Объектно-ориентированное проектирование. 
Теоретические основы информатики

Объектно-ориентированное проектирование является самостоятельной методологией проектирования систем и программного обеспечения, в основе которой лежит понятие объекта. Проектируемые и реализуемые действия понимаются как взаимодействие между объектами (рис. 10.12). Оно осуществляется путем передачи сообщений. Программа на объектно-ориентированном языке представляет собой совокупность взаимодействующих объектов.

Рис. 10.12. Архитектура программы при объектноориентированном подходе.

Объект как сущность рассматривается в двух смыслах:

• — как часть реального мира (сущность предметной области);
• — фрагмент программного кода или программная единица (сущность объектно-ориентированного программирования).

В первом случае в качестве объекта может выступать:

• — видимый и/или осязаемый объект, например, конкретный человек, книга, автомобиль;
• — нечто воспринимаемое мышлением, например, электронная форма документа, его содержание;
• — то, на что направлена мысль или действие.

Примерами объектов могут служить конкретные человек, книга, автомобиль, электронная форма документа, его оглавление и т. д.

Объект выделен из окружающего мира. Он обладает тремя важными характеристиками: состоянием, поведением и идентичностью.

Состояние объекта понимается как перечень характеристик (свойств) объекта и текущих значений каждой такой характеристики. Список характеристик обычно является статическим (неизменяемым для всех объектов данного тина), их значения являются динамическими (могут отличаться для различных объектов). При программной реализации характеристики называются полями (свойствами). Например, объект «Клиент банка» может обладать свойствами «Фамилия», «Номер счета», «Дата рождения». Каждое свойство может принимать различные значения, например, свойство «Номер счета» может иметь значение 42 307.810.5.9038.710 235. Поля содержат данные-значения, относящиеся к конкретному объекту.

Поведение объекта характеризует действия, которые может выполнять объект, его реакцию на определенные действия со стороны других объектов. Поведение выражается в терминах состояния объекта. Для объектов с точки зрения программных сущностей поведение понимается, как алгоритм преобразования, данных значений полей.

Действия над значениями нолей, связанные с некоторым объектом, называют методами этого объекта. Например, объект «Документ» может иметь методы «Печать», «Рассчитать скидку» и пр. Методы оформляются как подпрограммы (процедуры, функции). Выбор метода и его конкретной реализации осуществляется в соответствии с программной сущностью, называемой сообщением.

Идентичность объекта характеризуется совокупностью свойств (полей) и действий (методов), отличающих один объект от другого. Для объекта «Клиент банка» идентичность может определяться номером счета, который является уникальным для каждого клиента. В этом смысле совокупность нолей, определяющих идентичность, аналогична понятию ключа (см. параграф 12.2).

Итак, объект есть уникальная осязаемая реальность или часть программного кода, проявляющая четко выделяемое поведение. Многообразие различных объектов приводит к необходимости рассмотрения объектов как частного случая (говорят, экзелгпляра) класса некоторого множества объектов, имеющих общую структуру (набор полей) и общее поведение.

Класс с программной точки зрения можно понимать как некоторый «шаблон», описывающий группу объектов. Идентичность позволяет выделить конкретный объект из всего множества. При проектировании программных систем рассматривают именно связи и отношения между классами, а нс объектами.

Фундаментальными понятиями объектно-ориентированного программирования являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Они важны, прежде всего, с практической точки зрения.

Инкапсуляция (от лат. in capsula — в ящичке) — объединение данных и свойственных им подпрограмм обработки в одном объекте. Инкапсуляцию иллюстрирует рис. 10.13. Данные, содержащиеся в объекте, скрыты внутри оболочки. Оболочка показывает, что доступ к данным может быть получен только через свои подпрограммы, т. е. данными в объекте манипулируют только с помощью их подпрограмм.

Рис. 10.13. Схема объекта.

Объект заключает в себе (инкапсулирует) как описывающие объект данные, так и методы обработки этих данных, в результате чего как данные, так и подпрограммы во многом теряют самостоятельное значение. Объект условно можно выразить формулой Объект = Подпрограммы + Данные.

Сочетание данных с допустимыми действиями над этими данными и приводит к «рождению» нового элемента в конструировании программы — объекта.

Наследование — способность класса (объекта) передавать свои свойства и методы другому объекту без их повторного их описания. Наследование понимается как создание иерархии классов на основе уже имеющихся с унаследованием их свойств и методов. Каждый такой новый класс наследует методы и поля от класса-родителя, т. е. имеет доступ к данным и методам класса-родителя (предка, базового класса, надкласса), кроме того, он может иметь собственные методы и данные. Созданный таким образом класс называется потомком (дочерним классом, подклассом) объекта, послужившего для него основой. При этом класс-родитель может иметь несколько потомков, однако у каждого класса-потомка есть один единственный родитель. Данная возможность позволяет программисту создавать новые классы не с нуля, а на основе уже имеющихся.

Например, понятие наследования можно использовать для создания набора классов, представляющих собой геометрические фигуры. Универсальный класс «Фигура» и его потомки схематично показаны на рис. 10.14.

Piic. 10.14• Иерархия геометрических фигур Каждая из фигур «Прямоугольник», «Квадрат», «Треугольник» и «Круг» может обладать несколькими общими свойствами, такими как «Имя», «Площадь», «Периметр». Но каждый из этих классов также может иметь и собственные специализированные свойства; например, у «Круга» может быть поле «Радиус», а у «Прямоугольника» — «Ширина» и «Длина».

На рис. 10.15 приведено детальное представление иерархии классов «Фигура», «Прямоугольник» и «Квадрат».

На рисунке показан каждый класс вместе со своими собственными (т.с. не унаследованными данными) методами и данными. Например, универсальный класс «Фигура» имеет пять данных: «Имя», «Координаты центра», «Площадь» и «Периметр» и семь подпрограмм. При этом класс «Квадрат» не имеет собственных данных, поскольку квадрат — это прямоугольник, длина и ширина которого равны.

На рис. 10.16 показана еще более глубокая детализация класса «Прямоугольник». Унаследованные данные и методы показаны курсивом.

Механизм наследования дает ряд преимуществ при проектировании программных систем. Используя методологию восходящего проектирования, разработчик или программист может выстраивать иерархию классов и объектов, причем вновь создавае;

Рис. 10.15. Иерархия классов с методами и данными.

Рис. 10.16. Иерархия объектов с методами и данными.

мые классы могут использовать уже разработанные (и, возможно, отлаженные) методы и отношения между полями. Это позволяет строить программные системы по принципу «от простого к сложному». Поэтому считается, что при использовании объектноориентированного подхода применяются одновременно технологии восходящего и нисходящего проектирования. Действительно, иерархия классов (объектов) строится по принципу «от общего к частному». С другой стороны, чем ниже в иерархии классов находится потомок, тем обычно большее количество методов в нем реализовано, что увеличивает сложность обработки объектов этого класса (принцип «от простого к сложному»).

Полиморфизм (от англ, роlymorphism многоликость) определяется как возможность использовать одинаковые имена для близких по своей сути методов в различных классах-потомках. При этом говорят про различные реализации одного метода. При этом метод, описанный в классе-прсдкс, называют виртуальным, а конкретная его реализация в подклассе — переопределением метода.

Например, для иерархии классов, изображенной на рис. 10.14, метод вычисления площади для класса «Фигура» может быть объявлен виртуальным. Конкретная его реализация (алгоритм вычислений, количество аргументов, типы аргументов и пр.) для классов-потом ков «Прямоугольник», «Треугольник» и «Круг» различна. Вместе с тем, было бы логично присвоить этим методам одинаковые имена, например «CalculatcSquarc» («Рассчитать площадь»). Из этого примера становится ясно, что полиморфизм, с одной стороны, позволяет сократить количество имен методов в программе, а с другой — требует от программиста (разработчика) внимательно следить за реализацией конкретного метода дня каждого потомка.

Объектно-ориентированный подход по сравнению с модульным имеет одно существенное преимущество: проектируемые системы и программное обеспечение более естественно представляются в виде иерархии классов и объектов. Это существенно облегчает разработку. Можно считать, что объектно-ориентированный подход — это дальнейшее развитие модульного подхода, когда основу взаимодействия классов составляют логические связи между ними. С точки зрения мыслительных процессов человека такой подход является более естественным. Применяя технологии восходящей и нисходящей разработки совместно с механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма, получают новые эффективные возможности разработки программного обеспечения.

Современные языки и системы программирования (С#, Java, PascalABC.NET и др.) делают акцент на применении объектно-ориентированного подхода. При этом считается, что получаемый программный продукт более полно и логично отражает часть реального мира, связанную с решением, в том числе экономических задач, нежели программные продукты, построенные по принципам модульного программирования.

Применение объектно-ориентированных систем программирования имеет и еще одну положительную особенность. Большинство из них реализуется как системы визуального программирования. При разработке программ имеется возможность в визуальном режиме конструировать интерфейс программы, причем используемые программные объекты управления (кнопки, ноля, списки, меню и пр.) являются стандартными. Эти управляющие объекты реализованы как программные сущности, имеющие поля и методы. Разработчик использует готовые блоки интерфейса, что позволяет в полной мере сосредоточиться на логике работы программы. При этом система программирования берет на себя ряд рутинных задач, таких как написание заголовков подпрограмм, автоматическое завершение ввода команд, получение интерактивной справки и т. д. Программист должен только вписать необходимый программный код в тс места программы, которые определяют индивидуальное поведение объектов.

К объектно-ориентированным системам визуального проектирования относятся: Visual Basic for Applications, Visual C++, Delphi. Это системы программирования самого высокого уровня.