Лекция 1. Методология процедурно-ориентированного программирования

Состояние

Рассмотрим пример. Любой человек может находиться в некотором положении (состоянии): стоять, сидеть, лежать, и - в то же время совершать какие-либо действия.

Например, человек может прыгать, если он стоит, и не может - если он лежит, для этого ему потребуется сначала встать. Также в объектно-ориентированном программировании состояние объекта может определяться наличием или отсутствием связей между моделируемым объектом и другими объектами. Более подробно все возможные связи между объектами будут рассмотрены в разделе "Типы отношений между классами ".

Например, если у человека есть удочка (у него есть связь с объектом "Удочка"), он может ловить рыбу, а если удочки нет, то такое действие невозможно. Из этих примеров видно, что набор действий, которые может совершать человек, зависит от параметров объекта, его моделирующего.

Для рассмотренных выше примеров такими характеристиками, или атрибутами, объекта "Человек" являются:

· текущее положение человека (стоит, сидит, лежит);

· наличие удочки (есть или нет).

В конкретной задаче могут появиться и другие свойства, например, физическое состояние, здоровье (больной человек обычно не прыгает).

Состояние (state) - совокупный результат поведения объекта: одно из стабильных условий, в которых объект может существовать, охарактеризованных количественно; в любой момент времени состояние объекта включает в себя перечень (обычно статический) свойств объекта и текущие значения (обычно динамические) этих свойств [2].

Поведение

Для каждого объекта существует определенный набор действий, которые с ним можно произвести. Например, возможные действия с некоторым файлом операционной системы ПК:

· создать;

· открыть;

· читать из файла;

· писать в файл;

· закрыть;

· удалить.

Результат выполнения действий зависит от состояния объекта на момент совершения действия, т.е. нельзя, например, удалить файл, если он открыт кем-либо (заблокирован). В то же время действия могут менять внутреннее состояние объекта - при открытии или закрытии файла свойство "открыт" принимает значения "да" или "нет", соответственно.

Программа, написанная с использованием ООП, обычно состоит из множества объектов, и все эти объекты взаимодействуют между собой. Обычно говорят, что взаимодействие между объектами в программе происходит посредством передачи сообщений между ними.

В терминологии объектно-ориентированного подхода понятия "действие", "сообщение" и "метод" являются синонимами. Т.е. выражения "выполнить действие над объектом ", "вызвать метод объекта " и "послать сообщение объекту для выполнения какого-либо действия" эквивалентны. Последняя фраза появилась из следующей модели. Программу, построенную по технологии ООП, можно представить себе как виртуальное пространство, заполненное объектами, которые условно "живут" некоторой жизнью. Их активность проявляется в том, что они вызывают друг у друга методы, или посылают друг другу сообщения. Внешний интерфейс объекта, или набор его методов,- это описание того, какие сообщения он может принимать.

Поведение (behavior) - действия и реакции объекта, выраженные в терминах передачи сообщений и изменения состояния; видимая извне и воспроизводимая активность объекта [2].

Уникальность

Уникальность - это то, что отличает объект от других объектов. Например, у вас может быть несколько одинаковых монет. Даже если абсолютно все их свойства (атрибуты) одинаковы (год выпуска, номинал и т.д.) и при этом вы можете использовать их независимо друг от друга, они по-прежнему остаются разными монетами.

В машинном представлении под параметром уникальности объекта чаще всего понимается адрес размещения объекта в памяти.

Identity (уникальность) объекта состоит в том, что всегда можно определить, указывают две ссылки на один и тот же объект или на разные объекты. При этом два объекта могут во всем быть похожими, их образ в памяти может представляться одинаковыми последовательностями байтов, но, тем не менее, их Identity может быть различна.

Наиболее распространенной ошибкой является понимание уникальности как имени ссылки на объект. Это неверно, т.к. на один объект может указывать несколько ссылок, и ссылки могут менять свои значения (ссылаться на другие объекты).

Итак, уникальность (identity) - свойство объекта; то, что отличает его от других объектов (автор не согласен с переводом русского издания [2], поэтому здесь приводится авторский перевод).

Агрегация

Отношение между классами типа "содержит" (contain) или "состоит из" называется агрегацией, или включением. Например, если аквариум наполнен водой и в нем плавают рыбки, то можно сказать, что аквариум агрегирует в себе воду и рыбок.

 

Такое отношение включения, или агрегации (aggregation), изображается линией с ромбиком на стороне того класса, который выступает в качестве владельца, или контейнера. Необязательное название отношения записывается посередине линии.

В нашем примере отношение contain является двунаправленным. Объект класса Aquarium содержит несколько объектов Fish. В то же время каждая рыбка "знает", в каком именно аквариуме она живет. Каждый класс имеет свою роль в агрегации, которая указывает, какое место занимает класс в данном отношении. Имя роли не является обязательным элементом обозначений и может отсутствовать на диаграмме. В примере можно видеть роль home класса Aquarium (аквариум является домом для рыбок), а также роль inhabitants класса Fish (рыбки являются обитателями аквариума). Название роли обычно совпадает с названием соответствующего поля в классе. Изображение такого поля на диаграмме излишне, если уже указано имя роли. Т.е. в данном случае класс Aquarium будет иметь свойство (поле) inhabitants, а класс Fish - свойство home.

Число объектов, участвующих в отношении, записывается рядом с именем роли. Запись " 0..n " означает "от нуля до бесконечности". Приняты также обозначения:

· " 1..n " - от единицы до бесконечности;

· " 0 " - ноль;

· " 1 " - один;

· " n " - фиксированное количество;

· " 0..1 " - ноль или один.

Код, описывающий рассмотренную модель и явление агрегации, может выглядеть, например, следующим образом:

// определение класса Fishpublic class Fish { // определения поля home    // (ссылка на объект Aquarium) private Aquarium home; public Fish() { }}// определение класса Aquariumpublic class Aquarium { // определения поля inhabitants    // (массив ссылок на объекты Fish) private Fish inhabitants[]; public Aquarium() { }}

Ассоциация

Если объекты одного класса ссылаются на один или более объектов другого класса, но ни в ту, ни в другую сторону отношение между объектами не носит характера "владения", или контейнеризации, такое отношение называют ассоциацией (association). Отношение ассоциации изображается так же, как и отношение агрегации, но линия, связывающая классы,- простая, без ромбика.

В качестве примера можно рассмотреть программиста и его компьютер. Между этими двумя объектами нет агрегации, но существует четкая взаимосвязь. Так, всегда можно установить, за какими компьютерами работает какой-либо программист, а также какие люди пользуются отдельно взятым компьютером. В рассмотренном примере имеет место ассоциация "многие-ко-многим".

 

В данном случае между экземплярами классов Programmer и Computer в обе стороны используется отношение " 0..n ", т.к. программист, в принципе, может не работать с компьютером (если он теоретик или на пенсии). В свою очередь, компьютер может никем не использоваться (если он новый и еще не установлен).

Код, соответствующий рассмотренному примеру, будет, например, следующим:

public class Programmer { private Computer computers[]; public Programmer() {    }}public class Computer { private Programmer programmers[]; public Computer() { }}

Наследование

Наследование является важным случаем отношений между двумя или более классами. Подробно оно рассматривалось выше.

Метаклассы

Итак, любой объект имеет структуру, состоящую из полей и методов. Объекты, имеющие одинаковую структуру и семантику, описываются одним классом, который и является, по сути, определением структуры объектов, порожденных от него.

В свою очередь, каждый класс, или описание, всегда имеет строгий шаблон, задаваемый языком программирования или выбранной объектной моделью. Он определяет, например, допустимо ли множественное наследование, какие существуют ограничения на именование классов, как описываются поля и методы, набор существующих типов данных и многое другое. Таким образом, класс можно рассматривать как объект, у которого есть свойства (имя, список полей и их типы, список методов, список аргументов для каждого метода и т.д.). Также класс может обладать поведением, то есть поддерживать методы. А раз для любого объекта существует шаблон, описывающий свойства и поведение этого объекта, значит, его можно определить и для класса. Такой шаблон, задающий различные классы, называется метаклассом.

Чтобы представить себе, что такое метакласс, рассмотрим пример некой бюрократической организации. Будем считать, что все классы в такой системе представляют собой строгие инструкции, которые описывают, что нужно сделать, чтобы породить новый объект (например, нанять нового служащего или открыть новый отдел). Как и полагается классам, они описывают все свойства новых объектов (например, зарплату и профессиональный уровень для сотрудников, площадь и имущество для отделов) и их поведение (обязанности служащих и функции подразделений).

В свою очередь, написание новой инструкции можно строго регламентировать. Скажем, необходимо использовать специальный бланк, придерживаться правил оформления и заполнить все обязательные поля (например, номер инструкции и фамилии ответственных работников). Такая "инструкция инструкций" и будет представлять собой метакласс в ООП.

Итак, объекты порождаются от классов, а классы - от метакласса. Он, как правило, в системе только один. Но существуют языки программирования, в которых можно создавать и использовать собственные метаклассы, например язык Python. В частности, функциональность метакласса может быть следующая: при формировании класса он будет просматривать список всех методов в классе и, если имя метода имеет вид set_XXX или get_XXX, автоматически создавать поле с именем XXX, если такого не существует.

Поскольку метакласс сам является классом, то нет никакого смысла в создании "мета-мета-классов".

В языке Java также есть метакласс. Это класс, который так и называется - Class (описывает классы), он располагается в основной библиотеке java.lang. Виртуальная машина использует его по прямому назначению. Когда загружается очередной.class -файл, содержащий описание нового класса, JVM порождает объект класса Class, который будет хранить его структуру. Таким образом, Java использует концепцию метакласса в самых практических целях. С помощью Class реализована поддержка статических (static) полей и методов. Наконец, этот класс содержит ряд методов, полезных для разработчиков. Они будут рассмотрены в следующих лекциях.

Лекция 1. Методология процедурно-ориентированного программирования

 

Появление первых электронных вычислительных машин, или компьютеров, ознаменовало новый этап в развитии техники вычислений. Казалось, достаточно разработать последовательность элементарных действий, каждое из которых можно преобразовать в понятные компьютеру инструкции, и любая вычислительная задача будет решена. Эта идея оказалась настолько жизнеспособной, что долгое время доминировала над всем процессом разработки программ. Появились специализированные языки программирования, созданные для разработки программ, предназначенных для решения вычислительных задач. Примерами таких языков могут служить FOCAL (FOrmula CALculator) и FORTRAN (FORmula TRANslator).

Основой такой методологии разработки программ являлась процедурная, или алгоритмическая, организация структуры программного кода. Это было настолько естественно для решения вычислительных задач, что целесообразность такого подхода ни у кого не вызывала сомнений. Исходным в данной методологии было понятие алгоритма. Алгоритм - это способ решения вычислительных и других задач, точно описывающий определенную последовательность действий, которые необходимо выполнить для достижения заданной цели. Примерами алгоритмов являются хорошо известные правила нахождения корней квадратного уравнения или системы линейных уравнений.

При увеличении объемов программ для упрощения их разработки появилась необходимость разбивать большие задачи на подзадачи. В языках программирования возникло и закрепилось новое понятие процедуры. Использование процедур позволило разбивать большие задачи на подзадачи и таким образом упростило написание больших программ. Кроме того, процедурный подход позволил уменьшить объем программного кода за счет написания часто используемых кусков кода в виде процедур и их применения в различных частях программы.

Как и алгоритм, процедура представляет собой законченную последовательность действий или операций, направленных на решение отдельной задачи. В языках программирования появилась специальная синтаксическая конструкция, которая также получила название процедуры. Например, на языке Pascal описание процедуры выглядит следующим образом:

Procedure printGreeting(name: String)

Begin

Write("Hello, ");

WriteLn(name);

End;

Назначение данной процедуры - вывести на экран приветствие Hello, Name, где Name передается в процедуру в качестве входного параметра.

Со временем вычислительные задачи становились все сложнее, а значит, и решающие их программы увеличивались в размерах. Их разработка превратилась в серьезную проблему. Когда программа становится все больше, ее приходится разделять на все более мелкие фрагменты. Основой для такого разбиения как раз и стала процедурная декомпозиция, при которой отдельные части программы, или модули, представляли собой совокупность процедур для решения одной или нескольких задач. Одна из основных особенностей процедурного программирования заключается в том, что оно позволило создавать библиотеки подпрограмм (процедур), которые можно было бы использовать повторно в различных проектах или в рамках одного проекта. При процедурном подходе для визуального представления алгоритма выполнения программы применяется так называемая блок-схема. Соответствующая система графических обозначений была зафиксирована в ГОСТ 19.701-90. Пример блок-схемы изображен на рисунке (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Пример блок-схемы.

Появление и интенсивное использование условных операторов и оператора безусловного перехода стало предметом острых дискуссий среди специалистов по программированию. Дело в том, что бесконтрольное применение в программе оператора безусловного перехода goto может заметно осложнить понимание кода. Такие запутанные программы сравнивали с порцией спагетти (bowl of spaghetti), имея в виду многочисленные переходы от одного фрагмента программы к другому, или, что еще хуже, возврат от конечных операторов программы к начальным. Ситуация казалась настолько драматичной, что многие предлагали исключить оператор goto из языков программирования. Именно с этого времени отсутствие безусловных переходов стали считать хорошим стилем программирования.

Дальнейшее увеличение программных систем способствовало формированию новой точки зрения на процесс разработки программ и написания программных кодов, которая получила название методологии структурного программирования. Ее основой является процедурная декомпозиция предметной области решаемой задачи и организация отдельных модулей в виде совокупности процедур. В рамках этой методологии получило развитие нисходящее проектирование программ, или проектирование "сверху вниз". Пик популярности идей структурного программирования приходится на конец 70-х - начало 80-х годов.

В этот период основным показателем сложности разработки программы считался ее размер. Вполне серьезно обсуждались такие оценки сложности программ, как количество строк программного кода. Правда, при этом делались некоторые предположения относительно синтаксиса самих строк, которые должны были соответствовать определенным требованиям. Например, каждая строка кода должна была содержать не более одного оператора. Общая трудоемкость разработки программ оценивалась специальной единицей измерения - "человеко-месяц", или "человеко-год". А профессионализм программиста напрямую связывался с количеством строк программного кода, который он мог написать и отладить в течение, скажем, месяца.