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.