениях может указываться предок данного класса.

В соответствии с описанием класса внутри объекта данные и методы могут быть как открытыми по интерфейсу public, так и сокрытыми private.

Во время выполнения программы объекты взаимодействуют друг с другом посредством вызова методов вызываемого объекта — в этом и заключается передача сообщений. Для того чтобы объект послал сообщение другому объекту, в большинстве языков программирования требуется после указания имени вызываемого объекта записать вызов подпрограммы (метода) с соответствующим именем и указанием необходимых фактических параметров (аргументов). Получив сообщение, объект-получатель начинает выполнять код вызванной подпрограммы (метода) с полученными значениями аргументов. Таким образом, функционирование программы (выполнение всего алгоритма программы) осуществляется последовательным вызовом методов от одного объекта к другому.

Хотя можно получить прямой доступ к полям объекта, использование такого подхода не поощряется. Одно из больших преимуществ ООПр — это инкапсуляция, предназначенная для разрешения работы с данными в полях объектов только через сообщения. Для реализации методов обработки таких сообщений используются свойства. Свойства — это особым образом оформленные методы, предназначенные как для чтения и контролируемого изменения внутренних данных объекта (полей), так и выполнения действий, связанных с поведением объекта.

Так, например, если в заданном месте экрана уже отображена какая-то строка и мы хотим изменить положение строки на экране, то мы посылаем объекту новое значение свойства в виде набора нужных координат. Далее свойство автоматически трансформируется в вызов метода, который изменит значение поля координат отображения строки и выполнит действия по уничтожению изображения строки на прежнем месте экрана, а также по отображению строки в новом месте экрана.

Можно выделить несколько преимуществ инкапсуляции.

Преимущество 1. Надежность данных. Можно предотвратить изменение элемента данных, выполнив в свойстве (методе) дополнительную проверку значения на допустимость. Тем самым можно гарантировать надежное состояние объекта.

Преимущество 2. Целостность ссылок. Перед доступом к объекту, связанному с данным объектом, можно удостовериться, что косвенное поле содержит корректное значение (ссылку на экземпляр).

Преимущество 3. Предусмотренные побочные эффекты. Можно гарантировать, что каждый раз, когда выполняется обращение к полю объекта, синхронно с ним выполняется какое-либо специальное действие.

Преимущество 4. Сокрытие информации. Когда доступ к данным осуществляется только через методы, можно скрыть детали реализации объекта. Позднее, если реализация изменится, придется изменить лишь реализацию методов доступа к полям. Те же части программы, которые использовали этот класс, не будут затронуты.

Весьма удобно рассматривать объекты как попытку создания активных данных. Смысл, вкладываемый в слова "объект представляет собой активные данные", основан на объектно-ориентированной парадигме выполнения операций, состоящей в посылке сообщений. В посылаемых объекту сообщениях указывается, что мы хотим, что бы он выполнил. Так, например, если мы хотим вывести на экране строку, то мы посылаем объекту строки сообщение, чтобы он изобразил себя. В этом случае строка — это уже не пассивный кусок текста, а активная единица, знающая, как правильно производить над собой различные действия.

Одна из фундаментальных концепций ООП — это понятие наследования классов, устанавливающее между двумя классами отношения "родитель-потомок".

Наследование — отношение самого высокого уровня и играет важную роль на стадии проектирования. Наследование — это определение класса и затем использование его для построения иерархии производных классов, причем каждый класс-потомок наследует от класса-предка интерфейс всех классов-предков в виде доступа к коду их методов и данным. При этом, возможно, переопределение или добавление как новых данных, так и методов.

Класс-предок — это класс, предоставляющий свои возможности и характеристики другим классам через механизм наследования. Класс, который использует характеристики другого класса посредством наследования, называется его классом-потомком.

Итак, наследование проявляется в том, что любой класс-потомок имеет доступ или, другими словами, наследует практически все ресурсы (методы, поля и свойства) родительского класса и всех предков до самого верхнего уровня иерархии.

Рассмотрим, как информация, содержащаяся в классе-потомке, может переопределять информацию, наследуемую от предков. Очень часто при реализации такого подхода метод, соответствующий подклассу, имеет то же имя, что и соответствующий метод в родительском классе. При этом 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 до 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. Во многих языках программирования уже на этапе компилирования, а не при выполнении программы определяется, что подходящего метода нет вообще и выдается сообщение об ошибке.

Семантически наследование описывает отношение типа "is-a". Например, медведь есть млекопитающее, дом есть недвижимость и "быстрая сортировка" есть сортирующий алгоритм. Таким образом, наследование порождает иерархию "обобщение — специализация", в которой подкласс представляет собой специализированный частный случай своего суперкласса. "Лакмусовая бумажка" наследования — обратная проверка: так, если В не есть А, то В не стоит производить от А.

Повторное использование — это использование в программе класса для создания экземпляров или в качестве базового для создания нового класса, наследующего часть или все характеристики родителя. Порождая классы от базовых, вы эффективно повторно используете код базового класса для собственных нужд. Повторное использование сокращает объем кода, который необходимо написать и оттестировать при реализации программы, что сокращает объемы труда.

Таким образом, наследование выполняет в ООП несколько важных функций:

• моделирует концептуальную структуру предметной области;

• экономит описания, позволяя использовать их многократно для задания разных классов;

• обеспечивает пошаговое программирование больших систем путем многократной конкретизации классов.

Ряд языков, например Object Pascal, описание которого дается в приложении 4, поддерживает модель наследования, известную как простое наследование и которая ограничивает число родителей конкретного класса одним. Другими словами, определенный пользователем класс имеет только одного родителя. Схема иерархии классов в этом случае представляет собой ряд одиночно стоящих деревьев (hierarchical classification).

Более мощная модель сложного наследования, называемая множественным наследованием, в которой каждый класс может, в принципе, порождаться сразу от нескольких родительских классов, наследуя поведение всех своих предков. Множественное наследование не поддерживается в Delphi, но поддерживается в Visual C++ и ряде других языков. При множественном наследовании составляется уже не схема иерархии, а сеть, которая может включать деревья со сросшимися кронами.

Обычно если объекты соответствуют конкретным сущностям реального мира, то классы являются абстракциями, выступающими в роли понятий. Между классами, как между понятиями, существует иерархическое отношение конкретизации, связывающее класс с классом-потомком. Это отношение реализуется в системах ООП механизмом наследования. Наследование — это способность одного класса использовать характеристики другого.

Наследование позволяет практически без ограничений последовательно строить и расширять классы, созданные вами или кем-то еще. Начиная с самых простых классов можно создавать производные классы по возрастающей сложности, которые не только легки при отладке, но и просты по внутренней структуре.

Множественное наследование многие аналитики считают "вредным" механизмом, приводящим к сложно разрешимым проблемам проектирования и реализации. В языках с отсутствующим множественным наследованием целей множественного наследования достигают агрегированием объектов с дополнительным делегированием полномочий.

На агрегировании основана работа таких систем визуального программирования, как Delphi, C++ Builder. В этих системах имеется порождающий объект пользователя класс-форма (пустое окно Windows). Системы обеспечивают подключение к форме через указатели нужных пользователю объектов, например кнопок, окон редакторов и т. д. При перерисовке формы на экране монитора как бы одновременно с ней перерисовываются изображения агрегированных объектов. Более того, при активизации формы агрегированные объекты также становятся активными: кнопки начинают нажиматься, а в окна редакторов можно начинать вводить информацию.

Одним из базовых понятий технологии ООП является полиморфизм. Термин "полиморфизм" имеет греческое происхождение и означает приблизительно "много форм" (poly — много, morphos — форма).

Полиморфизм — это средство для придания различных значений одному и тому же событию в зависимости от типа обрабатываемых данных, т. е. полиморфизм определяет различные формы реализации одноименного действия (см. рис. 8.2.).

Целью полиморфизма применительно к объектно-ориентированному программированию является использование одного имени для задания общих для класса действий, причем каждый объект имеет возможность по-своему реализовать это действие своим собственным, подходящим для него кодом.

Полиморфизм является предпосылкой для расширяемости объектно-ориентированных программ, поскольку он предоставляет способ старым программам воспринимать новые типы данных, которые не были определены во время написания программы.

Противоположность полиморфизму называется мономорфизмом; он характерен для языков с сильной типизацией и статическим связыванием (Ada).

В более общей трактовке полиморфизм — это способность объектов, принадлежащих к разным типам, демонстрировать одинаковое поведение; способность объектов, принадлежащих к одному типу, демонстрировать разное поведение.

Рассмотрим "вырожденный пример" полиморфизма. В MS DOS есть понятие "номер прерывания", за которым скрывается адрес в памяти. Поместите в ту же ячейку другой адрес — и программы начнут вызывать процедуру с другим "именем" и из другого модуля. Как видно из примера, принцип полиморфизма можно реализовать и не в объектно-ориентированных программах.

Ряд авторов книг по теории объектно-ориентированного проектирования соотносят термин "полиморфизм" с разными понятиями, например понятием перегрузки; для обозначения одного-двух или большего количества механизмов полиморфизма; чистого полиморфизма.

Перегрузка функций. Одним из применений полиморфизма в C++ является перегрузка функций. Она дает одному и тому же имени функции различные значения. Например, выражение а + b имеет различные значения, в зависимости от типов переменных а и b (допустим, если это числа, то "+" означает сложение, а если строки, — то склейку этих строк или вообще сложение комплексных чисел, если а и b комплексного типа). Перегрузка оператора "+" для типов, определяемых пользователем, позволяет использовать их в большинстве случаев так же, как и встроенные типы. Двум или более функциям (операция — это тоже функция) может быть дано одно и то же имя. Но при этом функции должны отличаться сигнатурой (либо типами параметров, либо их числом).

Полиморфный метод в C++ называется виртуальной функцией, позволяющей получать ответы на сообщения, адресованные объектам, точный вид которых неизвестен. Такая возможность является результатом позднего связывания. При позднем связывании адреса определяются динамически во время выполнения программы, а не статически во время компиляции как в традиционных компилируемых языках, в которых применяется раннее связывание. Сам процесс связывания заключается в замене виртуальных функций на адреса памяти.

Виртуальные методы определяются в родительском классе, а в производных классах происходит их доопределение и для них создаются новые реализации. Основой виртуальных методов и динамического полиморфизма являются указатели на производные классы. При работе с виртуальными методами сообщения передаются как указатели, которые указывают на объект вместо прямой передачи объекту.

Практический смысл полиморфизма заключается в том, что он позволяет посылать общее сообщение о сборе данных любому классу, причем и родительский класс, и классы-потомки ответят на сообщение соответствующим образом, поскольку производные классы содержат дополнительную информацию. Программист может сделать регулярным процесс обработки несовместимых объектов различных типов при наличии у них такого полиморфного метода.