Введение в объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование представляет собой дальнейшее развитие идей структурного программирования, основной целью которого является создание программ простой структуры. Это достигается за счет разбиения программы на максимально обособленные части.

Структурная программа состоит из совокупности подпрограмм, связанных с помощью интерфейсов. Подпрограмма работает с данными, которые либо являются локальными, либо передаются ей в качестве параметров. Каждая подпрограмма предназначена для работы с определенными типами данных. Ошибки часто связаны с тем, что в подпрограмму передаются неверные данные.

Естественный путь избежать таких ошибок — связать в одно целое данные и все подпрограммы, которые предназначены для их обработки. Эта идея лежит в основе ООП: из предметной области выделяются объекты, поведение и взаимодействие которых моделируются с помощью программы. Основные особенности объектно-ориентированной парадигмы были кратко описаны в начале этой главы в подразд. 6.1.

Объект, или класс, является абстрактным типом данных, создаваемым программистом. При описании класса определяются его поля (данные) я методы (подпрограммы их обработки). Конкретные переменные объектного типа называются экземплярами объекта. Аналогия из обыденной жизни: собака является объектом, а экземплярами — конкретные Жучка или Терри.

Выполнение программы состоит в том, что объекты обмениваются сообщениями. Это позволяет использовать при программировании понятия, более адекватно отражающие предметную область.

К преимуществам ООП относятся:

• ? использование при программировании понятий, более близких к предметной области;
• ? более простая структура программы в результате инкапсуляции, т. е. объединения свойств и поведения объекта и скрытия деталей его реализации;
• ? возможность повторного использования кода за счет наследования;
• ? сравнительно простая возможность модификации программы;
• ? возможность создания библиотек объектов.

Эти преимущества проявляются при создании программ большого объема и классов программ. Однако создание объектно-ориентированной программы представляет собой весьма непростую задачу, поскольку в процесс добавляется этап разработки иерархии объектов, а плохо спроектированная иерархия приводит к появлению сложных и запутанных программ.

Кроме того, идеи ООП непросты для понимания и в особенности для практического применения. Чтобы эффективно использовать готовые объекты, необходимо освоить большой объем достаточно сложной информации. Неграмотное же применение ООП способно привести к созданию программ, сочетающих недостатки и структурного, и объектно-ориентированного подхода и лишенных их преимуществ.

Далее рассматривается конкретная реализация объектной модели в языке ПАСКАЛЬ.

Объекты В ПАСКАЛЕ объект — это тип данных,.

— определяемый программистом. Объект похож на тип «запись» (record), но кроме полей данных в нем можно описывать методы. Методами называются подпрограммы, предназначенные для работы с полями объекта. Внутри объекта описываются только заголовки методов:

type имя = object [private].

описание элементов [public].

заголовки методов.

end;

Поля и методы называются элементами объекта. Их видимостью управляют директивы private и public¹. Ключевое слово private (закрытые) ограничивает видимость перечисленных после него элементов файлом, в котором описан объект. Действие директивы распространяется до другой директивы или до конца объекта. В объекте может быть произвольное количество разделов private и public. По умолчанию все элементы объекта считаются видимыми извне, т. е. являются public (открытыми).

Для каждого поля объекта задается его имя и тип. Он может быть любым, кроме типа того же объекта, но может быть указателем на этот тип.

При определении состава методов исходят из требуемого поведения объекта. Каждое действие, которое должен выполнять объект, оформляется в виде отдельной процедуры или функции.

Пример Пусть объект моделирует персонаж компьютерной игры, который характеризуется своим положением и изображением на экране, Квадратные скобки означают, что эти директивы являются необязательными.

определенными «запасами» здоровья и вооружения и цветом, а также умеет атаковать противника: type monster = object.

procedure init (x_, y_, health_, ammo_: word);

procedure attack;

procedure draw;

procedure erase;

procedure hit;

procedure move (x_, y_: word); private.

x, у: word;

health, ammo: word; color: word;

end;

Вся внешняя информация, необходимая для выполнения действий с объектом, должна передаваться методам в качестве параметров. Параметры могут иметь любой тип, в том числе и тип того же объекта. Имена параметров не должны совпадать с именами полей объекта.

Описание методов (текст подпрограмм) размещается вне объекта в разделе описания процедур и функций:

procedure monster. init (х_, у_, health_, ammoj word); begin x:= x_; y:= y_; health:= health_; ammo:= ammo_; color:= yellow; end; procedure monster. draw; begin … {процедуры вывода изображения} end;

Поля объекта используются внутри методов непосредственно, без указания имени объекта. Методы представляют собой разновидность подпрограмм, поэтому внутри них можно описывать локальные переменные. Как правило, поля объекта объявляют.

private, а методы — public.

Объекты часто описывают в модулях. Тип объекта определяется в интерфейсном разделе модуля, а методы объекта — в разделе реализации. Объектный тип можно определять только в разделе описания типов самого внешнего блока программы или модуля.

Экземпляры объектов Экземпляр объекта — это переменная.

— объектного типа. Время жизни и видимость объектов зависят от вида и места их описания и подчиняются общим правилам ПАСКАЛЯ. Экземпляры объектов можно создавать в статической или динамической памяти:

var Vasia: monster; {описывается статический объект} pm: '?'monster; {описывается указатель на объект}.

new (pm); {создается динамический объект}.

Можно определять массивы объектов или указателей на объекты и создавать из них динамические структуры данных. Если объектный тип описан в модуле, для создания в программе переменных этого типа следует подключить модуль в разделе uses: uses graph, monsters;

Доступ к элементам объекта осуществляется либо с использованием составного имени, либо с помощью оператора with: Vasia. erase;

with pm^A do begin init (100, 100, 30); draw; end;

Если объект описан в модуле, то получить доступ к значениям полей со спецификатором private в программе можно только через обращение к соответствующим методам.

При создании каждого объекта выделяется память, достаточная для хранения всех его полей. Методы объекта хранятся в одном экземпляре. Для того чтобы методу было известно, с данными какого экземпляра объекта он работает, при вызове ему в неявном виде передается параметр self, определяющий место расположения данных этого объекта.

Объекты одного типа можно присваивать друг другу, при этом выполняется поэлементное копирование всех полей. Кроме того, в ПАСКАЛЕ определены правила расширенной совместимости типов объектов. Они рассмотрены далее. Все остальные действия выполняются над отдельными полями объектов.

Управлять большим количеством Иерархии объектов

разрозненных объектов сложно. С этим ;

можно справиться путем упорядочивания и ранжирования объектов, т. е. объединяя общие для нескольких объектов свойства в одном объекте и используя этот объект в качестве базового.

Эту возможность предоставляет механизм наследования. Он позволяет строить иерархии, в которых объекты-потомки получают свойства объектов-предков и могут дополнять их или изменять. Таким образом, наследование обеспечивает возможность повторного использования кода.

При описании объекта имя его предка записывается в круглых скобках после ключевого слова object.

Пусть требуется ввести в игру еще один тип персонажей, который должен обладать свойствами объекта monster, но по-другому выглядеть и атаковать:

type daemon = object (monster).

procedure init (x_, y_, health_, ammo_, magic_: word);

procedure attack; procedure draw; procedure erase; procedure wizardry; private.

magic: word; end;

{—-реализация методов объекта daemon——>

procedure daemon. init (x_, y_, health_, ammo_, magic_: word); begin.

inherited init (x_, y_, health_, ammoj; color:= green; magic:= magic_; end;

Наследование полей. Унаследованные поля доступны в объекте точно так же, как и его собственные. Изменить или удалить поле при наследовании нельзя. Таким образом, потомок всегда содержит число полей, большее или равное числу полей своего предка.

Наследование методов. В «потомке» объекта можно не только описывать новые методы, но и переопределять существующие. Метод можно переопределить либо полностью, либо дополнив метод «предка».

Последний вариант иллюстрируется с помощью метода in it. В объекте daemon этот метод переопределен. Из него с помощью ключевого слова inherited (унаследованный) сначала вызывается старый метод, а затем выполняются дополнительные действия. Можно вызвать метод «предка» и явным образом с помощью конструкции monster, init.

Совместимость типов ПАСКАЛЬ — язык со строгой типизацией,.

объектов Операнды выражений, параметры под;

программ и их аргументы должны подчиняться правилам соответствия типов. Для объектов понятие совместимости расширено: производный тип совместим со своим родительским типом. Эта расширенная совместимость типов имеет три формы:

• 1) между экземплярами объектов;
• 2) между указателями на экземпляры объектов;
• 3) между параметрами и аргументами подпрограмм.

Во всех трех случаях родительскому объекту может быть присвоен экземпляр любого из его потомков, но не наоборот (рис. 6.6). Например, если определены переменные: type.

pmonster = ^Amonster; pdaemon = ^daemon; var m: monster; d: daemon; pm: pmonster; pd: pdaemon;

то допустимы приведенные далее операторы присваивания: m: = d; pm: = pd;

Рис. 6.6. Направление совместимости типов.

Поля и методы, введенные в потомке, после таких присваиваний недоступны. Даже если метод переопределен в потомке, через указатель на предка вызывается метод, описанный в предке. Так, в результате выполнения оператора pm^A.draw на экране появится изображение объекта-предка, потому что тип вызываемого метода соответствует типу указателя, а не типу того объекта, на который он ссылается.

Если известно, что указатель на предка на самом деле хранит ссылку на потомка, можно обратиться к элементам, определенным в потомке, с помощью явного преобразования типа, например pdaemon (pm)^A.wizardry.

Если объект является параметром подпрограммы, ему может соответствовать аргумент того же типа или типа любого из его потомков.

Объекты, фактический тип которых может изменяться во время выполнения программы, называются полиморфными. Полиморфным может быть объект, определенный через указатель или переданный в подпрограмму по адресу. Полиморфные объекты обычно применяются вместе с виртуальными методами.

Рассмотрим работу компилятора при Виртуальные методы

использовании в программе иерархий ;

объектов. Исполняемые операторы программы в виде инструкций процессора находятся в сегменте кода. Каждая подпрограмма имеет точку входа. При компиляции вызов подпрограммы заменяется последовательностью команд, которая передает управление в эту точку. Этот процесс называется разрешением ссылок, или ранним связыванием, потому что адреса перехода на подпрограммы компилятор вставляет до выполнения программы.

Ясно, что с помощью этого механизма не удастся обеспечить возможность вызова методов разных объектов (предков и потомков) с помощью одного и того же указателя или из одной и той же подпрограммы. Это можно сделать только в том случае, если ссылки будут разрешаться на этапе выполнения программы в момент вызова метода. Такой механизм называется поздним связыванием и реализуется с помощью виртуальных методов. Они определяются с помощью директивы virtual, которая записывается в заголовке метода:

procedure attack; virtual;

Объявление метода виртуальным означает, что все ссылки на этот метод будут разрешаться по факту его вызова, т. е. не на стадии компиляции, а во время выполнения программы. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы адреса виртуальных методов хранились там, где ими можно в любой момент воспользоваться, поэтому компилятор формирует для них таблицу виртуальных методов (Virtual Method Table—VMT). Для каждого объектного типа создается одна VMT.

Каждый объект во время выполнения программы должен иметь доступ к VMT. Эта связь устанавливается при создании объекта с помощью специального метода, называемого конструктором. Класс, имеющий хотя бы один виртуальный метод, должен содержать конструктор, например:

type monster = object.

constructor init (x_, y_, health_, ammo_: word);

procedure attack; virtual;

procedure draw; virtual;

procedure erase; virtual;

procedure hit;

procedure move (x_, y_: word);

private.

x, у: word; health, ammo: word; color: word;

end;

daemon = object (monster).

constructor init (x_, y_, health_, ammo_, magic_: word); procedure attack; virtual;

procedure draw; virtual; procedure erase; virtual; procedure wizardry; private.

magic: word; end;

По ключевому слову constructor компилятор вставляет в начало метода фрагмент, который записывает ссылку на VMT в специальное поле объекта. Прежде чем использовать виртуальные методы, необходимо вызвать конструктор объекта.

Конструктор обычно используется для инициализации объекта.

В нем выполняется выделение памяти под динамические переменные или структуры, если они есть в объекте, и присваиваются начальные значения полям объекта. Поскольку связь с VMT устанавливается в самом начале конструктора, в его теле также можно пользоваться виртуальными методами.

Объект может содержать несколько конструкторов. Конструктор надо вызывать явным образом для каждого создаваемого объекта.

Вызов виртуального метода выполняется так: из объекта берется адрес его VMT, из VMT выбирается адрес метода, а затем управление передается этому методу (рис. 6.7). Таким образом, при использовании виртуальных методов из всех одноименных методов иерархии всегда выбирается тот, который соответствует фактическому типу вызвавшего его объекта.

Правила описания виртуальных методов.

• 1. Если в объекте метод определен как виртуальный, во всех потомках он также должен быть виртуальным.
• 2. Заголовки всех одноименных виртуальных методов должны совпадать.
• 3. Переопределять виртуальный метод в каждом из потомков не обязательно: если он выполняет устраивающие потомка действия, он будет унаследован.
• 4. Объект, имеющий хотя бы один виртуальный метод, должен содержать конструктор.
• 5. При описании объектов рекомендуется определять как виртуальные те методы, которые в его потомках будут реализовываться по-другому.

Рис. 6.7. Механизм виртуальных методов

Объекты в динамической Для хранения объектов в программах чаще памяти всего используется динамическая память, поскольку это более эффективно. Благодаря расширенной совместимости типов можно описать указатель на базовый класс и хранить в нем ссылку на любой его объект-потомок, что в сочетании с виртуальными методами позволяет единообразно работать с различными классами иерархии. Из объектов и указателей на них создают различные динамические структуры.

Для выделения памяти под объекты используются процедура и функция new. Например, если определены указатели:

type.

pmonster = ^Amonster; pdaemon = ^Adaemon;

var pm: pmonster; pd: pdaemon;

можно создать объекты с помощью вызовов: new (pm); {или pm:= new (pmonster);} new (pd); {или pd:= new (pdaemon);}.

Так как после выделения памяти объект обычно инициализируют, для удобства определены расширенные формы new со вторым параметром — конструктором объекта: new (pm, init (1, 1, 1, 1);

{или pm := new (pmonster, init (1, 1, 1, 1));} new (pd, init (1, 1, 1, 1, 1);

{или pd := new (pdaemon, init (1, 1, 1, 1, 1));} Обращение к методам динамического объекта выполняется по обычным правилам:

pm^.draw; pmA. attack;

С объектами в динамической памяти часто работают через указатели на базовый класс, т. е. описывают указатель базового класса, а инициализируют его, создав объект производного класса: pm: = new (pdaemon, init (1, 1, 1, 1, 1));

Такие объекты называют полиморфными. Они используются, для того чтобы можно было работать с объектами разных классов единообразно.

Деструкторы

Для освобождения памяти, занятой объектом, применяется процедура.

Dispose:

Dispose (pm);

Она освобождает количество байтов, равное размеру объекта, соответствующего типу указателя. Если в указателе хранится ссылка на объект производного класса, будет освобождено неверное количество байтов. Для корректного освобождения памяти из-под полиморфных объектов следует использовать вторым параметром Dispose специальный метод — деструктор. В документации по Borland Pascal ему рекомендуется давать имя done:

destructor monster. done; begin end; Dispose (pm, done);

В деструкторе можно описывать любые действия, необходимые для конкретного объекта, например закрытие файлов. Деструктор может быть пустым. Для объектов, содержащих динамические поля, в нем записываются операторы освобождения памяти для этих полей.

Компилятор по служебному слову destructor вставляет в конец тела метода операторы получения размера объекта из VMT. Деструктор передает этот размер процедуре Dispose, и она освобождает количество памяти, соответствующее фактическому типу объекта. Деструкторы обязательно использовать только для динамических полиморфных объектов. В объекте можно определить несколько деструкторов (в этом случае они должны иметь разные имена).