ООП - это что такое? Основные принципы объектно-ориентированного программирования. Что такое ООП и с чем его едят? Типы данных в объектно ориентированном программировании

Я не умею программировать на объектно-ориентированных языках. Не научился. После 5 лет промышленного программирования на Java я всё ещё не знаю, как создать хорошую систему в объектно-ориентированном стиле. Просто не понимаю.

Я пытался научиться, честно. Я изучал паттерны, читал код open source проектов, пытался строить в голове стройные концепции, но так и не понял принципы создания качественных объектно-ориентированных программ. Возможно кто-то другой их понял, но не я.

И вот несколько вещей, которые вызывают у меня непонимание.

Я не знаю, что такое ООП

Серьёзно. Мне сложно сформулировать основные идеи ООП. В функциональном программировании одной из основных идей является отсутствие состояния. В структурном - декомпозиция. В модульном - разделение функционала в законченные блоки. В любой из этих парадигм доминирующие принципы распространяются на 95% кода, а язык спроектирован так, чтобы поощрять их использование. Для ООП я таких правил не знаю.

• Абстракция
• Инкапсуляция
• Наследование
• Полиморфизм

Смахивает на свод правил, не так ли? Значит вот оно, те самые правила, которым нужно следовать в 95% случаев? Хмм, давайте посмотрим поближе.

Абстракция

Абстракция - это мощнейшее средство программирования. Именно то, что позволяет нам строить большие системы и поддерживать контроль над ними. Вряд ли мы когда-либо подошли бы хотя бы близко к сегодняшнему уровню программ, если бы не были вооружены таким инструментом. Однако как абстракция соотносится с ООП?

Во-первых, абстрагирование не является атрибутом исключительно ООП, да и вообще программирования. Процесс создания уровней абстракции распространяется практически на все области знаний человека. Так, мы можем делать суждения о материалах, не вдаваясь в подробности их молекулярной структуры. Или говорить о предметах, не упоминая материалы, из которых они сделаны. Или рассуждать о сложных механизмах, таких как компьютер, турбина самолёта или человеческое тело, не вспоминая отдельных деталей этих сущностей.

Во-вторых, абстракции в программировании были всегда, начиная с записей Ады Лавлейс, которую принято считать первым в истории программистом. С тех пор люди бесперерывно создавали в своих программах абстракции, зачастую имея для этого лишь простейшие средства. Так, Абельсон и Сассман в своей небезызвестной книге описывают, как создать систему решения уравнений с поддержкой комплексных чисел и даже полиномов, имея на вооружении только процедуры и связные списки. Так какие же дополнительные средства абстрагирования несёт в себе ООП? Понятия не имею. Выделение кода в подпрограммы? Это умеет любой высокоуровневый язык. Объединение подпрограмм в одном месте? Для этого достаточно модулей. Типизация? Она была задолго до ООП. Пример с системой решения уравнений хорошо показывает, что построение уровней абстракции не столько зависит от средств языка, сколько от способностей программиста.

Инкапсуляция

Главный козырь инкапсуляции в сокрытии реализации. Клиентский код видит только интерфейс, и только на него может рассчитывать. Это развязывает руки разработчикам, которые могут решить изменить реализацию. И это действительно круто. Но вопрос опять же в том, причём тут ООП? Все вышеперечисленные парадигмы подразумевают сокрытие реализации. Программируя на C вы выделяете интерфейс в header-файлы, Oberon позволяет делать поля и методы локальными для модуля, наконец, абстракция во многих языках строится просто посредствам подпрограмм, которые также инкапсулируют реализацию. Более того, объектно-ориентированные языки сами зачастую нарушают правило инкапсуляции , предоставляя доступ к данным через специальные методы - getters и setters в Java, properties в C# и т.д. (В комментариях выяснили, что некоторые объекты в языках программирования не являются объектами с точки зрения ООП: data transfer objects отвечают исключительно за перенос данных, и поэтому не являются полноценными сущностями ООП, и, следовательно, для них нет необходимости сохранять инкапсуляцию. С другой стороны, методы доступа лучше сохранять для поддержания гибкости архитектуры. Вот так всё непросто.) Более того, некоторые объектно-ориентированные языки, такие как Python, вообще не пытаются что-то скрыть, а расчитывают исключительно на разумность разработчиков, использующих этот код.

Наследование

Наследование - это одна из немногих новых вещей, которые действительно вышли на сцену благодаря ООП. Нет, объектно-ориентированные языки не создали новую идею - наследование вполне можно реализовать и в любой другой парадигме - однако ООП впервые вывело эту концепцию на уровень самого языка. Очевидны и плюсы наследования: когда вас почти устраивает какой-то класс, вы можете создать потомка и переопределить какую-то часть его функциональности. В языках, поддерживающих множественное наследование, таких как C++ или Scala (в последней - за счёт traits), появляется ещё один вариант использования - mixins, небольшие классы, позволяющие «примешивать» функциональность к новому классу, не копируя код.

Значит, вот оно - то, что выделяет ООП как парадигму среди других? Хмм… если так, то почему мы так редко используем его в реальном коде? Помните, я говорил про 95% кода, подчиняющихся правилам доминирующей парадигмы? Я ведь не шутил. В функцинальном программировании не меньше 95% кода использует неизменяемые данные и функции без side-эффектов. В модульном практически весь код логично расфасован по модулям. Преверженцы структурного программирования, следуя заветам Дейкстры, стараются разбивать все части программы на небольшие части. Наследование используется гораздо реже. Может быть в 10% кода, может быть в 50%, в отдельных случаях (например, при наследовании от классов фреймворка) - в 70%, но не больше. Потому что в большинстве ситуаций это просто не нужно .

Более того, наследование опасно для хорошего дизайна. Настолько опасно, что Банда Четырех (казалось бы, проповедники ООП) в своей книге рекомендуют при возможности заменять его на делегирование. Наследование в том виде, в котором оно существует в популярных ныне языках ведёт к хрупкому дизайну. Унаследовавшись от одного предка, класс уже не может наследоваться от других. Изменение предка так же становится опасным. Существуют, конечно, модификаторы private/protected, но и они требуют неслабых экстрасенсорных способностей для угадывания, как класс может измениться и как его может использовать клиентский код. Наследование настолько опасно и неудобно, что крупные фреймворки (такие как Spring и EJB в Java) отказываются от них, переходя на другие, не объектно-ориентированные средства (например, метапрограммирование). Последствия настолько непредсказуемы, что некоторые библиотеки (такие как Guava) прописывает своим классам модификаторы, запрещающие наследование, а в новом языке Go было решено вообще отказаться от иерархии наследования.

Полиморфизм

Пожалуй, полиморфизм - это лучшее, что есть в объектно-ориентированном программировании. Благодаря полиморфизму объект типа Person при выводе выглядит как «Шандоркин Адам Имполитович», а объект типа Point - как "". Именно он позволяет написать «Mat1 * Mat2» и получить произведение матриц, аналогично произведению обычных чисел. Без него не получилось бы и считывать данные из входного потока, не заботясь о том, приходят они из сети, файла или строки в памяти. Везде, где есть интерфейсы, подразумевается и полиморфизм.

Мне правда нравится полиморфизм. Поэтому я даже не стану говорить о его проблемах в мейнстримовых языках. Я также промолчу про узость подхода диспетчеризации только по типу, и про то, как это могло бы быть сделано . В большинстве случаев он работает как надо, а это уже неплохо. Вопрос в другом: является ли полиморфизм тем самым принципом, отличающим ООП от других парадигм? Если бы вы спросили меня (а раз уж вы читаете этот текст, значит, можно считать, что спросили), я бы ответил «нет». И причина всё в тех же процентах использования в коде. Возможно, интерфейсы и полиморфные методы встречаются немного чаще наследования. Но сравните количество строк кода, занимаемое ими, с количеством строк, написанных в обычном процедурном стиле - последних всегда больше. Глядя на языки, поощряющие такой стиль программирования, я не могу назвать их полиморфными. Языки с поддержкой полиморфизма - да, так нормально. Но не полиморфные языки.

(Впрочем, это моё мнение. Вы всегда можете не согласиться.)

Итак, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм - всё это есть в ООП, но ничто из этого не является его неотъемлемым атрибутом. Тогда что такое ООП? Есть мнение, что суть объектно-ориентированного программирования лежит в, собственно, объектах (звучит вполне логично) и классах. Именно идея объединения кода и данных, а также мысль о том, что объекты в программе отражают сущности реального мира. К этому мнению мы ещё вернёмся, но для начала расставим некоторые точки над i.

Чьё ООП круче?

Из предыдущей части видно, что языки программирования могут сильно отличаться по способу реализации объектно-ориентированного программирования. Если взять совокупность всех реализаций ООП во всех языках, то вероятнее всего вы не найдёте вообще ни одной общей для всех черты. Чтобы как-то ограничить этот зоопарк и внести ясность в рассуждения, я остановлюсь только одной группе - чисто объекто-ориентированные языки, а именно Java и C#. Термин «чисто объектно-ориентированный» в данном случае означает, что язык не поддерживает другие парадигмы или реализует их через всё то же ООП. Python или Ruby, например, не буду являться чистыми, т.к. вы вполне можете написать полноценную программу на них без единого объявления класса.

Чтобы лучше понять суть ООП в Java и C#, пробежимся по примерам реализации этой парадигмы в других языках.

Smalltalk. В отличие от своих современных коллег, этот язык имел динамическую типизацию и использовал message-passing style для реализации ООП. Вместо вызовов методов объекты посылали друг другу сообщения, а если получатель не мог обработать то, что пришло, он просто пересылал сообщение кому-то ещё.

Common Lisp. Изначально CL придерживался такой же парадигмы. Затем разработчики решили, что писать `(send obj "some-message)` - это слишком долго, и преобразовали нотацию в вызов метода - `(some-method obj)`. На сегодняшний день Common Lisp имеет развитую систему объектно-ориентированного программирования (CLOS) с поддержкой множественного наследования, мультиметодов и метаклассов. Отличительной чертой является то, что ООП в CL крутится не вокруг объектов, а вокруг обобщённых функций.

Clojure. Clojure имеет целых 2 системы объектно-ориентированного программирования - одну, унаследованную от Java, и вторую, основанную на мультиметодах и более похожую на CLOS.

R. Этот язык для статистического анализа данных также имеет 2 системы объектно-ориентированного программирования - S3 и S4. Обе унаследованы от языка S (что не удивительно, учитывая, что R - это open source реализация коммерческого S). S4 по большей части соотвествует реализациям ООП в современных мейнстримовых языках. S3 является более легковесным вариантом, элементарно реализуемым средствами самого языка: создаётся одна общая функция, диспетчеризирующая запросы по атрибуту «class» полученного объекта.

JavaScript. По идеологии похож на Smalltalk, хотя и использует другой синтаксис. Вместо наследования использует прототипирование: если искомого свойства или вызванного метода в самом объекте нет, то запрос передаётся объекту-прототипу (свойство prototype всех объектов JavaScript). Интересным является факт, что поведение всех объектов класса можно поменять, заменив один из методов прототипа (очень красиво, например, выглядит добавление метода `.toBASE64` для класса строки).

Python. В целом придерживается той же концепции, что и мейнcтримовые языки, но кроме этого поддерживает передачу поиска атрибута другому объекту, как в JavaScript или Smalltalk.

Haskell. В Haskell вообще нет состояния, а значит и объектов в обычном понимании. Тем не менее, своеобразное ООП там всё-таки есть: типы данных (types) могут принадлежать одному или более классам типов (type classes). Например, практически все типы в Haskell состоят в классе Eq (отвечает за операции сравнения 2-х объектов), а все числа дополнительно в классах Num (операции над числами) и Ord (операции <, <=, >=, >). В менстримовых языках типам соответствуют классы (данных), а классам типов - интерфейсы.

Stateful или Stateless?

Но вернёмся к более распространённым системам объектно-ориентированного программирования. Чего я никогда не мог понять, так это отношения объектов с внутренним состоянием. До изучения ООП всё было просто и прозрачно: есть структуры, хранящие несколько связанных данных, есть процедуры (функции), их обрабатывающие. выгулять(собаку), снятьс(аккаунт, сумма). Потом пришли объекты, и это было тоже ничего (хотя читать программы стало гораздо сложней - моя собака выгуливала [кого?], а аккаунт снимал деньги [откуда?]). Затем я узнал про сокрытие данных. Я всё ещё мог выгулять собаку, но вот посмотреть состав её пищи уже не мог. Пища не выполняла никаких действий (наверное, можно было написать, что пища.съесть(собака), но я всё-таки предпочитаю, чтобы моя собака ела пищу, а не наоборот). Пища - это просто данные, а мне (и моей собаке) нужно было просто получить к ним доступ. Всё просто . Но в рамки парадигмы влезть было уже невозможно, как в старые джинсы конца 90-х.

Ну ладно, у нас есть методы доступа к данным. Пойдём на этот маленький самообман и притворимся, что данные у нас действительно скрыты. Зато я теперь знаю, что объекты - это в первую очередь данные, а потом уже, возможно, методы их обрабатывающие. Я понял, как писать программы, к чему нужно стремиться при проектировании.

Не успел я насладиться просветлением, как увидил в интернетах слово stateless (готов поклясться, оно было окружено сиянием, а над буквами t и l висел нимб). Короткое изучение литературы открыло чудесный мир прозрачного потока управления и простой многопоточности без необходимости отслеживать согласованность объекта. Конечно, мне сразу захотелось прикоснуться к этому чудесному миру. Однако это означало полный отказ от любых правил - теперь было непонятно, следует ли собаке самой себя выгуливать, или для этого нужен специальный ВыгулМенеджер; нужен ли аккаунт, или со всей работой справится Банк, а если так, то должен он списывать деньги статически или динамически и т.д. Количество вариантов использования возрасло экспоненциально, и все варианты в будущем могли привести к необходимости серьёзного рефакторинга.

Я до сих пор не знаю, когда объект следует сделать stateless, когда stateful, а когда просто контейнером данных. Иногда это очевидно, но чаще всего нет.

Типизация: статическая или динамическая?

Еща одна вещь, с которой я не могу определиться относительно таких языков, как C# и Java, это являются они статически или динамически типизированными. Наверное большинство людей воскликнет «Что за глупость! Конечно статически типизированными! Типы проверяются во время компиляции!». Но действительно ли всё так просто? Правда ли, что программист, прописывая в параметрах метода тип X может быть уверен, что в него всегда будут передаваться объекты именно типа X? Верно - не может, т.к. в метод X можно будет передать параметр типа X или его наследника . Казалось бы, ну и что? Наследники класса X всё равно будут иметь те же методы, что и X. Методы методами, а вот логика работы может оказаться совершенно другой. Самый распространённый случай, это когда дочерний класс оказывается соптимизированным под другие нужды, чем X, а наш метод может рассчитывать именно на ту оптимизацию (если вам такой сценарий кажется нереалистичным, попробуйте написать плагин к какой-нибудь развитой open source библиотеке - либо вы потратите несколько недель на разбор архитектуры и алгоритмов библиотеки, либо будете просто наугад вызывать методы с подходящей сигнатурой). В итоге программа работает, однако скорость работы падает на порядок. Хотя с точки зрения компилятора всё корректно. Показательно, что Scala, которую называют наследницей Java, во многих местах по умолчанию разрешает передавать только аргументы именно указанного типа, хотя это поведение и можно изменить.

Другая проблема - это значение null, которое может быть передано практически вместо любого объекта в Java и вместо любого Nullable объекта в C#. null принадлежит сразу всем типам, и в то же время не принадлежит ни одному. null не имеет ни полей, ни методов, поэтому любое обращение к нему (кроме проверки на null) приводит к ошибке. Вроде бы все к этому привыкли, но для сравнения Haskell (да и та же Scala) заставлют использовать специальные типы (Maybe в Haskell, Option в Scala) для обёртки функций, которые в других языках могли бы вернуть null. В итоге про Haskell часто говорят «скомпилировать программу на нём сложно, но если всё-таки получилось, значит скорее всего она работает корректно».

С другой стороны, мейнстримовые языки, очевидно, не являются динамически типизированными, а значит не обладают такими свойствами, как простота интерфейсов и гибкость процедур. В итоге писать в стиле Python или Lisp также становится невозможным.

Какая разница, как называется такая типизация, если все правила всё равно известны? Разница в том, с какой стороны подходить к проектированию архитектуры. Существует давний спор, как строить систему: делать много типов и мало функций, или мало типов и много функций? Первый подход активно используется в Haskell, второй в Lisp. В современных объектно-ориентированных языках используется что-то среднее. Я не хочу сказать, что это плохо - наверное у него есть свои плюсы (в конце концов не стоит забывать, что за Java и C# стоят мультиязыковые платформы), но каждый раз приступая к новому проекту я задумываюсь, с чего начать проектирования - с типов или с функционала.

И ещё...

Я не знаю, как моделировать задачу. Считается, что ООП позволяет отображать в программе объекты реального мира. Однако в реальности у меня есть собака (с двумя ушами, четырмя лапами и ошейником) и счёт в банке (с менеджером, клерками и обеденным перерывом), а в программе - ВыгулМенеджер, СчётФабрика… ну, вы поняли. И дело не в том, что в программе есть вспомогательные классы, не отражающие объекты реального мира. Дело в том, что поток управления изменяется . ВыгулМенеджер лишает меня удовольствия от прогулки с собакой, а деньги я получаю от бездушного БанкСчёта (эй, где та милая девушка, у которой я менял деньги на прошлой неделе?).

Может быть я сноб, но мне было гораздо приятней, когда данные в компьютере были просто данными, даже если описывали мою собаку или счёт в банке. С данными я мог сделать то, что удобно, без оглядки на реальный мир.

Я также не знаю, как правильно декомпозировать функционал. В Python или C++, если мне нужна была маленькая функция для преобразования строки в число, я просто писал её в конце файла. В Java или C# я вынужден выносить её в отдельный класс StringUtils. В недо-ОО-языках я мог объявить ad hoc обёртку для возврата двух значений из функции (снятую сумму и остаток на счету). В ООП языках мне придётся создать полноценный класс РезультатТранзакции. И для нового человека на проекте (или даже меня самого через неделю) этот класс будет выглядеть точно таким же важным и фундаментальным в архитектуре системы. 150 файлов, и все одинаково важные и фундаментальные - о да, прозрачная архитектура, прекрасные уровни абстракции.

Я не умею писать эффективные программы. Эффективные программы используют мало памяти - иначе сборщик мусора будет постоянно тормозить выполнение. Но чтобы совершить простейшую операцию в объектно-ориентированных языках приходится создавать дюжину объектов. Чтобы сделать один HTTP запрос мне нужно создать объект типа URL, затем объект типа HttpConnection, затем объект типа Request… ну, вы поняли. В процедурном программировании я бы просто вызвал несколько процедур, передав им созданную на стеке структуру. Скорее всего, в памяти был бы создан всего один объект - для хранения результата. В ООП мне приходится засорять память постоянно.

Возможно, ООП - это действительно красивая и элегантная парадигма. Возможно, я просто недостаточно умён, чтобы понять её. Наверное, есть кто-то, кто может создать действительно красивую программу на объектно-ориентированном языке. Ну что ж, мне остаётся только позавидовать им.

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.

По мере совершенствования вычислительной техники компьютеры стали использоваться для решения все более и более сложных задач. Оказалось, что для решения сложных задач важна не только повышенная вычислительная мощность компьютеров, но и эффективность написания сложных программ. Объектно-ориентированное программирование (ООП) появилось именно как эффективный способ преодоления трудностей, возникающих при создании сложных программ.

Наиболее значимой частью ООП является особый подход к решению сложных задач программирования, называемый объектно-ориентированным анализом , а объектно-ориентированные языки программирования - просто удобные инструменты для реализации этого подхода.

История

Основатели ООП - выдающиеся норвежские ученые Кристен Нигаард (Cristen Nygaard) и Оле-Йохан Даль (Ole-Johan Dahl). Работая над моделированием судовождения, Нигаард понял, что существующие программные средства малоэффективны в создании столь сложных программ, и тогда Нигаард начал разрабатывать концепции нового программирования, позволяющего преодолеть барьеры сложности, и которое впоследствии было названо объектно-ориентированным (сам термин был придуман Аланом Кеем, автором языка Java). Вместе с Оле-Йоханом Далем Нигаард разработал основные положения ООП и практические механизмы их реализации, которые затем были воплощены в первом ООЯ Симула (Simula). Заслуги этих ученых были по достоинству оценены мировым научным сообществом, и в 2001 году Нигаард и Даль стали лауреатами премии имени Алана Тьюринга - своеобразного аналога Нобелевской премии в области computer science.

Язык Симула пользовался известностью в академических кругах, однако по ряду причин не завоевал популярности среди разработчиков коммерческого ПО. Тем не менее основные идеи и возможности ООП были очень привлекательны для программистов. Впоследствии были созданы другие ООЯ: SmallTalk (1980), C++ (1985), Eiffel (1986), Object Pascal (1986) и Delphi (1995), Oberon-2 (1991), Java (1991), Visual Basic (1991) и многие другие. Некоторые из этих языков стали промышленными стандартами в программировании.

Особенности ООП

Основная идея ООП заключается в том, что следует создавать программные структуры, поведение и взаимодействие которых имитирует поведение и взаимодействие объектов реального мира (т.е. в программе как бы создаются виртуальные аналоги реальных сущностей). Объектно-ориентированные языки программирования должны предоставлять средства для удобного и быстрого воплощения этого подхода.

В обыденной жизни люди используют (пусть даже неосознанно) различные приемы “экономии мышления”, позволяющие осмысливать и выражать сложные явления в простых понятиях. Типичными приемами “экономии мышления” являются:

· абстрагирование (отбрасывание несущественных деталей);

· обобщение (выделение общих существенных признаков у разных явлений или предметов);

· классификация (осознание связи между явлениями и степени их схожести).

Эти простые приемы помогают человеку справиться со сложностью рассматриваемых явлений. И объектно-ориентированные языки программирования также должны предоставлять подобные средства для “борьбы со сложностью” программ. Для реализации объектно-ориентированного подхода в языки программирования вводятся новые понятия:

· объекты - особые программные структуры, объединяющие данные и алгоритмы их обработки;

· инкапсуляция - сокрытие подробностей функционирования объектов;

· наследование - “сокращенный” способ создания новых классов;

· полиморфизм - возможность применения нескольких реализаций одной функции.

Объекты и классы

Объекты - особые программные единицы, состоящие из данных и алгоритмов для обработки именно этих данных . Данные, входящие в состав объекта, называются полями (атрибутами, свойствами, членами). Алгоритмы, входящие в состав объекта, называются методами (сервисами, операциями, функциями-членами). К сожалению, единой устоявшейся терминологии в ООП нет, и в разных языках используются различные термины для обозначения одних и тех же понятий.

Классы - это объектные типы данных. Подобно тому, как целые числа принадлежат какому-нибудь целочисленному типу (например, integer или byte), объекты также принадлежат какому-либо объектному типу - классу. Все объекты одного класса имеют одинаковый набор полей и одинаковый набор методов.

В некоторых языках (C++, Java) объекты называются экземплярами класса (instances).

Полезность использования классов и объектов заключается в том, что проверка логического (смыслового) соответствия между данными и функциями для обработки данных становится тривиальной задачей и может быть в основном переложена на компилятор (компьютер) - теперь он сам может определить неверное использование данных.

Инкапсуляция

Инкапсуляция (дословно - “сокрытие”) - контролируемое сокрытие информации о внутренней структуре класса. В классе могут быть поля и методы, используемые объектами исключительно для обеспечения своей работы (например, буфер в динамической памяти, файл с рабочими данными, методы для работы с этим файлом и т.п.). Изменять такие поля или вызывать методы извне объекта опасно - это может нарушить его рабочее состояние. Для обеспечения безопасности объектов подобные поля и методы можно скрыть - запретить обращение к ним извне.

С позиций “борьбы со сложностью” инкапсуляция позволяет переложить часть контроля за правильностью работы с объектами на компилятор (компьютер).

Различные ООЯ предлагают разные возможности по инкапсуляции полей и методов (от полного отсутствия и до автоматического сокрытия всех полей). В промышленных ООЯ, таких, как C++, Java, Delphi, Eiffel и т.д., предусмотрены три уровня инкапсуляции полей и методов:

· public - на обращение к публичным полям и методам объектов нет никаких ограничений;

· protected - прямое обращение к защищенным полям и методам возможно только из методов данного класса и методов дочерних классов;

· private - прямое обращение к приватным полям и методам возможно исключительно из методов данного класса.

Наследование

Наследование - создание новых классов путем дописывания только отличий от уже существующих классов, опуская описания совпадающих элементов. При наследовании новый класс называется классом-потомком (производным, дочерним, подклассом), а исходный класс называется классом-предком (базовым, родительским, суперклассом).

Наследование сокращает размер программы за счет исключения повторных описаний. Все поля и методы, объявленные в классе-предке, автоматически переносятся в класс-потомок, и их принято называть унаследованными (inherited).

При необходимости любой родительский метод можно переопределить - т.е. назначить выполнение другого алгоритма в случае вызова одноименного метода класса-потомка.

Некоторые ООЯ поддерживают множественное наследование , при котором производный класс наследует все свойства и методы одновременно от нескольких классов. К сожалению, множественное наследование таит в себе немало логических конфликтных ситуаций, а его поддержка усложняет язык программирования, и особенно - компилятор. По этой причине во многих ООЯ множественное наследование просто запрещено, но его можно сымитировать.

Совокупность всех классов-предков и классов-потомков называется иерархией классов .

Наследование классов - центральное понятие ООП, на нем прямо или косвенно базируются все остальные понятия и механизмы. Абсолютному большинству механизмов ООП, чтобы проявить свои преимущества, требуется построение иерархий классов.

Полиморфизм

Полиморфизм (дословно - “многообразие форм”) - возможность использовать одно имя для нескольких методов (или функций), имеющих сходное назначение. Другая интерпретация - один метод (функция) может иметь несколько вариантов реализации; такой метод (функция) называется полиморфным . Подобно другим механизмам ООП, полиморфизм является средством упрощения разработки сложных программ. Фактически полиморфизм отделяет понятие, что надо сделать, от того, как это надо делать.

Если провести аналогию с реальной жизнью, то полиморфизм соответствует обобщенным действиям. Например, глагол “музицировать” означает “играть на музыкальном инструменте”. Но на разных музыкальных инструментах играют по-разному. Термин один, а вариантов действия - много. Значит, “музицировать” - полиморфное действие . В ООП действию “музицировать” соответствовал бы полиморфный метод , имеющий свои реализации для каждого класса музыкальных инструментов.

В ООП есть два вида полиморфных методов - перегруженные и виртуальные .

Перегруженные методы предназначены для выполнения с данными разных типов. Они имеют одинаковые имена, но разные списки аргументов и/или тип возвращаемого значения.

Виртуальные методы предназначены для выполнения одинаковых по смыслу операций в объектах родственных, но не совпадающих классов. Виртуальные методы имеют одинаковые имена и прототипы. Их главная особенность - они всегда точно соответствуют реальному классу объекта.

Типичный пример перегруженных функций - функция SQR в Паскале. Она вычисляет квадрат числа, причем для целых аргументов результат будет также целым, а для вещественных - вещественным.

Достоинства виртуальных методов проявляются только при использовании иерархии классов. Типичная схема использования виртуальных методов такова:

· В классе-предке иерархии объявляется полиморфный метод, который описывает некое полезное действие. При этом либо он использует виртуальный метод, либо сам является виртуальным.

· В классах-потомках соответствующий виртуальный метод переопределяется - для каждого класса-потомка это полезное действие выполняется по-своему.

· При вызове для объекта, принадлежащего классу-потомку, полиморфного метода на деле используется виртуальный метод класса-потомка (а не класса-предка).

Яркий пример подобного использования виртуальных методов - система графического оконного интерфейса Delphi или Visual Basic: каждый видимый элемент графического интерфейса - кнопка, ползунок, окно и т.п. - должен быть потомком класса TControl. В классе TControl вводятся общие полиморфные методы отрисовки элементов графического интерфейса, а любой его потомок может нарисовать себя на экране своим собственным способом.

Объектно-ориентированное программирование явно не упоминается в Стандарте 2004 года, хотя в Обязательном минимуме содержания образования по информатике для учащихся профильных заведений (Уровень Б) такая тема присутствовала: Объектно-ориентированное программирование: объект, свойства объекта, операции над объектом . Там же упоминалась и объектно-ориентированная технология программирования.

Тем не менее ООП не просто вошло в практику преподавания информатики (программирования) многих школ, но и присутствует на страницах школьных учебников (Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10–11-х классов, 2005. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний). Кроме того, в пропедевтическом курсе информатики для начальной школы (рабочие тетради авторского коллектива под руководством А.Горячева. 1–4-е классы) также вводятся понятия объекта и его свойств .

Технология (парадигма) ООП требует не столько освоения современной техники программирования, сколько умения разрабатывать объектную модель решаемой задачи. Для этого требуется хорошо знать базовые принципы ООП и программирования вообще, однако знание какого-либо ООЯ не является обязательным - об этом неоднократно писали основоположники и теоретики ООП. Так, Гради Буч в своей книге “Объектно-ориентированное проектирование и анализ” высказывает следующую максиму: “Писать программы в объектно-ориентированном стиле можно в любом (не объектно-ориентированном) языке программирования”. Для построения алгоритма по технологии ООП требуется сформировать список объектов, с которыми работает алгоритм, продумать свойства каждого объекта и реализовать алгоритм как взаимодействие описанных объектов.

Как уже было сказано в статье, такой подход упрощает решение сложных задач, но в рамках школы (с учетом ограниченного числа часов) трудно придумать содержательные учебные задачи, которые бы не надуманно требовали использования технологии ООП в полной мере.

Фактически же ООП в школе рассматривается лишь как неотъемлемая часть визуального и компонентного программирования в современных профессиональных системах программирования, а в качестве объектов используются готовые объектные библиотеки различного уровня - это и библиотеки для построения графического интерфейса Windows-приложений, и многоцелевые универсальные библиотеки типов данных (например, STL в С++). Для примитивного использования этих библиотек достаточно знать и уметь применять несколько простейших правил синтаксиса языка программирования. Однако такие “знания” никоим образом не приближают учащихся ни к профессиональному овладению языком программирования, ни даже к пониманию ООП. Но, видимо, ничего страшного в этом нет. Школьная информатика и в профильной школе не ставит своей целью подготовку профессиональных программистов. Преподавание ООП - это специальная тема, даже на соответствующих специальностях вузов ее часто не изучают в достаточном объеме.

Не отрицая полностью предложение некоторых преподавателей информатики поставить объектно-ориентированный подход во главу угла изучения программирования, в том числе в школе, отметим, что ООП невозможно без таких базовых понятий, как программа, исполнитель, переменная, условие, цикл и т.д. Концепция ООП также включает в себя классическое процедурное программирование (см. “Подпрограммы ”), как механика Эйнштейна - механику Ньютона: достаточно представить себе процедурную программу как единственный объект с опущенным для простоты именем. Поэтому в первую очередь задача курса программирования в школе - научить базовым вещам. И лишь при возможности работы с современными визуальными средами программирования (Delphi, Visual Basic, Visual C++
и т.п.) познакомить с понятием объектов и их использованием в основном с помощью методики обучения программированию “по образцу”.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) составляет основу Java. По существу, все программы на Java являются в какой-то степени объектно- ориентированными. Язык Java связан с ООП настолько тесно, что прежде чем приступить к написанию на нем даже простейших программ, следует вначале ознакомиться с основными принципами ООП. Поэтому начнем с рассмотрения тео­ретических вопросов ООП.

Две методики

Все компьютерные программы состоят из двух элементов: кода и данных. Более того, программа концептуально может быть организована вокруг своего кода или своих данных. Иными словами, организация одних программ определяется тем, “что происходит”, а других - тем, “на что оказывается влияние”. Существуют две методики создания программ. Первая из них называется моделью, ориентированной на процессы и характеризует программу как последовательность линейных шагов (т.е. кода). Модель, ориентированную на процессы, можно рассматривать в каче­стве кода, воздействующего на данные. Такая модель довольно успешно применяется в процедурных языках вроде С. Но, как отмечалось в главе 1, подобный подход по­рождает ряд трудностей в связи с увеличением размеров и сложности программ.

С целью преодолеть увеличение сложности программ была начата разработ­ка подхода, называемого объектно-ориентированным программированием. Объектно- ориентированное программирование позволяет организовать программу вокруг ее данных (т.е. объектов) и набора вполне определенных интерфейсов с этими данными. Объектно-ориентированную программу можно охарактеризовать как данные, управляющие доступом к коду. Как будет показано далее, передавая функции управления данными, можно получить несколько организационных преимуществ.

Абстракция

Важным элементом ООП является абстракция. Человеку свойственно представ­лять сложные явления и объекты, прибегая к абстракции. Например, люди представляют себе автомобиль не в виде набора десятков тысяч отдельных деталей, а в виде совершенно определенного объекта, имеющего свое особое поведение. Эта абстракция позволяет не задумываться о сложности деталей, составляющих автомобиль, скажем, при поездке в магазин. Можно не обращать внимания на подробности работы двигателя, коробки передач и тормозной системы. Вместо этого объект можно использовать как единое целое.

Эффективным средством применения абстракции служат иерархические клас­сификации. Это позволяет упрощать семантику сложных систем, разбивая их на более управляемые части. Внешне автомобиль выглядит единым объектом. Но стоит заглянуть внутрь, как становится ясно, что он состоит из нескольких под­систем: рулевого управления, тормозов, аудиосистемы, привязных ремней, обо­гревателя, навигатора и т.п. Каждая из этих подсистем, в свою очередь, собрана из более специализированных узлов. Например, аудиосистема состоит из радиопри­емника, проигрывателя компакт-дисков и/или аудиокассет. Суть всего сказанного состоит в том, что структуру автомобиля (или любой другой сложной системы) можно описать с помощью иерархических абстракций.

Иерархические абстракции сложных систем можно применять и к компьютер­ным программам. Благодаря абстракции данные традиционной, ориентирован­ной на процессы, программы можно преобразовать в составляющие ее объекты, а последовательность этапов процесса - в совокупность сообщений, передавае­мых между этими объектами. Таким образом, каждый из этих объектов описывает свое особое поведение. Эти объекты можно считать конкретными сущностями, реагирующими на сообщения, предписывающие им вътолнитьконкретное действие. В этом, собственно, и состоит вся суть ООП.

Принципы ООП лежат как в основе языка Java, так и восприятия мира человеком. Важно понимать, каким образом эти принципы реализуются в программах. Как станет ясно в дальнейшем, ООП яаляется еще одной, но более эффективной и естественной методикой создания программ, способных пережить неизбежные изменения, сопро­вождающие жизненный цикл любого крупного программного проекта, включая за­рождение общего замысла, развитие и созревание. Например, при наличии тщатель­но определенных объектов и ясных, надежных интерфейсов с этими объектам можно безбоязненно и без особого труда извлекать или заменять части старой системы.

Три принципа ООП

Все языки объектно-ориентированного программирования предоставляют ме­ханизмы, облегчающие реализацию объектно-ориентированной модели. Этими механизмами являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Рассмотрим эти принципы ООП в отдельности.

Инкапсуляция

Механизм, связывающий код и данные, которыми он манипулирует, защищая оба эти компонента от внешнего вмешательства и злоупотреблений, называется инкап­суляцией. Инкапсуляцию можно считать защитной оболочкой, которая предохраня­ет код и данные от произвольного доступа со стороны другого кода, находящегося снаружи оболочки. Доступ к коду и данным, находящимся внутри оболочки, строго контролируется тщательно определенным интерфейсом. Чтобы провести анало­гию с реальным миром, рассмотрим автоматическую коробку передач автомобиля. Она инкапсулирует немало сведений об автомобиле, в том числе величину ускоре­ния, крутизну поверхности, по которой совершается движение, а также положение рычага переключения скоростей. Пользователь (в данном случае водитель) может оказывать влияние на эту сложную инкапсуляцию только одним способом: переме­щая рычаг переключения скоростей. На коробку передач нельзя воздействовать, например, с помощью индикатора поворота или дворников. Таким образом, рычаг переключения скоростей является строго определенным, а по существу, единствен­ным, интерфейсом с коробкой передач. Более того, происходящее внутри коробки передач не влияет на объекты, находящиеся вне ее. Например, переключение пере­дач не включает фары! Функция автоматического переключения передач инкапсу­лирована, и поэтому десятки изготовителей автомобилей могут реализовать ее как угодно. Но с точки зрения водителя все эти коробки передач работают одинаково. Аналогичный принцип можно применять и в программировании. Сильная сторона инкапсулированного кода состоит в следующем: всем известно, как получить доступ к нему, а следовательно, его можно использовать независимо о подробностей реали­зации и не опасаясь неожиданных побочных эффектов.

Основу инкапсуляции ejavaсоставляет класс. Подробнее классы будут рассмотре­ны в последующих главах, а до тех пор полезно дать хотя бы краткое их описание. Класс определяет структуру и поведение (данные и код), которые будут совместно использоваться набором объектов. Каждый объект данного класса содержит струк­туру и поведение, которые определены классом, как если бы объект был “отлит” в форме класса. Поэтому иногда объекты называют экземплярами класса. Таким об­разом, класс - это логическая конструкция, а объект - ее физическое воплощение.

При создании класса определяются код и данные, которые образуют этот класс. Совместно эти элементы называются членами класса. В частности, определенные в классе данные называются перемени ымичленами, или переменными экземпляра, а код, оперирующий данными, - методами-членами, или просто методами. (То, что програм­мирующие на Java называют методами, программирующие на C/C++ называют функ­циями) В программах, правильно написанных на Java, методы определяют, каким об­разом используются переменные-члены. Это означает, что поведение и интерфейс класса определяются методами, оперирующими данными его экземпляра.

Поскольку назначение класса состоит в инкапсуляции сложной структуры про­граммы, существуют механизмы сокрытия сложной структуры реализации в самом классе. Каждый метод или переменная в классе могут быть помечены как закрытые или открытые. Открытый интерфейс класса представляет все, что должны или мо­гут знать внешние пользователи класса. Закрытые методы и данные могут быть до­ступны только для кода, который является членом данного класса. Следовательно, любой другой код, не являющийся членом данного класса, не может получать доступ к закрытому методу или переменной. Закрытые члены класса доступны другим ча­стям программы только через открытые методы класса, и благодаря этому исключа­ется возможность выполнения неправомерных действий. Это, конечно, означает, что открытый интерфейс должен быть тщательно спроектирован и не должен рас­крывать лишние подробности внутреннего механизма работы класса (рис 1).

Рис. 1.

Наследование

Процесс, в результате которого один объект получает свойства другого, назы­вается наследованием. Это очень важный принцип ООП, поскольку наследование обеспечивает принцип иерархической классификации. Как отмечалось ранее, большинство знаний становятся доступными для усвоения благодаря иерархиче­ской (т.е. нисходящей) классификации. Например, золотистый ретривер - часть классификации собак, которая, в свою очередь, относится к классу млекопитающих, а тот - к еще большему классу животных. Без иерархий каждый объект должен был бы явно определять все свои характеристики. Но благодаря наследованию объект должен определять только те из них, которые делают его особым в классе. Объект может наследовать общие атрибуты от своего родительского объекта. Таким об­разом, механизм наследования позволяет сделать один объект частным случаем более общего случая. Рассмотрим этот механизм подробнее.

Как правило, большинство людей воспринимают окружающий мир в виде ие­рархически связанных между собой объектов, подобных животным, млекопитаю­щим и собакам. Если требуется привести абстрактное описание животных, можно сказать, что они обладают определенными свойствами: размеры, уровень интел­лекта и костная система. Животным присущи также определенные особенности поведения: они едят, дышат и спят. Такое описание свойств и поведения составля­ет определение класса животных.

Если бы потребовалось описать более конкретный класс животных, например млекопитающих, следовало бы указать более конкретные свойства, в частности тип зубов и молочных желез. Такое определение называется подклассом животных, которые относятся к суперклассу (родительскому классу) млекопитающих. А поскольку млекопитающие - лишь более точно определенные животные, то они на­следуют все свойства животных. Подкласс нижнего уровня иерархии классов наследу­ет все свойства каждого из его родительских классов (рис. 2).

Рис. 2.

Наследование связано также с инкапсуляцией. Если отдельный класс инкапсули­рует определенные свойства, то любой его подкласс будет иметь те же самые свойства плюс любые дополнительные, определяющие его специализацию (рис. 3). Благодаря этому ключевому принципу сложность объектно-ориентированных программ нарастает в арифметической, а не геометрической прогрессии. Новый под­класс наследует атрибуты всех своих родительских классов и поэтому не содержит непредсказуемые взаимодействия с большей частью остального кода системы.

Рис. 3. Лабрадор полностью наследует инкапсулированные свойства всех родительских классов животных

Полиморфизм

Полиморфизм (от греч. “много форм”) - это принцип ООП, позволяющий ис­пользовать один и тот же интерфейс для общего класса действий. Каждое действие зависит от конкретной ситуации. Рассмотрим в качестве примера стек, действую­щий как список обратного магазинного типа. Допустим, в программе требуются стеки трех типов: для целочисленных значений, для числовых значений с плаваю­щей точкой и для символов. Алгоритм реализации каждого из этих стеков остается неизменным, несмотря на отличия в данных, которые в них хранятся. В языке, не являющемся объектно-ориентированным, для обращения со стеком пришлось бы создавать три разных ряда служебных программ под отдельными именами. A ejava, благодаря принципу полиморфизма, для обращения со стеком можно определить общий ряд служебных программ под одними и теми же общими именами.

В более общем смысле принцип полиморфизма нередко выражается фразой “один интерфейс, несколько методов”. Это означает, что можно разработать об­щий интерфейс для группы связанных вместе действий. Такой подход позволяет уменьшить сложность программы, поскольку один и тот же интерфейс служит для указания общего класса действий. А выбор конкретного действия (т.е. метода) де­лается применительно к каждой ситуации и входит в обязанности компилятора. Это избавляет программиста от необходимости делать такой выбор вручную. Ему нужно лишь помнить об общем интерфейсе и правильно применять его.

Если продолжить аналогию с собаками, то можно сказать, что собачье обоня­ние - полиморфное свойство. Если собака почувствует запах кошки, она залает и погонится за ней. А если собака почувствует запах своего корма, то у нее нач­нется слюноотделение, и она поспешит к своей миске. В обоих случаях действует одно и то же чувство обоняния. Отличие лишь в том, что именно издает запах, т.е. в типе данных, воздействующих на нос собаки! Этот общий принцип можно реализовать, применив его к методам в программе на Java.

Совместное применение полиморфизма, инкапсуляции и наследования

Если принципы полиморфизма, инкапсуляции и наследования применяются правильно, то они образуют совместно среду программирования, поддерживаю­щую разработку более устойчивых и масштабируемых программ, чем в том случае, когда применяется модель, ориентированная на процессы. Тщательно продуман­ная иерархия классов служит прочным основанием для многократного использо­вания кода, на разработку и проверку которого были затрачены время и усилия. Инкапсуляция позволяет возвращаться к ранее созданным реализациям, не нару­шая код, зависящий от открытого интерфейса применяемых в приложении клас­сов. А полиморфизм позволяет создавать понятный, практичный, удобочитаемый и устойчивый код.

Из двух приведенных ранее примеров из реальной жизни примере автомобиля­ми более полно иллюстрирует возможности ООП. Если пример с собаками вполне подходит для рассмотрения ООП с точки зрения наследования, то пример с авто­мобилями имеет больше общего с программами. Садясь за руль различных типов (подклассов) автомобилей, все водители пользуются наследованием. Независимо от того, является ли автомобиль школьным автобусом, легковым, спортивным автомобилем или семейным микроавтобусом, все водители смогут легко найти руль, тормоза, педаль акселератора и пользоваться ими. Немного повозившись с рычагом переключения передач, большинство людей могут даже оценить отличия руч­ной коробки передач от автоматической, поскольку они имеют ясное представление об общем родительском классе этих объектов - системе передач.

Пользуясь автомобилями, люди постоянно взаимодействуют с их инкапсули­рованными характеристиками. Педали тормоза и газа скрывают невероятную сложность соответствующих объектов за настолько простым интерфейсом, что для управления этими объектами достаточно нажать ступней педаль! Конкретная реализация двигателя, тип тормозов и размер шин не оказывают никакого влия­ния на порядок взаимодействия с определением класса педалей.

И наконец, полиморфизм ясно отражает способность изготовителей автомо­билей предлагать большое разнообразие вариантов, по сути, одного и того же средства передвижения. Так, на автомобиле могут быть установлены система тор­мозов с защитой от блокировки или традиционные тормоза, рулевая система с гидроусилителем или с реечной передачей и 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели. Но в любом случае придется нажать на педаль тормоза, чтобы остановиться, вращать руль, чтобы повернуть, и нажать на педаль акселератора, чтобы автомобиль дви­гался быстрее. Один и тот же интерфейс может быть использован для управления самыми разными реализациями.

Как видите, благодаря совместному применению принципов инкапсуляции, наследования и полиморфизма отдельные детали удается превратить в объект, называемый автомобилем. Это же относится и к компьютерным программам. Принципы ООП позволяют составить связную, надежную, сопровождаемую про­грамму из многих отдельных частей.

Как отмечалось в начале этого раздела, каждая программа на Java является объ­ектно-ориентированной. Точнее говоря, в каждой программе Hajava применяют­ся принципы инкапсуляции, наследования иполиморфизма. На первый взгляд может показаться, что не все эти принципы проявляются в коротких примерах программ, приведенных в остальной части этой главы и ряде последующих глав, тем не менее они в них присутствуют. Как станет ясно в дальнейшем, многие языковые средства Java являются составной частью встроенных библиотек классов, в которых широко применяются принципы инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Концепция объектно-ориентированного программирования (ООП) появилась более сорока лет назад, как развитие идей процедурного программирования. Идеология процедурного программирования, на мой взгляд, ничего особенного собой не представляет: все программы представлены набором процедур и функций, в то время как сами процедуры и функции – это последовательности операторов, выполняя которые модифицирует значения переменных в памяти. Основная программа в процедурном программировании также является процедурой (функцией), в теле которой могут быть вызовы других процедур и функций – подпрограмм. Суть процедурного программирования проста: данные отдельно, поведение отдельно. То (какие конструкции в него входят), я постарался собрать в отдельном разделе. Разделение кода на подпрограммы, во-первых, позволяет , а во-вторых, .

Идеология объектно-ориентированного программирования, как следует из самого названия, строится вокруг понятия объект. Объект объединяет в себе и данные и поведение. Объект – это любая сущность, с которой имеет дело программа, а именно: объекты предметной области, моделируемые программой; ресурсы операционной системы; сетевые протоколы и многое другое. По сути, объект – это та же , но дополненная процедурами и функциями, управляющими элементами этой структуры. К примеру, в процедурном языке программирования отдельно была бы создана переменная для хранения имени файла и отдельно – для хранения его дескриптора (уникальный идентификатор ресурса в операционной системе), а также ряд процедур работы с файлом: открыть файл, прочитать данные из файла и закрыть файл. Все бы эти процедуры, помимо обычных параметров и переменных для хранения результата, обязаны были бы принимать тот самый дескриптор, чтобы понять, о каком именно файле идет речь. В объектно-ориентированном языке для этих же целей был бы описан объект-файл, который также бы хранил внутри себя имя и дескриптор и предоставлял бы пользователю процедуры для открытия, чтения и закрытия себя самого (файла, ассоциированного с конкретным объектом). Разница была бы в том, что дескриптор был бы скрыт от остальной части программы, создавался бы в коде процедуры открытия файла и использовался бы неявно только самим объектом. Таким образом, пользователю объекта (программному коду внешней по отношению к объекту программы) не нужно было бы передавать дескриптор каждый раз в параметрах процедур. Объект – это комплект данных и методов работы с этими данными, часть из которых может быть скрыта от окружающего его мира, к которой и относятся детали реализации. Более подробно о терминологии объектно-ориентированного программирования будет рассказано далее.

Объектом в объектно-ориентированном языке программирования является практически все, за исключением операторов: и являются объектами, и описание ошибки является объектом и, наконец, основная программа также является объектом. Осталось понять, что такое объект с точки зрения самой программы, как он создается и используется. Вторым основополагающим понятием ООП является класс. Класс – это тот самый новый в сравнении с процедурным программированием тип данных, экземпляры которого и называются объектами. Класс, как уже было сказано, похож на составной тип данных или структуру, но дополненный процедурами и функциями (методами) для работы со своими данными. Теперь самое время описать основные термины объектно-ориентированного программирования.

Терминология объектно-ориентированного программирования

Перед тем, как перейти к описанию преимуществ, которые дает ООП разработчикам программного обеспечения в процессе , и программных продуктов необходимо познакомиться с наиболее часто встречающимися терминами в этом области.

Класс – тип данных, описывающий структуру и поведение объектов.

Объект – экземпляр класса.

Поле – элемент данных класса: переменная элементарного типа, структура или другой класс, являющийся частью класса.

Состояние объекта – набор текущих значений полей объекта.

Метод – процедура или функция, выполняющаяся в контексте объекта, для которого она вызывается. Методы могут изменять состояние текущего объекта или состояния объектов, передаваемых им в качества параметров.

Свойство – специальный вид методов, предназначенный для модификации отдельных полей объекта. Имена свойств обычно совпадают с именами соответствующих полей. Внешне работа со свойствами выглядит точно так же, как работа с полями структуры или класса, но на самом деле перед тем, как вернуть или присвоить новое значение полю может быть выполнен программный код, осуществляющий разного рода проверки, к примеру, проверку на допустимость нового значения.

Член класса – поля, методы и свойства класса.

Модификатор доступа – дополнительная характеристика членов класса, определяющая, имеется ли к ним доступ из внешней программы, или же они используются исключительно в границах класса и скрыты от окружающего мира. Модификаторы доступа разделяют все элементы класса на детали реализации и открытый или частично открытый интерфейс.

Конструктор – специальный метод, выполняемый сразу же после создания экземпляра класса. Конструктор инициализирует поля объекта – приводит объект в начальное состояние. Конструкторы могут быть как с параметрами, так и без. Конструктор без параметров называют конструктором по умолчанию, который может быть только один. Имя метода конструктора, чаще всего, совпадает с именем самого класса.

Деструктор – специальный метод, вызываемый средой исполнения программы в момент, когда объект удаляется из оперативной памяти. Деструктор используется в тех случаях, когда в состав класса входят ресурсы, требующие явного освобождения (файлы, соединения с базами данных, сетевые соединения и т.п.)

Интерфейс – набор методов и свойств объекта, находящихся в открытом доступе и призванных решать определенный круг задач, к примеру, интерфейс формирования графического представления объекта на экране или интерфейс сохранения состояния объекта в файле или базе данных.

Статический член – любой элемент класса, который может быть использован без создания соответствующего объекта. К примеру, если метод класса не использует ни одного поля, а работает исключительно с переданными ему параметрами, то ничто не мешает его использовать в контексте всего класса, не создавая отдельных его экземпляров. Константы в контексте класса обычно всегда являются статическими его членами.

На этом с терминологией ООП далеко еще не все, но остальные понятия, связанные с этой парадигмой будут рассмотрены в следующем разделе.

Преимущества объектно-ориентированного программирования

Теперь поговорим о свойствах, которые приобретает программа при использовании объектно-ориентированного подхода к ее проектированию и кодированию. Как мне кажется, большинство этих свойств являются преимуществами ООП, но есть на этот счет и другие мнения…

Инкапсуляция обозначает сокрытие деталей реализации классов средствами награждения отдельных его членов соответствующими модификаторами доступа. Таким образом, вся функциональность объекта, нацеленная на взаимодействие с другими объектами программы группируется в открытый интерфейс, а детали тщательно скрываются внутри, что избавляет основной код бизнес-логики от ненужных ему вещей. Инкапсуляция повышает надежность работы программного кода, поскольку гарантирует, что определенные данные не могут быть изменены за пределами содержащего их класса.

Наследование . Краеугольный камень ООП. В объектно-ориентированном программировании есть возможность наследовать структуру и поведение класса от другого класса. Класс, от которого наследуют, называется базовым или суперклассом, а класс, который получается вследствие наследования – производным или просто потомком. Любой класс может выступать как в роли суперкласса, так и в роли потомка. Связи наследования классов образуют иерархию классов. Множественным наследованием называют определение производного класса сразу от нескольких суперклассов. Не все объектно-ориентированные языки программирования поддерживают множественное наследование. Наследование – это эффективный способ выделения многократно используемых фрагментов кода, но у него есть и минусы, о которых будет рассказано далее.

Абстрагирование . Возможность объединять классы в отдельные группы, выделяя общие, значимые для них всех характеристики (общие поля и общее поведение). Собственно, абстрагирование и есть следствие наследования: базовые классы не всегда имеют свою проекцию на объекты реального мира, а создаются исключительно с целью выделить общие черты целой группы объектов. К примеру, объект мебель – это базовое понятие для стола, стула и дивана, всех их объединяет то, что это движимое имущество, часть интерьера помещений, и они могут быть выполнены для дома или офиса, а также относиться к “эконом” или “премиум” классу. В ООП есть для этого отдельное понятие абстрактный класс – класс, объекты которого создавать запрещено, но можно использовать в качестве базового класса. Наследование и абстрагирование позволяют описывать структуры данных программы и связи между ними точно так же, как выглядят соответствующие им объекты в рассматриваемой .

Пример диаграммы классов, построенной путем абстрагирования, в ходе анализа видов существующих транспортных средств приведен на следующем рисунке. На верхних уровнях иерархии наследования находятся абстрактные классы, объединяющие транспортные средства по наиболее значимым характеристикам.


Диаграмма классов или иерархия наследования "Транспортные средства". Белые квадраты обозначают абстрактные классы.

Полиморфизм . Еще одно свойство, которое является следствием наследования. Дело в том, что объектно-ориентированные языки программирования позволяют работать с набором объектов из одной иерархии точно так же, как если бы все они были объектами их базового класса. Если вернуться к примеру про мебель, то можно предположить, что в контексте создания информационной системы для мебельного магазина в базовый класс для всех видов мебели разумно добавить общий для всех метод “показать характеристики”. При распечатке характеристик всех видов товара программа бы без разбору для всех объектов вызывала бы этот метод, а каждый конкретный объект уже сам бы решал, какую информацию ему предоставлять. Как это реализуется: Во-первых, в базовом классе определяют общий для всех метод с общим для всех поведением. В случае с нашим примером это будет метод, печатающий общие для любых типов мебели параметры. Во-вторых, в каждом производном классе, где это необходимо, переопределяют базовый метод (добавляют метод с тем же именем), где расширяют базовое поведение своим, например, выводят характеристики, свойственные только конкретному виду мебельной продукции. Метод в базовом классе иногда вообще не обязан содержать какой-либо код, а необходим только для того, чтобы определить имя и набор параметров – сигнатуру метода. Такие методы называют абстрактными методами, а классы, их содержащие, автоматически становятся абстрактными классами. Итак, полиморфизм – это возможность единообразного общения с объектами разных классов через определенный интерфейс. Идеология полиморфизма гласит, что для общения с объектом вам не нужно знать его тип, а нужно знать, какой интерфейс он поддерживает.

Интерфейс . В некоторых языках программирования (C#, Java) понятие интерфейса выделено явно - это не только открытые методы и свойства самого класса. Такие языки, как правило, не поддерживают множественного наследования и компенсируют это тем, что любой объект может иметь один базовый объект и реализовывать любое количество интерфейсов. Интерфейс в их интерпретации – это подобие абстрактного класса, содержащего только описание (сигнатуру) открытых методов и свойств. Реализация интерфейса ложится на плечи каждого класса, который собирается его поддерживать. Один и тот же интерфейс могут реализовывать классы абсолютно разных иерархий, что расширяет возможности полиморфизма. К примеру, интерфейс “сохранение/восстановление информации в базе данных” могли бы реализовывать как классы иерархии “мебель”, так и классы, связанные с оформлением заказов на изготовление мебели, а при нажатии на кнопку “сохранить” программа бы прошлась по всем объектами, запросила бы у них этот интерфейс и вызвала бы соответствующий метод.

Объектно-ориентированное программирование постоянно развивается, порождая новые парадигмы, такие как аспектно-ориентированное, субъектно-ориентированное и даже агентно-ориентиванное программирование. Нужно отметит, что лавры ООП не дают покоя остальным теоретикам, и они спешат предложить свои варианты его совершенствования и расширения. Про я написал отдельную заметку, а сейчас хочу пару слов сказать про прототипное программирование, которое реализует язык на стороне клиента JavaScript. Прототипное программирование исключает понятие класса, заменяя его прототипом – образцом объекта. Таким образом, в прототипно-ориентированном языке нет понятия типа объекта, а есть понятие образец или прототип. Прототип – это экземпляр объекта, по которому создаются другие экземпляры, копируя (клонируя) его члены. В JavaScript вы не описываете поля и методы класса, а создаете сначала пустой объект, а потом добавляете ему нужные поля и методы (в JavaScript метод можно определить и добавить к объекту динамически). Точно также создаются и прототипы, на которые потом ссылаются другие объекты, как на свой прообраз. Если у объекта не находится какого-то метода или поля, которое указано в месте вызовы, то оно ищется среди членов его прототипа. То, я также отдельно описал.

Некоторые элементы современного объектно-ориентированного программирования

Время не стоит на месте, да и времени с момента появления ООП уже прошло довольно много, поэтому не стоит удивляться, что сегодня словарь по объектно-ориентированному программированию серьезно разросся. Итак, вот некоторые новые термины и понятия, связанные с ООП.

События . Специальный вид объектов, создаваемый для оповещения одних объектов о событиях, происходящих с другими объектами. В разных языках программирования механизм событий реализуется по-разному: где-то с помощью специальных синтаксических конструкции, а где-то силами базовых средств ООП.

Универсальный тип . Концепция универсальных типов не связана непосредственно с концепцией ООП, но она является причиной появление таких элементов, как универсальный класс, универсальный метод, универсальное событие и т.д. Универсальный тип – это тип, параметризованный другим типом (набором типов). Кем является этот тип-параметр в контексте проектирования универсального типа неизвестно, хотя есть возможность ограничить значения типов-параметров, заставив их быть производными от конкретного класса или реализовывать определенные интерфейсы. В качестве примера можно привести универсальный класс сортировки последовательности элементов, где тип элемента в последовательности заранее неизвестен. При проектировании такого класса важно указать, что тип-параметр должен поддерживать операцию сравнения. При создании объектов универсальных типов параметр указывается явно, например целочисленный или строковый тип, а сам объект начинает себя вести так, как если бы это был экземпляр класса, созданный специально для сортировки целых чисел или строк.

Исключения . Еще один специальный вид объектов, поддерживаемый встроенным в конкретный язык программирования механизмом обработки ошибок и исключительных ситуаций. Исключения, помимо кода ошибки, содержат ее описание, возможные причины возникновения и стек вызовов методов, имевший место до момента возникновения исключения в программе.

Недостатки объектно-ориентированного программирования

Про то, что популярность объектно-ориентированного подхода к огромна я уже сказал. Про то, что тех, кто стремится расширить эту парадигму довольно много, я тоже уже отметил. Но есть еще один способ выделиться среди огромного сообщества специалистов в информационных технологиях – это заявить, что ООП себя не оправдало, что это не панацея, а, скорее, плацебо. Есть среди этих людей действительно специалисты очень высокого класса, такие как , Александр Степанов, Эдсгер Дейкстра и другие, и их мнение заслуживает внимания, но есть и те, про которых говорят, что “плохому танцору всегда что-то мешает”. Вот они, наиболее очевидные недостатки ООП, на которые указывают специалисты:

ООП порождает огромные иерархии классов, что приводит к тому, что функциональность расползается или, как говорят, размывается по базовым и производным членам класса, и отследить логику работы того или иного метода становится сложно.

В некоторых языках все данные являются объектами, в том числе и элементарные типы, а это не может не приводить к дополнительным расходам памяти и процессорного времени.

Также, на скорости выполнения программ может неблагоприятно сказаться реализация полиморфизма, которая основана на механизмах позднего связывания вызова метода с конкретной его реализацией в одном из производных классов.