Основы объектно-ориентированного программирования

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Об объектном подходе к программированию

 

Существует разные подходы к программированию. Любому из них присущ свой собственный способ абстрагирования сущностей, с которыми он работает.

Так, процедурно-ориентированный подход оперирует абстракцией алгоритма. Язык С – типичный процедурный язык, хотя на нем возможно писать программы, напоминающие по стилю объектно-ориентированные.

Логико-ориентированный имеет в виду цели, выражаемые на языке логических предикатов (язык Prolog).

Наконец, объектно-ориентированное программирование абстрагирует классы и объекты (язык С++). В чем же состоит его суть?

Известный теоретик Грейди Буч так определяет этот подход:

“Объектно-ориентированное программирование – это методология программирования, основанная на организации программы, в виде совокупности объектов, каждый из которых является представителем определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.”

В “строго” объектно-ориентированных языках объектами являются решительно все элементы программы, в том числе она сама. Таковы программы на языке Java. Язык C++ сохраняет все возможности процедурного языка С. В C++ можно создать, например, совершенно отдельно стоящую глобальную переменную, да и главная функция main() – совершенно “внеклассовая”. Такая универсальность C++ может быть как преимуществом, так и недостатком. У программиста, впервые применяющего объектный подход в С++, всегда имеется тенденция мыслить старыми, процедурными категориями.

Итак, центральным элементом абстракции объектно-ориентированной методологии является объект.

 

Объект

 

Объекты нашего программного мира моделируют объекты реального или воображаемого мира (например, мира некоторой игры, хотя это мир тоже мыслимый, а стало быть, реальный в смысле логики). Как модель, программный объект представляет собой некоторую абстракцию объекта реального, что предполагает выделение существенных свойств последнего и игнорирование тех, что безразличны с насущной, “сиюминутной”, точки зрения.

Объект в программе мало чем отличается от предмета реального мира. Он является моделью последнего. Поэтому, в известном смысле, пока не важно, о каких объектах пойдет речь – реальных или программных.

 

Состояние объекта

 

Объект, прежде всего, характеризуется своим состоянием. Возьмем, к примеру, базу данных (совокупность записей и система управления ими). Она – объект, поскольку есть нечто цельное. К числу моментов, определяющих ее состояние, относится текущее число записей. Каждая запись тоже, очевидно, является объектом. Отдельные поля существующей записи могут модифицироваться, и их совокупность определяет текущее состояние записи, а вместе с ней и состояние всей базы данных.

Таким образом, состояние программного объекта полностью определяется некоторым набором (структурой) характеристик и их текущими значениями. Эти характеристики называют полями или (в C++) элементами данных объекта. Но не все характеристики состояния объекта должны быть непосредственно видимы извне. Классический пример, который неизменно приводят американские авторы, – автомобиль. С точки зрения водителя у него есть приборный щиток, отражающий скорость, обороты, температуру двигателя и т. д., и органы управления. Но в автомобиле масса деталей, спрятанных под капотом, состояние которых не исчерпывается показаниями приборов и эти детали водителю не интересны, пока автомобиль «на ходу».

На самом деле состояние, как таковое, может быть вообще скрыто от внешнего взгляда. Оно, как говорят, инкапсулировано в объекте. Однако в зависимости от своего состояния, объект по-разному взаимодействует со своим окружением, что приводит нас к следующему понятию - поведению объекта.

 

Поведение объекта

 

Поведение – это то, как объект взаимодействует с окружением (другими объектами). Объект может подвергаться воздействию окружения или сам воздействовать на него. Объект может рассматриваться как аналог предмета, а поведение – как реакция на манипуляции с ним или действия, инициированные самим объектом. В некоторых объектных системах (например, OLE 2) говорят о глаголах, т. е. действиях, которые могут связываться с объектом. Для каждого объекта существует определенный набор возможных действий над ним.

Действия в отношении к объектам иногда называют передачей сообщений между ними. В языках, подобных Object Pascal, операции над объектами называют обычно методами. В C++ благодаря его «процедурному наследству» чаще говорят о функциях-элементах объекта. Эти функции являются структурными элементами определения класса, к которому принадлежит объект.

 

Отношения между объектами

 

Естественно, программа, т. е. цельная система, реализуется только во взаимодействии всех ее объектов. Здесь можно выделить в основном два типа взаимодействий, или отношений: связь и агрегацию.

Связь является довольно очевидной разновидностью взаимодействий – один объект может воздействовать на другой, являющийся в известном смысле автономной сущностью. Существует отношение подчинения – “А использует В”. Один объект является активным, другой – пассивным. Понятно, что в системе один и тот же объект может выступать как в активной, так и в пассивной роли по отношению к различным объектам.

Другой тип отношений – агрегация, когда один объект является составной частью, т. е. элементом другого – “А содержит В”. Агрегация может означать физическое вхождение одного объекта в другой; в C++ это соответствует описанию первого объекта в качестве элемента данных другого объекта. Но это не обязательно. Например, в Windows есть понятие дочернего окна. Здесь имеет место отношение агрегации, хотя на физическом уровне родительское и дочернее окна автономны.

 

Класс

 

Класс – это множество объектов, имеющих одинаковую структуру. Класс в программировании является аналогом понятия, или категории. В то время как объект представляет собой конкретную сущность, класс является абстракцией сущности объекта. Конкретный объект является представителем, или (не совсем грамотно) экземпляром класса.

Другими словами, структура характеристик объекта и все потенциальные отношения между объектами заложены в классе. Однако классы могут находиться еще и в специфических отношениях между собой.

 

Наследование

 

Если существенными видами отношений между объектами являются связь и агрегация, то фундаментальное отношение между классами – это наследование. Один класс может наследовать другому. В C++ в таком случае говорят, что один класс является базовым, а другой (который наследует первому) – производным. Еще их называют соответственно классом-предком и классом-потомком. Наследование может быть прямым, когда один класс является непосредственным предком (потомком) другого, или косвенным, когда имеют место промежуточные наследования.

Производный класс наследует всю структуру характеристик и поведение базового, однако может дополнять или модифицировать их. Если класс В является производным по отношению к А, то с логической точки зрения “В есть А”. Например, понятие, или класс, “автомобиль” (В) является производным по отношению к понятию “средство передвижения” (А). Автомобиль есть средство передвижения? Конечно, да.

Как и в логике, здесь существует взаимосвязь между “содержанием” и “объемом” понятия. Производный класс имеет большее содержание, но меньший объем, чем базовый.

Наследование может быть простым, когда производный класс имеет всего одного непосредственного предка, и сложным, если в наследовании участвуют несколько базовых классов.

 

Полиморфизм

 

Полиморфизм, наряду с наследованием, является фундаментальной концепцией объектной модели программирования. Без него объектно-ориентированное программирование потеряло бы значительную долю своего смысла. Суть полиморфизма в том, что с объектами различных классов, имеющих один и тот же базовый класс, можно при определенных условиях обращаться, как с объектами базового класса; однако объект, являющийся, по видимости, объектом базового класса, будет вести себя по-разному в зависимости от того, что он такое на самом деле, т. е. представитель какого из производных классов.

В C++ полиморфное поведение объектов обеспечивается механизмом виртуальных функций-элементов. Рассмотрим пример “полиморфизма”, реализованного на языке С. Допустим, программа должна в числе всего прочего выводить на экран различные геометрические фигуры. Она определяет класс “фигура”, в котором предусмотрен виртуальный метод “нарисовать” (в C++ это был бы абстрактный класс). От данного класса “фигура” можно произвести несколько классов – “точка”, “линия”, “круг” и т. д., – каждый из которых будет по-своему определять метод “нарисовать”.

Указатель на класс “фигура” может ссылаться на объект любого из производных классов (поскольку все они являются фигурами), и для указываемого им объекта можно вызвать метод “нарисовать”, не имея представления о том, что это на самом деле за фигура.

 

Абстракция и инкапсуляция

 

Об этих принципах объектного подхода мы уже упоминали. На самом деле это принципы программирования, присущие не только объектно-ориентированной модели. Но хотелось бы несколько уточнить их в отношении к организации классов.

Чтобы абстрагировать объект, он должен быть сравнительно “слабо связан” с окружающим миром. Он должен обладать сравнительно небольшим набором (существенных) свойств, характеризующих его отношения с другими объектами. С другой стороны, выделение класса как некоторого понятия, охватывающего целый ряд различных объектов, также является моментом абстракции.

Поэтому абстрагирование, как таковое, имеет два аспекта: выделение общих и в тоже время существенных свойств, описывающих поведение ряда схожих предметов.

С абстракцией неразрывно связан принцип инкапсуляции. Инкапсуляция – это сокрытие второстепенных деталей объекта. Для этого нужно выделить сначала существенные его свойства. Но чтобы выделить существенные свойства, нужно сначала отвлечься от второстепенных. Так что в действительности речь может идти только о едином акте, в котором можно лишь отвлеченно выделить два отдельных момента.

С технической точки зрения абстракция и инкапсуляция выражаются в том, что классы состоят из интерфейса и реализации. Интерфейс представляет абстрагированную сущность объектов. Реализация скрыта в своих деталях от пользователя класса.

 

Классы

 

Сделав предварительные замечания о понятиях объектно-ориентированного подхода, перейдем к конкретному рассмотрению классов, как они реализованы в языке C++.

Сначала мы рассмотрим простейший пример определений классов, которые можно было бы разместить в заголовочном файле. Так обычно и делается, если классы должны быть доступны нескольким модулям программы. Следует напомнить, что класс – это расширение понятия типа данных, а точнее, понятия структуры. В C++ принято говорить просто о типах; представитель класса уже нельзя считать просто данными, поскольку ему присуще некоторое поведение.

В известном смысле объект представляет собой сущность. Программа обычно использует переменные для хранения информации о различных реально существующих сущностях, например служащих, книгах и даже файлах. При объектно-ориентированном программировании вы фокусируетесь на предметах образующих систему, и операциях, которые вы должны выполнять над этими предметами. Например, для объекта-файла вы могли бы иметь операции, которые печатают, отображают или изменяют файл. В C++ вы можете создать тип данных - класс для определения своих объектов. Ваша цель состоит в том, чтобы включить в класс столько информации об объекте, сколько требуется. Исходя из этого, можно подобрать класс, созданный вами для одной программы, и использовать его в нескольких разных программах.

 

Определение класса

 

Класс позволяет вашим программам группировать данные, определяющие свойства объекта, и функции, которые выполняют операции над этими данными. В литературе по объектно-ориентированному программированию функции класса называют методами или элементами-функциями а данные могут называть полями или элементами данных. Подобно структуре, класс C++ должен иметь уникальное имя, за которым следует открывающая фигурная скобка, один или несколько элементов данных и функций и закрывающая фигурная скобка:

class class_name {

int data_member;        // Элемент данных

void show_member(int); // Функция-элемент

};

После определения класса вы можете объявлять переменные типа этого класса (называемые объектами), как показано ниже:

class_name object_one, object_two, object_three;

Следующее определение создает класс employee, который содержит определения данных и метода:

class employee {

public:

char name[64];

long employee_id;

float salary;

void show_employee(void)

{

cout << RUS("Имя: ") << name << endl;

cout << RUS("Номер служащего: ") << employee_id << endl;

cout << RUS("Оклад: ") << salary << endl;

};

};

В данном случае класс содержит три переменные и одну функцию-элемент. Обратите внимание на использование метки public внутри определения класса. Как вы узнаете далее, элементы класса могут быть частными (private) или общими (public), от чего зависит, как ваши программы обращаются к элементам класса. В данном случае все элементы являются общими (public), это означает, что программа может обращаться к любому элементу, используя оператор точку. После определения класса внутри вашей программы вы можете объявить объекты (переменные) типа этого класса, как показано ниже:

 

employee worker, boss, secretary;  //Переменные (объекты) класса employee

 

Следующая программа EMPCLASS.CPP создает два объекта типа employee - worker и boss. Используя оператор точку, программа присваивает значения элементам данных. Затем программа использует метод show_employee для вывода информации о служащих.

 

class employee

{

public:

char name[64];

long employee_id;

float salary;

void show_employee(void)

{

cout << RUS("Имя: ") << name << endl;

cout << RUS("Номер служащего: ") << employee_id << endl;

cout << RUS("Оклад: ") << salary << endl;

};

};

employee worker, boss;

 

strcpy(worker.name, "John Doe");

worker. employee_id = 12345;

worker.salary = 2500;

 

strcpy(boss.name, "Happy Jamsa");

boss.employee_id = 101;

boss.salary = 101101.00;

 

worker.show_employee();

boss.show_employee();

 

Данные класса:

могут иметь любой тип, кроме типа этого же класса (но могут быть указателями или ссылками на этот класс);

могут быть описаны с модификатором const, при этом они инициализируются только один раз (с помощью конструктора) и не могут изменяться;

могут быть описаны с модификатором static, но не как auto, extern и register.

Инициализация данных при описании класса не допускается.

Классы могут быть глобальными (объявленными вне любого блока) и локальными (объявленными внутри блока, например, функции или другого класса).

Ниже перечислены некоторые особенности локального класса:

внутри локального класса можно использовать типы, статические (static) и внешние (extern) переменные, внешние функции и элементы перечислений из области, в которой он описан; запрещается использовать автоматические переменные из этой области;

локальный класс не может иметь статических элементов;

методы этого класса могут быть описаны только внутри класса;

если один класс вложен в другой класс, они не имеют каких-либо особых прав доступа к элементам друг друга и могут обращаться к ним только по общим правилам.