Курсовая: Объектно-ориентированное программирование
Курсовая: Объектно-ориентированное программирование
1. Введение
Концепция объектно-ориентированного программирования подразумевает, что
основой управления процессом реализации программы является передача сообщений
объектам. Поэтому объекты должны определяться совместно с сообщениями, на
которые они должны реагировать при выполнении программы. В этом состоит главное
отличие ООП от процедурного программирования, где отдельно определённые
структуры данных передаются в процедуры (функции) в качестве параметров. Таким
образом, объектно-ориентированная программа состоит из объектов – отдельных
фрагментов кода, обрабатывающего данные, которые взаимодействуют друг с другом
через определённые интерфейсы.
Объектно-ориентированный язык программирования должен обладать следующими
свойствами:
1. абстракции – формальное о качествах или свойствах предмета
путем мысленного удаления некоторых частностей или материальных объектов;
2. инкапсуляции – механизма, связывающего вмести код и данные,
которыми он манипулирует, и защищающего их от внешних помех и некорректного
использования;
3. наследования – процесса, с помощью которого один объект
приобретает свойства другого, т.е. поддерживается иерархической классификации;
4. полиморфизма – свойства, позволяющего использовать один и тот
же интерфейс для общего класса действий.
Разработка объектно-ориентированных программ состоит из следующих
последовательных работ:
- определение основных объектов, необходимых для решения данной задачи;
- определение закрытых данных (данных состояния) для выбранных объектов;
- определение второстепенных объектов и их закрытых данных;
- определение иерархической системы классов, представляющих выбранные
объекты;
- определение ключевых сообщений, которые должны обрабатывать объекты
каждого класса;
- разработка последовательности выражений, которые позволяют решить
поставленную задачу;
- разработка методов, обрабатывающих каждое сообщение;
- очистка проекта, то есть устранение всех вспомогательных
промежуточных материалов, использовавшихся при проектировании;
- кодирование, отладка, компоновка и тестирование.
Объектно-ориентированное программирование позволяет программисту моделировать
объекты определённой предметной области путем программирования их содержания
и поведения в пределах класса. Конструкция «класс» обеспечивает механизм
инкапсуляции для реализации абстрактных типов данных. Инкапсуляция как бы
скрывает и подробности внутренней реализации типов, и внешние операции и
функции, допустимые для выполнения над объектами этого типа.
2. Что такое объектно-ориентированное программирование
Элементы объектно-ориентированного программирования (ООП) появились в начале
70-х годов в языке моделирования Симула, затем получили свое развитие, и в
настоящее время ООП принадлежит к числу ведущих технологий программирования.
Основная цель ООП, как и большинства других подходов к программированию –
повышение эффективности разработки программ. Идеи ООП оказались плодотворными
и нашли применение не только в языках программирования, но и в других
областях Computer Science, например, в области разработки операционных
систем.
Появление ООП было связано с тем наблюдением, что компьютерные программы
представляют собой описание действий, выполняемых над различными
объектами. В роли последних могут выступать, например, графические объекты,
записи в базах данных или совокупности числовых значений. В традиционных
методах программирования изменение данных или правил и методов обработки часто
приводило к необходимости значительного изменения программы. Всякое
существенное изменения программы – это большая неприятность для программиста,
так как при этом увеличивается вероятность ошибок, вследствие чего возрастает
время, необходимое для «доводки» программы. Использование ООП позволяет выйти
из такой ситуации с минимальными потерями, сводя необходимую модификацию
программы к её расширению и дополнению. Необходимо заметить, что ООП не
является панацеей от всех программистских бед, но его ценность как передовой
технологии программирования несомненна. Изучение идей и методов ООП может
существенно упростить разработку и отладку сложных программ.
Мы уже привыкли использовать в своих программах процедуры и функции для
программирования тех сложных действий по обработке данных, которые приходится
выполнять многократно. Использование подпрограмм в своё время было важным
шагом на пути к увеличению эффективности программирования. Подпрограмма может
иметь формальные предметы, которые при обращении к ней заменяются
фактическими предметами. В этом случае есть опасность вызова подпрограммы с
неправильными данными, что может привести к сбою программы и её аварийному
завершению при выполнении. Поэтому естественным обобщением традиционного
подхода к программированию является объединение данных и подпрограмм
(процедур и функций), предназначенных для их обработки.
3. Объекты
Базовым в объектно-ориентированном программировании является понятие
объекта. Объект имеет определённые свойства. Состояние объекта задаётся
значениями его признаков. Объект «знает», как решать определённые задачи, то
есть располагает методами решения. Программа, написанная с использованием ООП,
состоит из объектов, которые могут взаимодействовать между собой.
Ранее отмечалось, что программная реализация объекта представляет собой
объединение данных и процедур их обработки. Переменные объектного типа называют
экземплярами объекта. Здесь требуется уточнение – экземпляр можно лишь
формально назвать переменной. Его описание даётся в предложение описания
переменных, но в действительности экземпляр – нечто большее, чем обычная
переменная.
В отличие от типа «запись», объектный тип содержит не только поля, описывающие
данные, но также процедуры и функции, описания которых содержится в описании
объекта. Эти процедуры и функции называют методами. Методам объекта
доступны его поля. Следует отметить, что методы и их параметры определяются в
описании объекта, а их реализация даётся вне этого описания, в том мест
программы, которое предшествует вызову данного метода. В описании объекта
фактически содержаться лишь шаблоны обращения к методам, которые
необходимы компилятору для проверки соответствия количества параметров и их
типов при обращении к методам. Вот пример описания объекта
[1]:
Type
Location = object
X,Y: Integer;
Procedure Init(InitX, InitY: Integer);
Function GetX: Integer;
Function GetY: Integer;
End;
Здесь описывается объект, который может использоваться в дальнейшем, скажем,
в графическом режиме и который предназначен для определения положения на
экране произвольного графического элемента. Объект описывается с помощью
зарезервированных слов
object.end, между которыми находиться описание полей и методов. В нашем примере
объект содержит два поля для хранения значений графических координат, а так же
для описания процедуры и двух функций - это методы данного объекта.
Процедура предназначена для задания первоначального положения объекта, а
функция – для считывания его координат.
4. Инкапсуляция
Инкапсуляция является важнейшим свойством объектов, на котором строится
объектно-ориентированное программирование. Инкапсуляция заключается в том, что
объект скрывает в себе детали, которые несущественны для использования объекта.
В традиционном подходе к программированию с использованием глобальных
переменных программист не был застрахован от ошибок, связанных с использованием
процедур, не предназначенных для обработки данных, связанных с этими
переменными. Предположим, например, что имеется «не-ООП» программа,
предназначенная для начисления заработной платы сотрудникам некой организации,
а в программе имеются два массива. Один массив хранит величину заработной
платы, а другой – телефонные номера сотрудников (для составления отчёта для
налоговой инспекции). Что произойдёт, если программист случайно перепутает эти
массивы? Очевидно, для бухгалтерии начнутся тяжёлые времена. «Жёсткое»
связание данных и процедур их обработки в одном объекте позволит избежать
неприятностей такого рода. Инкапсуляция и является средством организации
доступа к данным только через соответствующие методы.
В нашем примере описание объекта процедура инициализации Init и функции GetX
и GetY уже не существуют как отдельные самостоятельные объекты. Это
неотъемлемые части объектного типа Location. Если в программе имеется
описание нескольких переменных указанного типа, то для каждой переменной
резервируется своя собственная область памяти для хранения данных, а
указатели на точки входа в процедуру и функции – общие. Вызов каждого метода
возможен только с помощью составного имени, явно указывающего, для обработки
каких данных предназначен данный метод.
5. Наследование
Наследование – это ещё одно базовое понятие объектно-ориентированного
программирования. Наследование позволяет определять новые объекты, используя
свойства прежних, дополняя или изменяя их. Объект-наследник получает все поля и
методы «родителя», к которым он может добавить свои собственные поля и методы
или заменить («перекрыть») их своими методами. Пример описания
объекта-наследника даётся ниже:
Tipe
Point = object(Location)
Visible: Boolean;
Procedure Int(IntX, IntY: Integer);
Procedure Show;
Procedure Hide;
Function IsVisible: Boolean;
Procedure MoveTo(NewX, NewY: Integer);
End;
Наследником здесь является объект Point, описывающий графическую точку, а
родителем – объект Location. Наследник не содержит описание полей и методов
родителя. Имя последнего указывается в круглых скобках после слова object. Из
методов наследника можно вызывать методы родителя. Для создания наследника не
требуется иметь исходный текст объекта родителя. Объект-родитель может быть
уже в составе оттранслированного модуля.
В чём привлекательность наследования? Если некий объект был уже определён и
отлажен, он может быть использован и в других программах. При этом может
оказаться, что новая задача отличается от предыдущей, и возникает
необходимость некоторой модификации как данных, так и методов их обработки.
Программисту приходится решать дилемму – создания объектов заново или
использовать результаты предыдущей работы, применяя механизм наследования.
Первый путь менее эффективен, так как требует дополнительных затрат времени
на отладку и тестирование. Во втором случае часть этой работы оказывается
выполненной, что сокращает время на разработку новой программы. Программист
при этом может и не знать деталей реализации объекта-родителя.
В нашем примере к объекту, связанному с определением положения графического
элемента, просто добавилось новое поле, описывающее признак видимости
графической точки, и несколько новых методов, связанных с режимом отображения
точки и её преобразованиями.
6. Виртуальные методы
Наследование позволяет создавать иерархические, связанные отношениями
подчинения, структуры данных. Следует, однако, заметить, что при
использовании этой возможности могут возникнуть проблемы. Предположим, что в
нашей графической программе необходимо определить объект Circle, который
является потомком другого объекта Point:
Type
Circle = object (point)
Radius: Integer;
Procedure Show;
Procedure Hide;
Procedure Expand(ExpandBy: Integer);
Procedure Contact(ContactBy: Integer);
End;
Новый объект Circle соответствует окружности. Поскольку свойства окружности
отличаются от свойств точки, в объекте-наследнике придется изменять процедуры
Show и Hide, которые отображают окружность и удаляют её изображение с экрана.
Может оказаться, что метод Init (см. предыдущий пример) объекта Circle,
унаследованный от объекта Point, также использует методы Show и Hide, впредь
во время трансляции объекта Point использует ссылки на старые методы.
Очевидно в объекте Circle они работать не будут. Можно, конечно, попытаться
«перекрыть» метод Init. Чтобы это сделать, нам придётся полностью
воспроизвести текст метода. Это усложни работу, да и не всегда возможно,
поскольку исходного текста программы может не оказаться под рукой (если
объект-родитель уже находиться в оттранслированном модуле).
Для решения этой проблемы используется виртуальный метод. Связь между
виртуальным методом и вызывающими их процедурами устанавливается не во время
трансляции (это называется ранним связанием), а во время выполнения
программы (позднее связание.
Чтобы использовать виртуальный метод, необходимо в описании объекта после
заголовка метода добавить ключевое слово virtual. Заголовки виртуальных методов
родителя и наследника должны в точности совпадать. Инициализация экземпляра
объекта, имеющего виртуальные методы, должна выполняться с помощью специального
метода – конструктора. Конструктор обычно присваивает полям объекта
начальные значения и выполняет другие действия по инициализации объекта. В
заголовке метода-конструктора слово procedure заменяется словом constructor.
Действия обратные действиям конструктора, выполняет ещё один специальный метод
– деструктор. Он описывается словом destructor.
Конструктор выполняет действия по подготовке позднего связывания. Эти действия
заключаются в создании указателя на таблицу виртуальных методов,
которая в дальнейшем используется для поиска методов. Таблица содержит адреса
всех виртуальных методов. При вызове виртуального метода по его имени
определяется адрес, а затем по этому адресу передается управление.
У каждого объектного типа имеется своя собственная таблица виртуальных
методов, что позволяет одному и тому же оператору вызывать разные процедуры.
Если имеется несколько экземпляров объектов одного типа, то недостаточно
вызвать конструктор для одного из них, а затем просто скопировать этот
экземпляр во все остальные. Каждый объект должен иметь свой собственный
конструктор, который вызывается для каждого экземпляра. В противном случае
возможен сбой в работе программы.
Заметим, что конструктор или деструктор, могут быть «пустыми», то есть не
содержать операторов. Весь необходимый код в этом случае создается при
трансляции ключевых слов construct и destruct.
7. Динамическое создание объектов
Переменные объектного типа могут быть динамическими, то есть размещаться
в памяти только во время их использования. Для работы с динамическими объектами
используются расширенный синтаксис процедур New и Dispose. Обе процедуры в этом
случае содержат в качестве второго параметра вызов конструктора или деструктора
для выделения или освобождения памяти переменной объектного типа:
New(P, Construct)
или
Dispose(P, Destruct)
Где P – указатель на переменную объектного типа, а Construct или Destruct –
конструктор и деструктор этого типа.
Действие процедуры New в случае расширенного синтаксиса равносильно действию
следующей пары операторов:
New(P);
P^.Construct;
Эквивалентом Dispose является следующее:
P^Dispose;
Dispose(P)
Применение расширенного синтаксиса не только улучшает читаемость исходного
кода, но и генерирует более короткий и эффективный исполняемый код.
8. Полиморфизм
Полиморфизм заключается в том, что одно и то же имя может соответствовать
различным действиям в зависимости от типа объекта. В тех примерах, которые
рассматривались ранее, полиморфизм проявлялся в том, что метод Init действовал
по-разному в зависимости от того, является объект точкой или окружностью.
Полиморфизм напрямую связан с механизмом позднего связывания. Решение о том,
какая операция должна быть выполнена в конкретной ситуации, принимается во
время выполнения программы.
Следующий вопрос, связанный с использованием объектов, заключается в
совместимости объектных типов. Полезно знать следующее. Наследник сохраняет
свойства совместимости с другими объектами своего родителя. В правой части
оператора присваивания вместо типов родителя можно использовать типы
наследника, но не наоборот. Таким образом, в нашем примере допустимы
присваивания:
Var
Alocation : Location;
Apoin : Point;
Acircle : Circle;
Alocation :=Apoint
Apoint := Acrcle;
Alocation := Acircle;
Дело в том, что наследник может быть более сложным объектом, содержащим поля
и методы, поэтому присваиваемые значения экземпляра объекта-родителя
экземпляру объекта-наследника может оставить некоторые поля неопределёнными
и, следовательно, представляет потенциальную опасность. При выполнении
оператора присвоения копируются только те поля данных, которые являются
общими для обоих типов.
[1] Выполняется на языке Turbo Pascal,
начиная с версии 5.0. Далее все примеры даны для выполнения на этом языке
программирования.