Технология объектно-ориентированного программирования

По мере развития вычислительной техники создавались новые подходы, помогающие справляться с растущим усложнением программ. Использование структурного программирования при написании умеренно сложных программ принесло свои результаты, однако оказалось несамостоятельным тогда, когда программа достигала определенной длины. Чтобы писать более сложные программы, были разработаны принципы объектно-ориентированного программирования. Объектно-ориентированное программирование — это подход к разработке программного обеспечения, основанный на объектах, а не на процедурах. Этот подход позволяет максимизировать принципы модульности и «сокрытия информации». Объектно-ориентированное программирование базируется на связывании или инкапсуляции структур данных и процедуры, которая работает с данными в структуре, с модулем.

Объектно-ориентированное программирование позволяет разложить проблему на составные части. В этом случае вся процедура упрощается, и появляется возможность оперировать с гораздо более объемными программами. Каждая составляющая становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, относящиеся к нему.

Объект — это замкнутая независимая сущность, взаимодействующая с внешним миром через строго определенный интерфейс в виде принимаемых сообщений. Объекты обладают определенным набором свойств, методов и способностью реагировать на события (нажатие кнопок мыши, интервалы времени и т. д.). в отличие от процедурного программирования, где порядок выполнения операторов программы определяется порядком их следования и командами управления в объектно-ориентированном программировании порядок выполнения процедур и функций определяется событиями. Объекты с одинаковыми свойствами и поведением объединяются в классы. Программа на объектно-ориентированном языке представляет собой совокупность описаний классов. Классы в свою очередь, представляют собой описания свойств и поведения составляющих их объектов. Свойства представляются другими, более простыми объектами. Поведение описывается обменивающимися сообщениями объектов.

В применении к объектно-ориентированным языкам программирования понятие объекта и класса конкретизируется следующими понятиями:

• — объект — обладающий именем набора данных (полей объекта), физически находящихся в памяти компьютера, и методов, имеющих доступ к ним. Имя используется для доступа к полям и методам, составляющим объект. В предельных случаях объект может не содержать полей и методов, а также не иметь имени;
• — любой объект относится к определенному классу. Класс содержит описание данных и операций над ними. В классе дается обобщенное описание некоторого набора родственных, реально существующих объектов. Объектконкретный экземпляр класса.

Объектно-ориентированное программирование основано на следующих принципах:

• — абстрагирования данных;
• — инкапсуляции;
• — наследования;
• — полиморфизма;
• — «позднего связывания».

Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач. Хоар считает, что «абстрагирование проявляется в нахождении сходств между определенными объектами, ситуациями или процессами реального мира, и в принятии решений на основе этих сходств, отвлекаясь на время от имеющихся различий» [42]. Шоу определила это понятие так: «Упрощенное описание или изложение системы, при котором одни свойства и детали выделяются, а другие опускаются. Хорошей является такая абстракция, которая подчеркивает детали, существенные для рассмотрения и использования, и отпускает те, которые на данный момент несущественны» [43]. Берзинс, Грей и Науман рекомендовали, чтобы «идея квалифицировалась как абстракция только, если она может быть изложена, понята и проанализирована независимо от механизма, который будет в дальнейшем принят для ее реализации» [44]. Суммирую эти разные точки зрения, получается следующее определение абстракции: Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Инкапсуляция (encapsulation) — это принцип, объединяющий данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищающий в первую очередь данные от прямого внешнего доступа и неправильного использования. Другими словами, доступ к данным класса возможен только посредством методов этого же класса.

Наследование (inheritance) — это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. То есть, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним свойства и методы, характерные только для него.

Наследование делится на два вида:

• 1. одиночное наследование — класс (он же подкласс) имеет один и только один суперкласс (предок) ;
• 2. множественное наследование — класс может иметь любое количество предков (в Java запрещено).

Полиморфизм (polymorphism) — это механизм, использующий одно и то же имя метода для решения двух или более похожих, но несколько отличающихся задач.

Целью полиморфизма применительно к объектно-ориентированному программированию является использование одного имени для задания общих для класса действий. Концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов».

Механизм «позднего связывания» в процессе выполнения программы определяет принадлежность объекта конкретному классу и производит вызов метода, относящегося к классу, объект которого был использован.

Краеугольным камнем наследования и полиморфизма предстает следующая парадигма: «объект подкласса может использоваться всюду, где используется объект суперкласса».

При вызове метода класса он ищется в самом классе. Если метод существует, то он вызывается. Если же метод в текущем классе отсутствует, то обращение происходит к родительскому классу и вызываемый метод ищется у него. Если поиск неудачен, то он продолжается вверх по иерархическому дереву вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.

Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели. Основными ее принципами являются, как уже отмечено выше: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и сохраняемость. Каждый из этих принципов сам по себе нов, но в объектной модели они впервые применены в совокупности.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования: процесс декомпозиции представляется по другому, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования. Отличия обусловлены тем, что структурное проектирование основано на структурном программировании, тогда как в основе объектно-ориентированного программирования лежит методология объектно-ориентированного программирования.

Основываясь на истории развития программирования, можно отметить следующие две сменяющие друг друга тенденции:

• — смещение акцентов от программирования отдельных деталей к программированию более крупных компонент;
• — развитие и совершенствование языков программирования высокого уровня.

Большинство современных коммерческих программных систем больше и существенно сложнее, чем были их предшественники даже несколько лет тому назад. Этот рост сложности вызвал большое число прикладных исследований по методологии проектирования, особенно, по декомпозиции, абстрагированию и иерархиям. Создание более выразительных языков программирования пополнило достижения в этой области. Возникла тенденция перехода от языков, указывающих компьютеру, что делать (императивные языки). К языкам, описывающим ключевые абстракции проблемной области (декларативные языки).

Из огромного числа языков программирования, появившихся за период развития информационных технологий, лишь наиболее удобные и совершенные были приняты обществом разработчиков и отстояли свое право на существование. Анализируя языки программирования и обстоятельства, сопутствующие их появлению, можно обнаружить множество общих черт. Это позволяет сгруппировать языки по основным используемым принципам и выделить поколения в их развитии. Романова Ю. Д. приводит следующую классификацию:

• 1. Первое поколение (1954;1958):
  • — FORTRAN I — математические формулы;
  • — ALGOL -58 -математические формулы;
  • — FLOWMATIC — математические формулы;
  • — IPL V — математические формулы.
• 2. Второе поколение (1959;1961):
  • — FORTRAN II — подпрограммы, раздельная компиляция%
  • — ALGOL-60 — блочные структуры, типы данных;
  • — COBOL — описание данных, работа с файлами.
• 3. Третье поколение (1962;1970):
  • — PL/1 FORTRAN+ALGOL+COBOL;
  • — ALGOL-68 более строгий преемник ALGOL-60;
  • — PASCAL — более простой преемник ALGOL-60;
  • — SIMULA — классы, абстрактные данные.

Многие идеи, лежащие в основе современных языков программирования, появились в том или ином виде уже к 1970 году. Все последующие языки являются потомками или результатом обобщения и развития вышеперечисленных языков. Этому во многом способствовало как широкое распространение мини и микро ЭВМ и связанный с ним рост числа разработчиков программного обеспечения, так и многообразие операционных систем и различных сфер применения информационных технологий.

Первое поколение языков программирования были ограничены следующими особенностями:

• — малым объемом оперативной памяти;
• — несовершенством системы ввода-вывода.

Ввиду данных ограничений, а также малого количества и дороговизны этих машин, на них работали исключительно высококвалифицированные специалисты, способные управлять ими непосредственно на уровне двоичных кодов. Для облегчения процесса программирования вскоре были созданы языки первого поколения. Это были первые языки, которые приближали программирование к предметной области и отдаляли его от конкретной машины. Их словарь практически полностью был математическим.

Программы, реализованные на языках первого и начала второго поколение, имели относительно простую структуру, состоящую из подпрограмм и данных, лежащих в глобальной области видимости. Механизмы языков не поддерживали разделения разнотипных данных, что сильно осложняло написание больших программ.

На момент своего появления, подпрограммы расценивались лишь как средство облегчающее процесс написания программ. Будучи минимальными единицами пере использования, они стали «кирпичиками» для построения первых библиотек. Постепенно они стали играть фундаментальную роль в декомпозиции программных систем.

Выделение подпрограмм, как механизма абстрагирования, имело следующие важные последствия. Были разработаны различные механизмы передачи параметров. Были заложены основания для структурного программирования, что выражалось в появлении языковой поддержки механизмов вложенности подпрограмм и научной разработке структур управления и областей видимости. Возникли методы структурного проектирования, основой которых служило использование процедур или подпрограмм в качестве отдельных строительных блоков.

Первоначально языки программирования не имели достаточно развитых механизмов защиты данных одного модуля от использования их процедурами другого. Во многом эта задача ложилась на коллективы разработчиков. Появившиеся различные подходы в разработке программных систем благоприятствовали возникновению огромного количества языков, имеющих те или иные сильные и слабые стороны в реализации этих принципов. Одним из наиболее развитых представителей языков третьего поколения стал язык ALGOL-68. Будучи универсальным и реализуя почти все разработанные к тому времени механизмы в алгоритмических языках, он был достаточно труден для первоначального освоения, однако позволял разрабатывать системы корпоративного масштабы для больших ЭВМ.

Процедурно-ориентированные языки мало подходят для написания программных систем, где центральное место занимают данные, а не алгоритмы. С определенного момента возникла острая необходимость в языковой поддержке описания произвольных объектов окружающего мира. Вводятся абстрактные типы данных.

Первым языком, в котором нашли свое выражение идеи построения программ на основе данных и объектов стал язык Simula 67. Концепции, заложенные в языке Simula получили свое развитие в серии языков Smaltalk-72, -74, -76, -80, а также в языках C++ и Objective C. При внесении объектно-ориентированного подхода в язык Pascal появился язык Object Pascal. В 90-х годах компания Sun представила миру язык Java, как воплощение идеи платформенной независимости и наиболее полную реализацию концепций объектно-ориентированного программирования, положенных в основу языков Simula 67, Smalltalk, C++.

Объектно-ориентированные системы предъявляют повышенные требования к аппаратуре. Практика использования ТМООП на IBM PC/AT показала замедление скорости выполнения программ в 5−7 раз по сравнению с аналогичными программами на Си или Паскале. При этом время получения готовой программы сократилось в 2−3 раза, программы стали выглядеть яснее, лучше приспособлены для повторного использования. Далее рассматриваются примеры технологий создания программных обеспечений различных компаний-поставщиков.