Механизмы ооп. Отличительные особенности ООП. Принцип инверсии зависимостей
Базовые принципы объектно-ориентированного программированияОбъектно-ориентированное программирование основывается на трех основных концепциях: инкапсуляции , полиморфизме и наследовании .
Инкапсуляция (пакетирование) представляет собой механизм, связывающий вместе данные и код, обрабатывающий эти данные, и сохраняющий их от внешнего воздействия и ошибочного использования. Инкапсуляция позволяет создавать объект, являющийся логическим целым, включающим данные и код для работы с этими данными. Объект обеспечивает защиту против случайной или несанкционированной модификации частных (private) составляющих его членов. Закрытые данные или коды (методы) доступны только для других частей этого объекта и не доступны вне его. Открытая часть объекта предназначена для обеспечения контролируемого интерфейса его закрытой части.
Полиморфизм - принцип (подход), обеспечивающий возможность использования одного и того же кода для решения разных задач. Полиморфизм позволяет уменьшить сложность программы посредством использования одного и того жеинтерфейса для задания целого класса действий. Задача выбора специфического действия (метода) в зависимости от конкретной ситуации (количества и типа передаваемых аргументов) возлагается на компилятор.
Ключевым в понимании полиморфизма является то, что он позволяет манипулировать объектами различной степени сложности путем создания общего для них стандартного интерфейса для реализации похожих действий.
Наследование представляет собой процесс, благодаря которому один объект может наследовать (приобретать) свойства от другого объекта. Объект, используя наследование, нуждается только в определении специфичных только для этого объекта свойств, отличающих его от других объектов этого класса. Наследование позволяет поддерживать концепцию иерархии классов .
Различают полиморфные и мономорфные языки. Для мономорфных языков характерно то, что используемые функции, процедуры и операторы имеют уникальный тип. Полиморфные языки поддерживают концепцию полиморфизма в теории типов, когда одно и то же имя может быть использовано для выражения различных действий. Поддержка полиморфизма осуществляется через виртуальные функции, механизм перегрузки функций и операторов.
Передача сообщений выражает основную методологию построения объектно-ориентированных программ. Программы представляются в виде набора объектов и передачи сообщений между ними.
При построении объектно-ориентированной программы одним из основных является вопрос иерархии классов . Пусть имеется некоторая иерархия (структура, взаимосвязь) классов. В этом случае можно:
- определить объект для заданного класса;
- построить новый класс, наследуя его из существующего класса;
- изменить поведение нового класса (изменить существующие и добавить новые функции).
Построение нового класса, наследуя его из существующего, предполагает:
- добавление в новый класс новых компонент-данных;
- добавление в новый класс новых компонент-функций;
- замену в новом классе наследуемых из старого класса компонент-функций;
Наследование может быть одиночным и множественным (рис. 1). При множественном наследовании производный (новый) класс имеет более одного наследуемого (старого) класса, из которых образуется новый класс. При этом новый класс наследует поведение этих классов.
Таким образом, объектно-ориентированное программирование – метод построения программ в виде множества взаимодействующих объектов, структура и поведение которых описаны соответствующими классами. Все эти классы образуют иерархию классов, выражающую отношение наследования.
При разработке объектно-ориентированных программ часто используются библиотеки классов. Библиотека может рассматриваться как заданная базовая иерархическая структура. Для разрабатываемой программы из библиотеки может быть выбрана некоторая подструктура и затем расширена новыми классами с использованием принципов наследования.
Язык программирования называется объектно-ориентированным, если:
- он поддерживает абстрактные типы данных (объекты с определенным интерфейсом и скрытым внутренним состоянием);
- объекты имеют связанные с ними типы (классы);
- поддерживается механизм наследования.
Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть, представленная ниже, посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Основные понятия ООП
Класс
Представьте себе, что вы проектируете автомобиль. Вы знаете, что автомобиль должен содержать двигатель, подвеску, две передних фары, 4 колеса, и т.д. Ещё вы знаете, что ваш автомобиль должен иметь возможность набирать и сбавлять скорость, совершать поворот и двигаться задним ходом. И, что самое главное, вы точно знаете, как взаимодействует двигатель и колёса, согласно каким законам движется распредвал и коленвал, а также как устроены дифференциалы. Вы уверены в своих знаниях и начинаете проектирование.Вы описываете все запчасти, из которых состоит ваш автомобиль, а также то, каким образом эти запчасти взаимодействуют между собой. Кроме того, вы описываете, что должен сделать пользователь, чтобы машина затормозила, или включился дальний свет фар. Результатом вашей работы будет некоторый эскиз. Вы только что разработали то, что в ООП называется класс .
Класс – это способ описания сущности, определяющий состояние и поведение, зависящее от этого состояния, а также правила для взаимодействия с данной сущностью (контракт).
С точки зрения программирования класс можно рассматривать как набор данных (полей, атрибутов, членов класса) и функций для работы с ними (методов).
С точки зрения структуры программы, класс является сложным типом данных.
В нашем случае, класс будет отображать сущность – автомобиль. Атрибутами класса будут являться двигатель, подвеска, кузов, четыре колеса и т.д. Методами класса будет «открыть дверь», «нажать на педаль газа», а также «закачать порцию бензина из бензобака в двигатель». Первые два метода доступны для выполнения другим классам (в частности, классу «Водитель»). Последний описывает взаимодействия внутри класса и не доступен пользователю.
В дальнейшем, несмотря на то, что слово «пользователь» ассоциируется с пасьянсом «Косынка» и «Microsoft Word», мы будем называть пользователями тех программистов, которые используют ваш класс, включая вас самих. Человека, который является автором класса, мы будем называть разработчиком.
Объект
Вы отлично потрудились и машины, разработанные по вашим чертежам, сходят с конвейера. Вот они, стоят ровными рядами на заводском дворе. Каждая из них точно повторяет ваши чертежи. Все системы взаимодействуют именно так, как вы спроектировали. Но каждая машина уникальна. Они все имеют номер кузова и двигателя, но все эти номера разные, автомобили различаются цветом, а некоторые даже имеют литьё вместо штампованных дисков. Эти автомобили, по сути, являются объектами вашего класса.Объект (экземпляр) – это отдельный представитель класса, имеющий конкретное состояние и поведение, полностью определяемое классом.
Говоря простым языком, объект имеет конкретные значения атрибутов и методы, работающие с этими значениями на основе правил, заданных в классе. В данном примере, если класс – это некоторый абстрактный автомобиль из «мира идей», то объект – это конкретный автомобиль, стоящий у вас под окнами.
Интерфейс
Когда мы подходим к автомату с кофе или садимся за руль, мы начинаем взаимодействие с ними. Обычно, взаимодействие происходит с помощью некоторого набора элементов: щель для приёмки монеток, кнопка выбора напитка и отсек выдачи стакана в кофейном автомате; руль, педали, рычаг коробки переключения передач в автомобиле. Всегда существует некоторый ограниченный набор элементов управления, с которыми мы можем взаимодействовать.Интерфейс – это набор методов класса, доступных для использования другими классами.
Очевидно, что интерфейсом класса будет являться набор всех его публичных методов в совокупности с набором публичных атрибутов. По сути, интерфейс специфицирует класс, чётко определяя все возможные действия над ним.
Хорошим примером интерфейса может служить приборная панель автомобиля, которая позволяет вызвать такие методы, как увеличение скорости, торможение, поворот, переключение передач, включение фар, и т.п. То есть все действия, которые может осуществить другой класс (в нашем случае – водитель) при взаимодействии с автомобилем.
При описании интерфейса класса очень важно соблюсти баланс между гибкостью и простотой. Класс с простым интерфейсом будет легко использовать, но будут существовать задачи, которые с помощью него решить будет не под силу. В то же время, если интерфейс будет гибким, то, скорее всего, он будет состоять из достаточно сложных методов с большим количеством параметров, которые будут позволять делать очень многое, но использование его будет сопряжено с большими сложностями и риском совершить ошибку, что-то перепутав.
Примером простого интерфейса может служить машина с коробкой-автоматом. Освоить её управление очень быстро сможет любая блондинка, окончившая двухнедельные курсы вождения. С другой стороны, чтобы освоить управление современным пассажирским самолётом, необходимо несколько месяцев, а то и лет упорных тренировок. Не хотел бы я находиться на борту Боинга, которым управляет человек, имеющий двухнедельный лётный стаж. С другой стороны, вы никогда не заставите автомобиль подняться в воздух и перелететь из Москвы в Вашингтон.
Общее представление об объектно-ориентированном программировании и его особенностях были рассмотрены в первом уроке. Здесь обобщим изученный в этом курсе материал.
В Python все объекты являются производными классов и наследуют от них атрибуты. При этом каждый объект формирует собственное пространство имен. Python поддерживает такие ключевые особенности объектно-ориентированного программирования как наследование, инкапсуляцию и полиморфизм. Однако инкапсуляцию в понимании сокрытия данных Python поддерживает только в рамках соглашения, но не синтаксиса языка.
В курсе не было уделено внимание множественному наследованию, когда дочерний класс наследуется от нескольких родительских. Такое наследование поддерживается в Python в полной мере и дает возможность в производном классе сочетать атрибуты двух и более классов. При множественном наследовании следует учитывать определенные особенности поиска атрибутов.
Полиморфизм позволяет объектам разных классов иметь схожие интерфейсы. Он реализуется путем объявления в них методов с одинаковыми именами. К проявлению полиморфизма как особенности ООП также можно отнести методы перегрузки операторов.
Кроме наследования, инкапсуляции и полиморфизма существуют другие особенности ООП. Таковой является композиция, или агрегирование, когда класс включает в себя вызовы других классов. В результате при создании объекта от класса-агрегата, создаются объекты других классов, являющиеся составными частями первого.
Классы обычно помещают в модули. Каждый модуль может содержать несколько классов. В свою очередь модули могут объединяться в пакеты. Благодаря пакетам в Python организуются пространства имен.
Преимущества ООП
Особенности объектно-ориентированного программирования наделяют его рядом преимуществ.
Так ООП позволяет использовать один и тот же программный код с разными данными. На основе классов создается множество объектов, у каждого из которых могут быть собственные значения полей. Нет необходимости вводить множество переменных, т. к. объекты получают в свое распоряжение индивидуальные пространства имен. В этом смысле объекты похожи на структуры данных. Объект можно представить как некую упаковку данных, к которой присоединены инструменты для их обработки – методы.
Наследование позволяет не писать новый код, а использовать и настраивать уже существующий за счет добавления и переопределения атрибутов.
Недостатки ООП
ООП позволяет сократить время на написание исходного кода, однако предполагает большую роль предварительного анализа предметной области и проектирования. От правильности решений на этом этапе зависит куда больше, чем от непосредственного написания исходного кода.
Следует понимать, что одна и та же задача может быть решена разными объектными моделями, каждая из которых будет иметь свои преимущества и недостатки. Только опытный разработчик может сказать, какую из них будет проще расширять и обслуживать в дальнейшем.
Особенности ООП в Python
По сравнению со многими другими языками в Python объектно-ориентированное программирования обладает рядом особых черт.
Всё является объектом – число, строка, список, функция, экземпляр класса, сам класс, модуль. Так класс – объект, способный порождать другие объекты – экземпляры.
В Python нет просто типов данных. Все типы – это классы.
Инкапсуляции в Python не уделяется особого внимания. В других языках программирования обычно нельзя получить напрямую доступ к свойству, описанному в классе. Для его изменения может быть предусмотрен специальный метод. В Python же не считается предосудительным непосредственное обращение к свойствам.
И напоследок
Python – это все-таки скриптовый интерпретируемый язык. Хотя на нем пишутся в том числе крупные проекты, часто он используется в веб-разработке, системном администрировании для создания небольших программ-сценариев. В этом случае обычно достаточно встроенных средств языка, "изобретать" собственные классы излишне.
Основы объектно-ориентированного программирования
Все основанные на объектах языки (C#, Java, С++, Smalltalk, Visual Basic и т.п.) должны отвечать трем основным принципам объектно-ориентированного программирования (ООП), которые перечислены ниже:
ИнкапсуляцияКак данный язык скрывает детали внутренней реализации объектов и предохраняет целостность данных?
НаследованиеКак данный язык стимулирует многократное использование кода?
ПолиморфизмКак данный язык позволяет трактовать связанные объекты сходным образом?
Прежде чем погрузиться в синтаксические детали реализации каждого принципа, важно понять базовую роль каждого из них.
Роль инкапсуляции
Инкапсуляция - это механизм программирования, объединяющий вместе код и данные, которыми он манипулирует, исключая как вмешательство извне, так и неправильное использование данных. В объектно-ориентированном языке данные и код могут быть объединены в совершенно автономный черный ящик. Внутри такого ящика находятся все необходимые данные и код. Когда код и данные связываются вместе подобным образом, создается объект. Иными словами, объект - это элемент, поддерживающий инкапсуляцию.
Т.е. инкапсуляция представляет собой способности языка скрывать излишние детали реализации от пользователя объекта. Например, предположим, что используется класс по имени DatabaseReader , который имеет два главных метода: Open() и Close().
Фиктивный класс DatabaseReader инкапсулирует внутренние детали нахождения, загрузки, манипуляций и закрытия файла данных. Программистам нравится инкапсуляция, поскольку этот принцип ООП упрощает кодирование . Нет необходимости беспокоиться о многочисленных строках кода, которые работают "за кулисами", чтобы реализовать функционирование класса DatabaseReader. Все, что потребуется - это создать экземпляр и отправлять ему соответствующие сообщения (например, "открыть файл по имени AutoLot.mdf, расположенный на диске С:").
С идеей инкапсуляции программной логики тесно связана идея защиты данных. В идеале данные состояния объекта должны быть специфицированы с использованием ключевого слова private (или, возможно, protected ). Таким образом, внешний мир должен вежливо попросить, если захочет изменить или получить лежащее в основе значение. Это хороший принцип, поскольку общедоступные элементы данных можно легко повредить (даже нечаянно, а не преднамеренно).
Основной единицей инкапсуляции в C# является класс , который определяет форму объекта. Он описывает данные, а также код, который будет ими оперировать. В C# описание класса служит для построения объектов, которые являются экземплярами класса. Следовательно, класс, по существу, представляет собой ряд схематических описаний способа построения объекта.
Код и данные, составляющие вместе класс, называют членами . Данные, определяемые классом, называют полями , или переменными экземпляра . А код, оперирующий данными, содержится в функциях-членах , самым типичным представителем которых является метод. В C# метод служит в качестве аналога подпрограммы. (К числу других функций-членов относятся свойства, события и конструкторы.) Таким образом, методы класса содержат код, воздействующий на поля, определяемые этим классом.
Роль наследования
Следующий принцип ООП - наследование - касается способности языка позволять строить новые определения классов на основе определений существующих классов. По сути, наследование позволяет расширять поведение базового (или родительского) класса, наследуя основную функциональность в производном подклассе (также именуемом дочерним классом):
Т.е. наследование представляет собой процесс, в ходе которого один объект приобретает свойства другого объекта. Это очень важный процесс, поскольку он обеспечивает принцип иерархической классификации. Если вдуматься, то большая часть знаний поддается систематизации благодаря иерархической классификации по нисходящей.
Если не пользоваться иерархиями, то для каждого объекта пришлось бы явно определять все его свойства. А если воспользоваться наследованием, то достаточно определить лишь те свойства, которые делают объект особенным в его классе. Он может также наследовать общие свойства своего родителя. Следовательно, благодаря механизму наследования один объект становится отдельным экземпляром более общего класса.
Роль полиморфизма
Последний принцип ООП - полиморфизм . Он обозначает способность языка трактовать связанные объекты в сходной манере. В частности, этот принцип ООП позволяет базовому классу определять набор членов (формально называемый полиморфным интерфейсом ), которые доступны всем наследникам. Полиморфный интерфейс класса конструируется с использованием любого количества виртуальных или абстрактных членов.
По сути, виртуальный член - это член базового класса, определяющий реализацию по умолчанию, которая может быть изменена (или, говоря более формально, переопределена) в производном классе. В отличие от него, абстрактный метод - это член базового класса, который не предусматривает реализации по умолчанию, а предлагает только сигнатуру. Когда класс наследуется от базового класса, определяющего абстрактный метод, этот метод обязательно должен быть переопределен в производном классе. В любом случае, когда производные классы переопределяют члены, определенные в базовом классе, они по существу переопределяют свою реакцию на один и тот же запрос.
Отличительные особенности ООП
1) ОО подход сосредотачивается на данных, как наиболее стабильных элементах выч.системы
2) ОО подход позволяет разрабатывать программный код, нацеленный на повторение использования
3) ОО подход обеспечивает лучшую масштабируемость в программных проектах, т.е. создание программ разной степени сложности, поэтому большинство современных технологий проектирования предполагает применение ООп.
В теории программирования ОО подход определен как технология создания сложного ПО, кот. Основано на представлении программы в виде совокупности программных объектов. Основное достоинство ООП - сокращение количества межмодульных вызовов и уменьшение объемов информации, передаваемой между модулями, по сравнению с модульным программированием. Это достигается за счет более полной локализации данных и интегрирования их с подпрограммами обработки, что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей (объектов) программы.
Кроме этого, объектный подход предлагает новые технологические средства разработки, такие как, наследование, полиморфизм, композиция, наполнение, позволяющие конструировать более сложные объекты из более простых. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов, появляется возможность создания библиотек объектов для различных применений, и разработчикам предоставляются дополнительные возможности создания систем повышенной сложности.
В основу ООП положены следующие принципы :
1) абстрагирование;
2) ограничение доступа;
3) модульность;
4) иерархичность;
5) типизация;
6) параллелизм;
7) устойчивость.
Уточним, что представляет собой каждый принцип.
Абстрагирование - процесс выделения абстракций в предметной области задачи. Абстракция - это 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. В соответствии с определением 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).
Ограничение доступа (Инкапсуляция — это принцип, согласно которому любой класс должен рассматриваться как чёрный ящик — пользователь класса должен видеть и использовать только интерфейсную часть класса (т. е. список декларируемых свойств и методов класса) и не вникать в его внутреннюю реализацию. Поэтому данные принято инкапсулировать в классе таким образом, чтобы доступ к ним по чтению или записи осуществлялся не напрямую, а с помощью методов. Принцип инкапсуляции (теоретически) позволяет минимизировать число связей между классами и, соответственно, упростить независимую реализацию и модификацию классов.) Это сокрытие отдельных элементов реализации абстракции, не затрагивающих существенных характеристик ее как целого.
Необходимость ограничения доступа предполагает разграничение двух частей в описании абстракции:
а) интерфейс - совокупность доступных извне элементов реализации абстракции (основные характеристики состояния и поведения);
б) реализация - совокупность недоступных извне элементов реализации абстракции (внутренняя организация абстракции и механизмы реализации ее поведения).
Ограничение доступа в ООП позволяет разработчику:
1) выполнять конструирование системы поэтапно, не отвлекаясь на особенности реализации используемых абстракций;
2) 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 .
Модульность - это 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. Принцип унаследован от модульного программирования, следование ему упрощает проектирование и отладку программы.
Иерархия - это ранжированная или упорядоченная система абстракций. Принцип иерархичности предполагает использование иерархий при разработке программных систем.
В ООП используются два вида иерархии.
1. 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 (на логическом уровне - при декомпозиции предметной области на объекты, на физическом уровне - при декомпозиции системы на модули и при выделении отдельных процессов в мультипроцессной системе).
2. 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 - это такое соотношение между абстракциями, когда одна из них использует структурную или функциональную часть другой или нескольких других абстракций (соответственно простое и множественное наследование).
Типизация - это ограничение, накладываемое на свойства объектов и препятствующее взаимозаменяемости абстракций различных типов (или сильно сужающее возможность такой замены). В языках с жесткой типизацией для каждого программного объекта (переменной, подпрограммы, параметра и т. д.) объявляется тип, который определяет множество операций над соответствующим программным объектом. Рассматриваемые далее языки программирования на основе Паскаля используют строгую, а на основе С - среднюю степень типизации.
Использование принципа типизации обеспечивает:
1) 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);
2) упрощение документирования;
3) 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.
Параллелизм - свойство нескольких абстракций одновременно находиться в активном состоянии, т.е. выполнять некоторые операции.
Существует целый ряд задач, решение которых требует наличия 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. В зависимости от типа используемой операционной системы (одно- или мультипрограммной) разделение времени может выполняться либо разрабатываемой системой (как в MS DOS), либо используемой ОС (как в системах Windows).
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:
1) временные объекты, хранящие промежуточные результаты некоторых действий, например, вычислений;
2) локальные объекты, существующие внутри подпрограмм, время жизни которых исчисляется от вызова подпрограммы до ее завершения;
3) глобальные объекты, существующие пока программа загружена в память;
4) 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.
