Элементы ооп. Основы объектно-ориентированного программирования

Инкапсуляция. С одной стороны объект, обладает определенными свойствами, которые характеризуют его состояние в данный момент. С другой стороны над объектами возможны операции, которые приводят к изменению этих свойств.Доступ к изменению свойств осуществляется только с помощью методов, присущих данному классу объектов . Есть метод, данное свойство данного объекта можно изменить, нет метода – нельзя. Методы как бы «окружают» свойства объекта, говорят, что свойства «инкапсулированы» в объект. Для обеспечения инкапсуляции класс не должен позволять прямого доступа к своим данным.Инкапсуляция – механизм скрытия всех внутренних деталей объекта, не влияющих на его поведение.

Наследование . Наследование определяет отношение между классами:объекты класса-наследника обладают всеми свойствами и методами объектов класса-родителя и не должны их повторно реализовывать. Т.е. один объект приобретает свойства другого объекта, добавляя к ним свойства, характерные только для него. Например,

Класс «Точка» (родитель)		Класс «Окружность» (наследник)
Свойства		Свойства
Координаты (x,y)	Перемещение	Координаты центра (x,y)	Перемещение
	Изменение цвета		Изменение цвета
			Изменение радиуса

Полиморфизм (имеющий много форм). К объектам разных классов можно применять один и тот же метод, вот только действовать этот метод будет по-разному. Например, к большинству объектов в Windows&Office можно применять одни и те же методы: копирование, перемещение, переименование, удаление и т.п. Однако, механизмы реализации этих методов для разных классов (файл в Windows и документ Word) неодинаковы.Полиморфизм – возможностьиспользования одних и тех методов для объектов разных классов , только реализация этих методов будет индивидуальной для каждого класса.

1. Событийный механизм управления

Каждое действие в ОС вызывает событие, которое в виде сообщения передается в приложение (например, двойной щелчок на документе Word сообщает приложению – хватит спать, давай работать). Приложение анализирует сообщение и выполняет соответствующее действие (загружается и открывает документ). Приложения, создаваемые с помощью управляемых событий, также работают по этому принципу. Но при этом часть работы ОС берут на себя. Они перехватывают сообщение и передают его соответствующему объекту (например, «Кнопка»), где затем вызывает соответствующее событие (например, «Нажать»).

В программах, управляемых событиями, нет сплошного кода, который выполняется с начала до конца. После запуска таких программ у пользователя нет четко определенного пути. Он может в любой момент нажать какую-нибудь кнопку, ввести данные текста в соответствующее поле, прекратить обработку и вызвать другую программу.

В соответствии с тем, что определен событийный механизм управления, для каждого объекта (управляющие элементы, формы) в системе определен перечень относящихся к нему событий. Реакцию на событие можно запрограммировать. Для этого с помощью кода создаются процедуры обработки событий (событийные процедуры).

Сначала выбирают объект – элемент управления пользовательского интерфейса, для которого будет записана программа его действий. Далее вызывают список процедур, то есть событий для выбранного объекта, при совершении которых над объектом будет выполняться записанная программа, и выбирают подходящее событие.

В заголовке каждой процедуры, написанной для объекта на форме, указывается имя объекта, для которого написана процедура и название выбранного события, в скобках после имени процедуры записываются ее параметры, которые могут и отсутствовать

В событийной процедуре может участвовать несколько объектов. Например, само событие происходит с первым объектом, в результате второй объект изменяет значение своего свойства, а третий – реализует какой-либо метод.

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:

Инкапсуляция

Как данный язык скрывает детали внутренней реализации объектов и предохраняет целостность данных?

Наследование

Как данный язык стимулирует многократное использование кода?

Полиморфизм

Как 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.

по существу пользовались парадигмой директивного программирования - целью было создание кода, воздействующего должным образом на данные. Этот подход хорош при решении небольших задач, но порождает множество трудноразрешимых проблем при попытке создания больших программных систем .

Одной из альтернатив директивному программированию является объектно-ориентированное программирование , которое действительно помогает справиться с нелинейно растущей сложностью программ при увеличении их объема. Не следует, однако, делать вывод , что использование парадигмы объектно-ориентированного программирования гарантирует успешное решение всех проблем.

Для того чтобы стать профессионалом в программировании, необходимы талант, способность к творчеству, интеллект , знания, логика, умение строить и использовать абстракции и, самое главное, опыт .

В этом параграфе мы продолжим знакомство с базисными концепциями объектно-ориентированного программирования, начатое еще в первой главе книги. Сначала будут обсуждены общие для различных языков программирования понятия ООП , а затем - их реализация в языке Java .

Следует знать, что курс объектно-ориентированного программирования читается студентам-старшекурсникам в течение целого семестра, и поэтому материал, изложенный ниже, представляет собой лишь самое начальное введение в мир ООП . Значительно более полное изложение многих вопросов, связанных с объектно-ориентированными дизайном, проектированием и программированием, содержится в книге , а в третьей главе книги можно найти очень ясное описание всех объектно-ориентированных аспектов языка Java .

Основные концепции ООП

Объектно-ориентированное программирование или ООП (object-oriented programming) - методология программирования , основанная на представлении программы в виде совокупности объектов , каждый из которых является реализацией определенного типа , использующая механизм пересылки сообщений и классы , организованные в иерархию наследования .

Центральный элемент ООП - абстракция . Данные с помощью абстракции преобразуются в объекты, а последовательность обработки этих данных превращается в набор сообщений, передаваемых между этими объектами. Каждый из объектов имеет свое собственное уникальное поведение. С объектами можно обращаться как с конкретными сущностями, которые реагируют на сообщения, приказывающие им выполнить какие-то действия.

ООП характеризуется следующими принципами ( по Алану Кею):

• все является объектом ;
• вычисления осуществляются путем взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некоторое действие; объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения ; сообщение - это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия;
• каждый объект имеет независимую память , которая состоит из других объектов ;
• каждый объект является представителем класса , который выражает общие свойства объектов данного типа ;
• в классе задается функциональность (поведение объекта); тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия;
• классы организованы в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования ; память и поведение, связанное с экземплярами определенного класса, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.

Определение 10.1 . Абстрагирование (abstraction) - метод решения задачи, при котором объекты разного рода объединяются общим понятием (концепцией), а затем сгруппированные сущности рассматриваются как элементы единой категории.

Абстрагирование позволяет отделить логический смысл фрагмента программы от проблемы его реализации, разделив внешнее описание ( интерфейс ) объекта и его внутреннюю организацию (реализацию).

Определение 10.2 . Инкапсуляция (encapsulation) - техника, при которой несущественная с точки зрения интерфейса объекта информация прячется внутри него.

Определение 10.3 . Наследование (inheritance) - свойство объектов, посредством которого экземпляры класса получают доступ к данным и методам классов-предков без их повторного определения.

Наследование позволяет различным типам данных совместно использовать один и тот же код, приводя к уменьшению его размера и повышению функциональности.

Определение 10.4 .

Все объектно-ориентированные языки используют три базовых принципа объектно-ориентированного программирования:

• Инкапсуляция . Как данный язык скрывает внутренние особенности реализации объекта?
• Наследование . Как данный язык обеспечивает возможность многократного использования программного кода?
• Полиморфизм . Как данный язык позволяет интерпретировать родственные объекты унифицированным образом?

Первым принципом ООП является инкапсуляция. Инкапсуляция – это механизм программирования, связывающий воедино код и данные, которыми он манипулирует, ограждающий их от внешнего доступа и неправильного применения и скрывающий средствами языка детали реализации. Например, предположим, что мы используем класс представляющий объекты типа пера (Pen). Такой класс инкапсулирует внутренние способности объектов рисовать точки, линии и фигуры разной толщины и цвета. Принцип инкапсуляции позволяет упростить задачу программирования в том смысле, что уже нет необходимости беспокоится о многочисленных строках программного кода, который выполняет работу класса пера "за кулисами". Все, что требуется, так - это создание экземпляра класса пера и взаимодействовать с ним путем обращения к его функциям.

Одним из важных аспектов инкапсуляции является защита данных. В идеале данные, характеризующие состояние объекта, должны определяться, как закрытые и недоступные для внешнего окружения. В этом случае внешнее окружение объекта будет вынуждено запрашивать право на изменение или чтение соответствующих значений. Таким образом, понятие инкапсуляции отражает общее правило, согласно которому поля данных объекта не должны быть непосредственно доступны из открытого интерфейса. Если пользователю необходимо изменить состояние объекта, то он должен сделать это не напрямую, а косвенно, с помощью функций чтения (get ()) и модификации (set ()). В С# доступность данных реализуется на уровне синтаксиса с помощью ключевых слов public , private , protected , и protected internal .

В пределах объекта код, данные или и код и данные могут быть закрытыми для других объектов, либо открытыми. Закрытые код и данные известны и доступны из другой части только этого объекта (т.е. только самому объекту). Поэтому к закрытому коду и данным не может быть осуществлен доступ из той части программы, которая существует за пределами данного объекта.

Следующим принципом ООП является наследование , означающее способность языка обеспечить построение определений новых классов на основе определений уже существующих классов. В сущности, наследование позволяет расширить возможности поведения базового класса (называемого также родительским классом ) с помощью построения подкласса (называемого производным или дочерним классом ), наследующего характеристики и функциональные возможности родительского класса. По сути дела такая форма наследования представляет собой повторное использование программного кода одного (базового) класса в других (производных от него) классах. Как правило, в этом случае дочерний класс расширяет возможности базового класса, добавляя к ним некоторые новые возможности, отсутствующие в базовом классе. Такая форма наследования получила название "is-a" (т.е. быть тем же самым, но с более широкими возможностями).

Существует и другая форма многократного использования программного кода – это модель локализации/делегирования (также известная, как отношение локализации "has-a"). Эта форма не используется для создания отношений "класс-подкласс". Вместо этого класс может определить в своем составе некоторую переменную другого класса и открыть часть или все ее функциональные возможности для внешнего окружения. В этом случае класс больше похож на контейнер, в котором содержатся экземпляры других классов.

Третьим принципом ООП является полиморфизм . Он характеризует способность языка одинаково интерпретировать родственные объекты. Эта особенность объектно-ориентированного языка позволяет базовому классу определить множество членов для всех производных классов. Формально это общее членов называют полиморфным интерфейсом. Полиморфный интерфейс для класса строится с помощью определения некоторого произвольного числа виртуальных и абстрактных функций. Виртуальную функцию класса можно изменить в производном классе, а абстрактную функцию можно только переопределить. Когда производные классы переопределяют функции, определенные в базовом классе, то они, по существу, переопределяют свою реакцию на соответствующий запрос. Кроме возможности переопределения функций язык С# предоставляет возможность использовать другую форму полиморфизма – перегрузку функций. Перегрузку следует рассматривать, как дополнительную возможность различать функции с одинаковым названием, отличающихся разным количеством или типом аргументов. Поэтому перегрузку можно применять не только к функциям – членам класса, но и к глобальным функциям.

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.