Особенности объектно-ориентированных языков программирования
Объектно-ориентированный [link] .
В основе концепции объектно-ориентированного программирования лежит понятие объекта — некой сущности, которая объединяет в себе поля (данные) и методы (выполняемые объектом действия).
Реализация программного обеспечения связана с использованием одного из языков программирования. Показано, что наиболее удобными для реализации программных систем, разработанных в рамках объектно-ориентированного подхода, являются объектно-ориентированные языки программирования, хотя возможна реализация и на обычных (не объектно- ориентированных) языках (например, на языке C и на языке Fortran).
Объектно-ориентированные языки программирования пользуются в последнее время большой популярностью среди программистов, так как они позволяют использовать преимущества объектно-ориентированного подхода не только на этапах проектирования и конструирования программных систем, но и на этапах их реализации, тестирования и сопровождения.
Первый объектно-ориентированный язык программирования Simula 67 был разработан в конце 60-х годов в Норвегии. Авторы этого языка очень точно угадали перспективы развития программирования: их язык намного опередил свое время.
Однако современники (программисты 60-х годов) оказались не готовы воспринять ценности языка Simula 67, и он не выдержал конкуренции с другими языками программирования (прежде всего, с языком Fortran).
Прохладному отношению к языку Simula 67 способствовало и то обстоятельство, что он был реализован как интерпретируемый (а не компилируемый) язык, что было совершенно неприемлемым в 60-е годы, так как интерпретация связана со снижением эффективности (скорости выполнения) программ.
Но достоинства языка Simula 67 были замечены некоторыми программистами, и в 70-е годы было разработано большое число экспериментальных объектно- ориентированных языков программирования: например, языки CLU, Alphard,Concurrent Pascal и др. Эти языки так и остались экспериментальными, но в результате их исследования были разработаны современные объектно- ориентированные языки программирования: C++, Smalltalk, Eiffel и др.
Наиболее распространенным объектно-ориентированным языком программирования безусловно является C++. Свободно распространяемые коммерческие системы программирования C++ существуют практически на любой платформе. Широко известна свободно распространяемая система программирования G++, которая дает возможность всем желающим разобрать достаточно хорошо и подробно прокомментированный исходный текст одного из образцовых компиляторов языка C++. Завершается работа по стандартизации языка C++: последний Draft стандарта C++ выпущен в июне 1995 г. (он доступен по Internet).
Разработка новых объектно-ориентированных языков программирования продолжается. С 1995 года стал широко распространяться новый объектно- ориентированный язык программирования Java, ориентированный на сети компьютеров и, прежде всего, на Internet. Синтаксис этого языка напоминает синтаксис языка C++, однако эти языки имеют мало общего. Java интерпретируемый язык: для него определены внутреннее представление (bytecode) и интерпретатор этого представления, которые уже сейчас реализованы на большинстве платформ. Интерпретатор упрощает отладку программ, написанных на языке Java, обеспечивает их переносимость на новые платформы и адаптируемость к новым окружениям. Он позволяет исключить влияние программ, написанных на языке Java, на другие программы и файлы, имеющиеся на новой платформе, и тем самым обеспечить безопасность при выполнении этих программ. Эти свойства языка Java позволяют использовать его как основной язык программирования для программ, распространяемых по сетям (в частности, по сети Internet).
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 вместе 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.
Преимущества ООП
В связи со своими особенностями объектно-ориентированное программирование имеет ряд преимуществ перед структурным (и др.) программированием. Выделим некоторые из них:
Использование одного и того же программного кода с разными данными. Классы позволяют создавать множество объектов, каждый из которых имеет собственные значения атрибутов. Нет потребности вводить множество переменных, т.к объекты получают в свое распоряжение индивидуальные так называемые пространства имен. Пространство имен конкретного объекта формируется на основе класса, от которого он был создан, а также от всех родительских классов данного класса. Объект можно представить как некую упаковку данных.
Наследование и полиморфизм позволяют не писать новый код, а настраивать уже существующий, за счет добавления и переопределения атрибутов. Это ведет к сокращению объема исходного кода.
Особенность ООП
ООП позволяет сократить время на написание исходного кода, однако ООП всегда предполагает большую роль предварительного анализа предметной области, предварительного проектирования. От правильности решений на этом предварительном этапе зависит куда больше, чем от непосредственного написания исходного кода.
Принципы ООП
В основу ООП положены следующие принципы:
1. Абстрагирование – процесс выделения абстракций в предметной области задачи. Абстракция – совокупность существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют особенности данного объекта с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа.
Применяемая абстракция реального предмета существенно зависит от решаемой задачи: в одном случае нас будет интересовать форма предмета, в другом вес, в третьем – материалы, из которых он сделан, в четвертом – закон движения предмета и т.д.
Современный уровень абстракции предполагает объединение всех свойств абстракции (как касающихся состояния анализируемого объекта, так и определяющих его поведение) в единую программную единицу некий абстрактный тип (класс).
2. Ограничение доступа – сокрытие отдельных элементов реализации абстракции, не затрагивающих существенных характеристик ее как целого.
Необходимость ограничения доступа предполагает разграничение двух частей в описании абстракции:
интерфейс – совокупность доступных извне элементов реализации абстракции (основные характеристики состояния и поведения);
реализация – совокупность недоступных извне элементов реализации абстракции (внутренняя организация абстракции и механизмы реализации ее поведения).
Ограничение доступа в ООП позволяет разработчику:
выполнять конструирование системы поэтапно, не отвлекаясь на особенности реализации используемых абстракций;
легко модифицировать реализацию отдельных объектов, что в правильно организованной системе не потребует изменения других объектов.
Сочетание объединения всех свойств предмета (составляющих его состояния и поведения) в единую абстракцию и ограничения доступа к реализации этих свойств получило название инкапсуляции.
3. Модульность – принцип разработки программной системы, предполагающий реализацию ее в виде отдельных частей (модулей). При выполнении декомпозиции системы на модули желательно объединять логически связанные части, по возможности обеспечивая сокращение количества внешних связей между модулями.
4. Иерархия – ранжированная или упорядоченная система абстракций. Принцип иерархичности предполагает использование иерархий при разработке программных систем.
В ООП используются два вида иерархии:
иерархия «целое/часть» – показывает, что некоторые абстракции включены в рассматриваемую абстракцию как ее части, например, лампа состоит из цоколя, нити накаливания и колбы. Этот вариант иерархии используется в процессе разбиения системы на разных этапах проектирования;
иерархия «общее/частное» – показывает, что некоторая абстракция является частным случаем другой абстракции, например, «обеденный стол – конкретный вид стола», а «столы – конкретный вид мебели». Используется при разработке структуры классов, когда сложные классы строятся на базе более простых путем добавления к ним новых характеристик и, возможно, уточнения имеющихся.
Один из важнейших механизмов ООП – наследование свойств в иерархии общее/частное. Наследование – такое соотношение между абстракциями, когда одна из них использует структурную или функциональную часть другой или нескольких других абстракций (соответственно простое и множественное наследование).
5. Типизация – ограничение, накладываемое на свойства объектов и препятствующее взаимозаменяемости абстракций различных типов (или сильно сужающее возможность такой замены).
Использование принципа типизации обеспечивает:
раннее обнаружение ошибок, связанных с недопустимыми операциями над программными объектами (ошибки обнаруживаются на этапе компиляции программы при проверке допустимости выполнения данной операции над программным объектом);
упрощение документирования;
возможность генерации более эффективного кода.
Тип может связываться с программным объектом статически (тип объекта определен на этапе компиляции – раннее связывание) и динамически (тип объекта определяется только во время выполнения программы – позднее связывание). Реализация позднего связывания в языке программирования позволяет создавать переменные-указатели на объекты, принадлежащие различным классам (полиморфные объекты), что существенно расширяет возможности языка.
6. Параллелизм – свойство нескольких абстракций одновременно находиться в активном состоянии, т.е. выполнять некоторые операции.
Существует целый ряд задач, решение которых требует одновременного выполнения некоторых последовательностей действий. К таким задачам, например, относятся задачи автоматического управления несколькими процессами.
Реальный параллелизм достигается только при реализации задач такого типа на многопроцессорных системах, когда имеется возможность выполнения каждого процесса отдельным процессором. Системы с одним процессором имитируют параллелизм за счет разделения времени процессора между задачами управления различными процессами.
7. Устойчивость – свойство абстракции существовать во времени независимо от процесса, породившего данный программный объект, и/или в пространстве, перемещаясь из адресного пространства, в котором он был создан.
Различают:
временные объекты, хранящие промежуточные результаты некоторых действий, например, вычислений;
локальные объекты, существующие внутри подпрограмм, время жизни которых исчисляется от вызова подпрограммы до ее завершения;
глобальные объекты, существующие пока программа загружена в память;
сохраняемые объекты, данные которых хранятся в файлах внешней памяти между сеансами работы программы.
Все указанные выше принципы в той или иной степени реализованы в различных версиях объектно-ориентированных языков.
Язык считается объектно-ориентированным, если в нем реализованы первые четыре из рассмотренных семи принципов. Несмотря на то, что принципиально ООП возможно на многих языках программирования, желательно для создания объектно-ориентированных программ использовать объектно-ориентированные языки, включающие специальные средства, например, Borland Pascal (начиная с версии 5.5), С++, Delphi и т.д.
