Объектно-ориентированный подход. 
Программирование

ОСНОВЫ ЯЗЫКОВОЙ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ

Введение

в объектно-ориентированный подход к программированию

В данном параграфе исследуются роль и место объектно-ориентированного подхода к программированию в общей классификации, анализируются достоинства и недостатки подхода, неформально определяются важнейшие концепции объектно-ориентированного программирования.

Продолжим исследование, посвященное современным подходам и средам программирования. Наше изучение программирования базируется на теоретическом фундаменте современных подходов и математических формализаций, принятых в мировом computer science. В качестве технологической основы и инструментальной платформы для исследования подходов к программированию предлагается новейшая разработка корпорации Microsoft — уникальный по идеологии и широте поддержки языков программирования комплекс программного обеспечения на основе так называемой методологии .NET.

В первом разделе книги обсуждались основы программирования и дано теоретическое введение в computer science. Второй раздел посвящен теории и практике реализации гетерогенных программных систем на более профессиональном уровне. При этом существенно используется объектноориентированный подход к программированию, введение в проблематику которого и является темой этого параграфа.

Прежде всего, необходимо напомнить классификацию языков программирования, кратко рассмотреть историю их развития и основные подходы к разработке программных систем, сфокусировав внимание на преимуществах и недостатках каждого из языков и подходов. При этом более подробно мы остановимся на различиях между основными классами языков программирования, а именно императивными и декларативными. Затем речь пойдет об отличительных особенностях языков функционального программирования и функциональном подходе в целом.

Основная часть параграфа посвящена концепциям объектно-ориентированного программирования, в частности наследования, инкапсуляции и полиморфизма. По традиции, примеры программ (на языке программирования С#, самом популярном для платформы .NET) сопровождаются теоретическими аналогиями из computer science. Исследование эволюции языков программирования данного класса дополнено примерами.

Прежде всего, напомним итоги построения классификации языков и подходов к программированию, разработанной в первом разделе книги.

Кратко перечислим основные подходы к программированию:

• • ранние неструктурные подходы;
• • структурный или модульный подход (задача разбивается на подзадачи, затем на алгоритмы, составляются их структурные схемы, и происходит реализация);
• • функциональный подход;
• • логический подход;
• • объектно-ориентированный подход;
• • смешанный подход (некоторые подходы можно комбинировать);
• • компонентно-ориентированный (программный проект рассматривается как множество компонентов, такой подход принят, в частности в .NET);
• • чисто объектный подход (идеальный с математической точки зрения вариант, который пока не реализован практически).

Заметим, что приведенную классификацию не следует считать единственно верной и абсолютной, поскольку языки программирования постоянно развиваются и совершенствуются и недавние недостатки устраняются с появлением необходимых инструментальных средств или теоретических обоснований.

Остановимся несколько подробнее на тех языках и подходах к программированию, которые в наибольшей мере отвечают целям этой книги. Напомним, что в 1960;е гг. возникает новый подход к программированию, который до сих пор успешно конкурирует с императивным (т.е. основанным на командах, директивах или операторах и включающим процедуры и функции), а именно — декларативный подход. Суть его состоит в том, что программа представляет собой не набор команд, а описание действий, которые необходимо осуществить.

Этот подход, как показали результаты первого раздела книги, существенно проще и прозрачнее формализуем математическими средствами. Отсюда следует, что программы проще проверять на наличие ошибок (тестировать), а также на соответствие заданной технической спецификации (верифицировать).

Высокая степень абстракции также является преимуществом данного подхода. Фактически программист оперирует не набором инструкций, а абстрактными понятиями, которые могут быть достаточно обобщенными.

На начальном этапе развития декларативным языкам программирования было сложно конкурировать с императивными в силу объективных трудностей при создании эффективной реализации трансляторов. Программы работали медленнее, однако они могли с меньшими трудозатратами решать более абстрактные задачи. Различные диалекты языка LISP возникли потому, что ядро и идеология этого языка оказались весьма эффективными при реализации символьной обработки (анализе текстов).

Другие характерные примеры декларативных языков программирования рассматривались в первом разделе книги.

В 1950;е гг. появились языки программирования так называемого «высокого уровня», но сравнению с ранее рассмотренными низкоуровневыми языками. Различие состоит в повышении эффективности труда разработчиков за счет абстрагирования от конкретных деталей аппаратного обеспечения. Одна инструкция (оператор) языка высокого уровня соответствовала последовательности из нескольких низкоуровневых инструкций, или команд. Исходя из того, что программа, по сути, представляла собой набор директив, обращенных к компьютеру, такой подход к программированию получил название императивного.

Еще одной особенностью языков высокого уровня была возможность повторного использования ранее написанных программных блоков, выполняющих те или иные действия, посредством их идентификации и последующего обращения к ним, например, но имени. Такие блоки получили название функций или процедур, и программирование приобрело более упорядоченный характер. Кроме того, с появлением языков высокого уровня зависимость реализации от аппаратного обеспечения существенно уменьшилась. Платой за это стало появление специализированных программ, преобразующих инструкции языков в коды той или иной машины, или трансляторов, а также некоторая потеря в скорости вычислений, которая, впрочем, компенсировалась существенным выигрышем в скорости разработки приложений и унификацией программного кода.

Нужно отметить, что операторы и ключевые слова новых языков программирования были более осмысленными, чем безликие цифровые последовательности машинных кодов, что также обеспечивало повышение производительности труда программистов.

Естественно, для обучения новым языкам программирования требовались значительные затраты времени и средств, а эффективность реализации на прежних аппаратных средствах снижалась. Однако трудности эти были временными, и, как показала практика программирования, многие из первых языков высокого уровня оказались настолько удачно реализованными, что активно используются и сегодня.

Одним из таких примеров является язык Fortran, реализующий вычислительные алгоритмы. Другой пример — язык APL, трансформировавшийся в BPL и затем в С. Основные конструкции последнего остаются неизменными вот уже несколько десятилетий и присутствуют в языке С#, который нам предстоит изучать.

Примеры других языков программирования: ALGOL, COBOL, Pascal, Basic.

Одним из путей развития декларативного стиля программирования стал функциональный подход, возникший с появлением и развитием языка LISP. Отличительная особенность данного подхода состоит в том, что любая программа, написанная на таком языке, может интерпретироваться как функция с одним или несколькими аргументами. Такой подход дает возможность прозрачного моделирования текста программ математическими средствами, а значит, весьма интересен с теоретической точки зрения.

Сложные программы при таком подходе строятся посредством агрегирования функций. При этом текст программы представляет собой функцию, некоторые аргументы которой можно также рассматривать как функции. Таким образом, повторное использование кода сводится к вызову ранее описанной функции, структура которой, в отличие от процедуры императивного языка, математически прозрачна. Более того, типы отдельных функций, используемых в функциональных языках, могут быть переменными. Таким образом, обеспечивается возможность обработки разнородных данных (например, упорядочение элементов списка по возрастанию для целых чисел, отдельных символов и строк), или полиморфизм.

Еще одним важным преимуществом реализации языков функционального программирования является автоматизированное динамическое распределение памяти компьютера для хранения данных. При этом программист избавляется от рутинной обязанности контролировать данные, а при необходимости может запустить функцию «сборки мусора» — очистки памяти от тех данных, которые больше не потребуются программе (обычно этот процесс периодически инициируется компьютером).

Таким образом, при создании программ на функциональных языках программист сосредотачивается на области исследований (предметной области) и в меньшей степени заботится о рутинных операциях (обеспечении правильного с точки зрения компьютера представления данных, «сборке мусора» и т. д.).

Поскольку функция является естественным формализмом для языков функционального программирования, реализация различных аспектов программирования, связанных с функциями, существенно упрощается. В частности, интуитивно прозрачным становится написание рекурсивных функций, т. е. функций, вызывающих самих себя в качестве аргумента. Кроме того, естественной становится и реализация обработки рекурсивных структур данных (например, списков — базовых элементов, скажем, для семейства языков LISP, деревьев и др.).

Благодаря реализации механизма сопоставления с образцом, такие языки, как ML и Haskell, весьма хорошо применимы для символьной обработки.

Характерные примеры функциональных языков программирования были рассмотрены в первом разделе книги.

Важнейшим шагом на пути к совершенствованию языков программирования стало появление объектно-ориентированного подхода к программированию (ООП) и соответствующего класса языков. Именно исследование теории и практики проектирования и реализации программных систем по принципам ООП является основной целью книги.

При ООП программа представляет собой описание объектов, их свойств (или атрибутов), совокупностей (или классов), отношений между ними, способов их взаимодействия и операций над объектами (или методов). Несомненным преимуществом данного подхода является концептуальная близость к предметной области произвольной структуры и назначения. Механизм наследования атрибутов и методов позволяет строить производные понятия на основе базовых и таким образом создать модель сколь угодно сложной предметной области с заданными свойствами.

Еще одним теоретически интересным и практически важным свойством ООП является поддержка механизма обработки событий, которые изменяют атрибуты объектов и моделируют их взаимодействие в предметной области. Перемещаясь по иерархии классов от общих понятий предметной области к более конкретным (или от более сложных — к более простым) и наоборот, программист получает возможность изменять степень абстрактности или конкретности взгляда па моделируемый им реальный мир.

Использование ранее разработанных (возможно, другими коллективами программистов) библиотек объектов и методов позволяет значительно сэкономить трудозатраты при производстве программного обеспечения, особенно типичного.

Объекты, классы и методы могут быть полиморфными, что делает реализованное программное обеспечение более гибким и универсальным.

Сложность адекватной (непротиворечивой и полной) формализации объектной теории порождает трудности тестирования и верификации созданного программного обеспечения. Пожалуй, это обстоятельство является одним из самых существенных недостатков ООП.

Наиболее известным примером объектно-ориентированного языка программирования является язык C++, развившийся из императивного языка С. Его прямым потомком и логическим продолжением является язык С#, который исследуется в качестве образца. Другие примеры объектно-ориентированных языков программирования: Visual Basic, Java, Eiffel, Oberon.

Переход от структурно-процедурного подхода к программированию к объектно-ориентированному, подобно переходу от низкоуровневых языков программирования к языкам высокого уровня, требует значительных затрат на обучение. Естественно, что платой является повышение производительности груда программистов при проектировании и реализации программного обеспечения. Другое преимущество ООП перед императивным подходом — более высокий процент повторного использования уже разработанного программного кода. При этом, в отличие от предыдущих подходов к программированию, ООП требует глубокого понимания основных принципов, или, иначе, концепций, на которых он базируется.

К числу основополагающих понятий ООП обычно относят абстракцию данных, наследование, инкапсуляцию и полиморфизм.

Нередко в учебниках и книгах по практике программирования читатели не имеют четкого математического основания для формирования достаточно полного и ясного представления об основах ООП. Преимущество данной книги заключается в том, что уже изученные в первом разделе области computer science (например, лямбда-исчисление и комбинаторная логика) позволяют сформировать глубокое и точное понимание фундаментальных понятий объектно-ориентированного программирования. В частности, понятие абстракции — основной операции лямбда-исчисления — для нас является уже хорошо знакомым.

Поясним качественно иные фундаментальные принципы ООП. Так, наследование конкретных атрибутов объектов и функций оперирования объектами основано на иерархии. Инкапсуляция означает «сокрытие» свойств и методов внутри объекта. Полиморфизм, как и в функциональном программировании, понимается как наличие функций с возможностью обработки данных переменного тина.

Рассмотрим более подробно такой фундаментальный принцип ООП, как абстракция. В разделах математики, исследующих моделирование процесса создания программ, иод абстракцией принято понимать произвольное выражение языка программирования, которое является отличным от идентификатора.

Важнейшей операцией, которая была исследована нами в первом разделе книги, является операция вычисления значения выражения или команды, т. е. операция означивания (в частности, функция вычисления значения явно используется при построении семантики языка программирования). В связи с этим важно установить, что является значением абстракции. Будем считать, что значение функции или переменной может быть присвоено абстракции и является значением последней.

В объектно-ориентированном программировании каждый объект представляет собой принципиально динамическую сущность, т. е. изменяется в зависимости от времени (а также от воздействия внешних по отношению к нему факторов). Иначе говоря, объект обладает тем или иным образом поведения. В отношении абстракции как объекта поведение заключается в приложении функции к аргументу.

Как мы уже отмечали, концепция абстракции в объектно-ориентированном программировании адекватно моделируется посредством лямбдаисчисления. Точнее говоря, операция абстракции в полной мере является моделью одноименного понятия ООП.

Другой фундаментальной составляющей концепции объектно-ориентированного программирования является интуитивно ясное понятие наследования. В неформальной постановке под наследованием понимается свойство того или иного объекта, который является производным от некоего базового объекта, сохранять поведение (а именно, атрибуты и операции над ними), характерное для родительского объекта.

С точки зрения языков программирования понятие наследования означает применимость всех или лишь некоторых свойств и (или) методов базового (или родительского) класса для всех классов, производных от него. Кроме того, сохранение свойств и (или) методов базового класса должно обеспечиваться и для всех конкретизаций (т.е. конкретных объектов) любого производного класса.

В математике концепцию наследования принято моделировать, например, отношением частичного порядка (которое представляет собой вид иерархии). Концепция наследования адекватно формализуется математически посредством одной из следующих нотаций:

• 1) фреймовой нотации Руссопулоса, названной так по имени своего создателя (Nick Roussopulos);
• 2) диаграмм Хассе, получивших название по имени ученого, который впервые предложил этот способ наглядного представления наследования (Helmut Hasse). Рассмотрим пример программы на языке программирования С#, иллюстрирующий концепцию наследования:

class, А { // базовый класс.

int а;

public А () {…} public void F () {…}.

}.

class B: A { // подкласс (наследует свойства класса А, расширяет класс А).

int b;

public В () (…) public void G () (…).

}.

Пример представляет собой описание базового класса, А и производного от него класса В.

Класс, А содержит целочисленный атрибут (т.е. переменную) а, а также два метода (т.е. функции) А (…) и F (…). Класс В содержит целочисленный атрибут (т.е. переменную) Ь, а также два метода (т.е. функции) В (…) и G (…).

Двоеточие В: А в описании класса В означает наследование.

Отметим, что выше был рассмотрен простейший случай наследования, а именно единичное наследование. Язык программирования C# позволяет реализовать механизмы, поддерживающие и более сложный случай наследования — множественное наследование.

Рассмотрим более подробно особенности наследования, которые реализует данный пример программы на языке С#.

Производный класс В наследует от базового класса, А свойство, а и метод F (). При этом к классу В добавляются собственные свойство b и метод G (). Заметим, что в отношении операции наследования справедливы следующие ограничения:

• 1) конструкторы (т.е. функции создания и инициализации классов) не наследуются;
• 2) в языке C# существует возможность замещения наследуемых методов (этот языковой аспект будет более подробно рассмотрен далее).

Отметим также, что наиболее простым случаем наследования является так называемое единичное наследование. При таком наследовании производный класс (или, иначе, подкласс) может наследовать свойства только одного базового класса. Однако при этом производный класс может реализовывать множественные интерфейсы (т.е. использовать описания объектов и методов других классов, напрямую минуя механизм наследования).

Один класс языка программирования C# может наследовать лишь свойства другого класса (но не структуры — типа данных, аналогичного кортежу языка программирования F#). Структура не может наследовать свойства другого типа данных, однако может при этом реализовывать как один, так и несколько интерфейсов. Подкласс с неявным базовым классом наследует свойства наиболее абстрактного класса, известного под названием «объект» (object).

Еще одним фундаментальным компонентом концепции ООП является понятие инкапсуляции. Неформально говоря, под инкапсуляцией понимается возможность доступа к объекту и манипулирования им исключительно посредством предоставляемых именно этим объектом свойств и методов.

Таким образом, свойствами объекта (безразлично, являются ли они явно описанными или производными от других объектов) возможно оперировать исключительно посредством методов, которые содержатся в описании данного объекта (или родительских по отношению к нему объектов при условии, что эти методы унаследованы).

Инкапсуляция — весьма важное свойство, поскольку обеспечивает определенную (а точнее, определяемую программистом) степень безопасности данных об объекте.

Хотя инкапсуляция как таковая является фундаментальным свойством ООП, степень инкапсуляции при наследовании может варьироваться в зависимости от типа области видимости объекта, который определяется модификатором видимости. Так, используемый в предыдущем примере модификатор видимости public обеспечивает доступность свойств и методов объекта из произвольного места программы.

К основным свойствам инкапсуляции относятся следующие возможности:

• 1) совместное хранение данных и функций (т.е. свойств и методов внутри объекта);
• 2) сокрытие внутренней информации от пользователя (что обеспечивает большую безопасность приложения);
• 3) изоляция пользователя от особенностей реализации (что обеспечивает независимость от машины и потенциально дружественный интерфейс приложений).

Как нам уже известно, важная позитивная особенность языка программирования F# заключается в том, что в нем поддерживается так называемая полиморфная типизация, суть которой можно проиллюстрировать на следующем примере. Рассмотрим функцию обработки списка, которая упорядочивает его элементы по возрастанию. В классическом языке программирования со строгой типизацией неизбежно придется реализовать, по крайней мере, две функции: для случаев числовых и строковых элементов списка. В F# такой необходимости не возникает, так как существует возможность описания функции обработки списка с переменным типом аргументов, которая безошибочно обработает и список из чисел, и список из строк.

В объектно-ориентированном программировании под полиморфизмом понимается возможность оперировать объектами, не обладая точным знанием их типов. Рассмотрим пример простейшей полиморфной функции:

void Poly (object о) {.

Console. Write Line (o.ToStringO);

}.

Данная функция реализует отображение на экране объекта (метод Console. WriteLine) с предварительным преобразованием его к строковому типу (метод ToStringO).

Все приведенные ниже варианты вызова функции:

Ро1у (25);

Poly («John Smith»);

Poly (3.14 159 2536m);

Poly (ncw Point (12,45));

успешно пройдут компиляцию и завершатся выдачей корректного результата.

К сожалению, в рамках параграфа невозможно в полном объеме представить глубину объектно-ориентированного подхода к программированию. Мы ограничились кратким рассмотрением ООП в системе возможных подходов, а также формированием представления об основополагающих принципах объектно-ориентированного подхода.

Контрольные вопросы Вопрос 1.

Вариант 1: какой из перечисленных подходов к программированию является наиболее поздним (зрелым)?

• а) структурный;
• б) объектно-ориентированный;
• в) компонентно-ориентированный (+).

Вариант 2: какие из перечисленных языков программирования основаны на объектно-ориентированном подходе?

• а) C# и SML;
• б) C# и C++ (+);
• в) C# и Haskell.

Вариант 3'. какие из перечисленных формализаций применимы для моделирования абстракции?

• а) решетки Скотта и диаграммы Хассе;
• б) фреймы Руссопулоса и диаграммы Хассе (+);
• в) фреймы Руссопулоса и решетки Скотта.

Вопрос 2.

Вариант 1: что отличает императивные языки программирования от декларативных?

• а) степень зависимости от среды реализации;
• б) стиль программирования (+);
• в) структура программы (+).

Вариант 2: каковы основные принципы объектно-ориентированного программирования?

• а) абстракция, аппликация, инкапсуляция;
• б) абстракция, инкапсуляция, полиморфизм (+);
• в) наследование, инкапсуляция, полиморфизм (+).

Вариант 3: что отличает объектно-ориентированный подход к программированию от компонентно-ориентированного?

• а) степень зависимости от среды реализации;
• б) стиль программирования;
• в) структура программы (+).

Вопрос 3.

Вариант 1: в чем состоит особенность языков объектно-ориентированного программирования?

• а) этот класс языков основан на сценариях;
• б) концептуально близок к любой предметной области (+);
• в) является наиболее машинно-независимым.

Вариант 2: что понимается в ООП под термином «абстракция»?

• а) выражение языка, являющееся идентификатором;
• б) выражение языка, отличное от идентификатора (+);
• в) выражение языка, моделирующее лямбда-абстракцию.

Вариант 3: в чем состоит особенность языков функционального программирования?

• а) этот класс языков основан на сценариях;
• б) концептуально близок к любой предметной области;
• в) легко формализуем математически (+).