ООП - это что такое? Основные принципы объектно-ориентированного программирования

Почему объектно-ориентированному программированию отдается предпочтение в большинстве проектов? ООП предлагает эффективный способ борьбы с их сложностью. Вместо того чтобы рассматривать программу как последовательность исполняемых инструкций, оно представляет ее как группу объектов с определенными свойствами и производит с ними определенные действия. Это приводит к созданию более ясных, более надежных и легкосопровождаемых приложений.

Основные принципы объектно-ориентированного программирования (ООП) сформировались потому, что в существовавших ранее подходах были обнаружены ограничения. Среди них – неограниченный доступ к данным и большое количество связей, которые накладывают ограничения на внесение изменений. Их осознание и причины важны для того, чтобы понять, что такое ООП в программировании и каковы его преимущества.

Процедурные языки

C, Pascal, FORTRAN и подобные языки являются процедурными. То есть каждый их оператор приказывает компьютеру что-то сделать: получить данные, сложить числа, разделить на шесть, отобразить результат. Приложение на процедурном языке представляет собой список инструкций. Если он небольшой, никакого другого организационного принципа (часто называемого парадигмой) не требуется. Программист создает список инструкций, и компьютер выполняет их.

Разделение на функции

Когда приложения становятся больше, список получается громоздким. Немногие могут понять более нескольких сотен инструкций, пока они не будут сгруппированы. По этой причине функция стала способом сделать приложения более понятными для своих создателей. В некоторых языках та же концепция может носить название подпрограммы или процедуры.

Приложение разделено на функции, каждая из которых имеет четко определенную цель и интерфейс.

Идея разделения на процедуры может быть расширена их группированием в больший объект, называемый модулем, но принцип аналогичен: группирование компонентов, которые выполняют списки инструкций.

Разделение на функции и модули – один из краеугольных камней структурного программирования, которое в течение нескольких десятилетий до появления ООП являлось довлеющей парадигмой.

Проблемы структурного программирования

Поскольку приложения становились все более крупными, структурное программирование начало испытывать трудности. Проекты становились слишком сложными. Графики сдвигались. Задействовалось большее число программистов. Сложность росла. Затраты взлетали, график сдвигался дальше, и наступал крах.

Анализ причин этих неудач показал недостатки процедурной парадигмы. Независимо от того, насколько хорошо реализован структурированный подход к программированию, крупные приложения становятся чрезмерно сложными.

Каковы причины этих проблем, связанных с процедурными языками? Во-первых, функции имеют неограниченный доступ к глобальным данным. Во-вторых, не связанные между собой процедуры и значения плохо моделируют реальный мир.

Если рассматривать эти проблемы в контексте программы учета запасов, то одним из важнейших глобальных элементов данных является совокупность учетных единиц. Разные функции могут обращаться к ним для ввода нового значения, его отображения, изменения и т. д.

Неограниченный доступ

В программе, написанной, например, на C, есть два вида данных. Локальные скрыты внутри функции и другими процедурами не используются.

Когда две и более функций должны получить доступ к одним и тем же данным, то последние должны быть глобальными. Такими, например, являются сведения об учитываемых предметах. Глобальные данные могут быть доступны любой процедуре.

В большой программе есть множество функций и много глобальных элементов. Проблема процедурной парадигмы состоит в том, что это приводит к еще большему числу потенциальных связей между ними.

Такое большое количество соединений вызывает несколько затруднений. Во-первых, это осложняет понимание структуры программы. Во-вторых, затрудняет внесение изменений. Изменение в глобальном элементе данных может потребовать корректирования всех функций, имеющих к нему доступ.

Например, в программе учета кто-то решит, что код учитываемого предмета должен состоять не из 5 цифр, а из 12. Это потребует изменить тип данных с short на long. Теперь связанные с кодом функции должны быть изменены для работы с новым форматом.

Когда элементы изменяются в большом приложении, трудно сказать, какие процедуры имеют к ним доступ. Но даже если это выяснить, их изменение может привести к неправильной работе с другими глобальными данными. Все связано со всем остальным, поэтому изменение в одном месте аукнется в другом.

Моделирование реального мира

Второй и более важной проблемой процедурной парадигмы является то, что ее расположение отдельных данных и функций плохо моделирует вещи в реальном мире. Здесь мы имеем дело с такими объектами, как люди и автомобили. Они не похожи ни на данные, ни на функции. Сложные реальные объекты обладают атрибутами и поведением.

Атрибуты

Примерами атрибутов (иногда называемых характеристиками) для людей являются цвет глаз и название должности, для автомобилей - мощность и количество дверей. Как оказалось, атрибуты в реальном мире эквивалентны данным в программе. Они имеют конкретные значения, такие как синий (цвет глаз) или четыре (количество дверей).

Поведение

Поведение – это то, что объекты реального мира производят в ответ на какое-то воздействие. Если попросить начальство о повышении зарплаты, ответ будет "да" или "нет". Если нажать на тормоз, то автомобиль остановится. Произнесение и остановка являются примерами поведения. Поведение подобно процедуре: его вызывают, чтобы сделать что-то, и оно делает это. Таким образом, данные и функции сами по себе не моделируют объекты реального мира эффективно.

Решение проблемы

Объект в ООП представляется как совокупность данных и функций. Только процедуры, которые называются функциями-членами в C ++, позволяют получить его значения. Данные скрыты и защищены от изменения. Значения и функции инкапсулированы в одно целое. Инкапсуляция и упрятывание – основные термины в описании ОО-языков.

Если требуется изменить данные, точно известно, какие функции взаимодействуют с ними. Никакие другие процедуры не могут получить к ним доступ. Это упрощает написание, отладку и поддержание программы.

Приложение, как правило, состоит из нескольких объектов, которые взаимодействуют друг с другом, вызывая функции-члены.

Сегодня наиболее широко используемый язык ООП (объектно-ориентированное программирование) – C++ (плюс-плюс). В Java отсутствуют некоторые функции, такие как указатели, шаблоны и множественное наследование, что делает его менее мощным и универсальным, чем C++. C# еще не достиг популярности C++.

Следует отметить, что так называемые функции-члены в C++ называются методами в некоторых других ОО-языках, таких как Smalltalk. Элементы данных называются атрибутами. Вызов метода объекта является посылкой ему сообщения.

Аналогия

Можно представить объекты отделами компании. В большинстве организаций сотрудники не работают один день с кадрами, на следующий начисляя зарплату, а затем неделю занимаясь розничной торговлей. У каждого отдела есть свой персонал с четко возложенными на него обязанностями. Есть и собственные данные: показатели заработной платы, продаж, учет сотрудников и т. д. Люди в отделах работают со своей информацией. Разделение компании, таким образом, облегчает контроль за ее деятельностью и поддерживает целостность данных. Бухгалтерия отвечает за платежные ведомости. Если необходимо знать общую сумму заработной платы, выплачиваемой в южном филиале в июле, не нужно рыться в архиве. Достаточно направить записку ответственному лицу, подождать, пока этот человек получит доступ к данным и отправит ответ с требуемой информацией. Это гарантирует соответствие регламенту и отсутствие постороннего вмешательства. Таким же образом объект в ООП обеспечивает организацию приложения.

Следует помнить, что ориентация на объекты не касается подробностей работы программы. Большинство инструкций C++ соответствует операторам процедурных языков, таких как С. Действительно, функции-члены в C++ очень похожи на функции в С. Только более широкий контекст позволит установить, является ли инструкция процедурной или объектно-ориентированной.

Объект в ООП: определение

При рассмотрении задачи программирования на ОО-языке вместо вопросов о ее разделении на отдельные функции возникает проблема разделения на объекты. ООП-мышление намного облегчает разработку приложений. Это происходит в результате сходства программных и реальных объектов.

Какие вещи становятся объектами в ООП? Ниже представлены типичные категории.

Физический объект в ООП – это:

• транспорт в моделях движения потока;
• электрические элементы в программах схемотехники;
• страны в модели экономики;
• самолет в системе управления воздушным движением.

Элементы среды компьютера пользователя:

• меню;
• окна;
• графика (линия, прямоугольник, круг);
• клавиатура, мышь, принтер, дисковые накопители.

Люди:

• работники;
• студенты;
• клиенты;
• продавцы.

Данные:

• книга учета;
• личное дело;
• словарь;
• таблица широт и долгот населенных пунктов.

Связь объектов реального мира и ООП стало результатом сочетания функций и данных: они произвели переворот в программировании. Такого близкого соответствия в процедурных языках нет.

Класс

Объекты в ООП – это члены классов. Что это значит? Языки программирования имеют встроенные типы данных. Тип int, т. е. целое число, предопределен в C++. Можно объявлять сколько угодно переменных int.

Аналогично определяется множество объектов одного класса. Он определяет функции и данные, включаемые в его объекты, не создавая их, так же как int не создает переменные.

Класс в ООП – это описание ряда похожих объектов. Принц, Стинг и Мадонна являются певцами. Нет ни одного человека с таким именем, но люди могут так называться, если они обладают соответствующими характеристиками. Объект ООП – это экземпляр класса.

Наследование

В жизни классы разделены на подклассы. Например, животные делятся на земноводных, млекопитающих, птиц, насекомых и т. д.

Принцип такого рода деления состоит в том, что каждый подкласс имеет общие характеристики с классом, от которого происходит. Все автомобили имеют колеса и двигатель. Это определяющие характеристики транспортных средств. В дополнение к общим характеристикам каждый подкласс обладает своими особенностями. У автобусов много посадочных мест, а грузовики имеют пространство для перевозки тяжелых грузов.

Аналогично базовый класс может стать родителем нескольких производных подклассов, которые могут быть определены так, что они будут разделять его характеристики с добавлением собственных. Наследование подобно функции, упрощающей процедурную программу. Если несколько частей кода делают почти то же, можно извлечь общие элементы и поместить их в одну процедуру. Три участка приложения могут вызвать функцию, чтобы выполнить общие действия, но они могут производить и свои собственные операции. Подобно этому базовый класс содержит данные, общие для группы производных. Подобно функциям наследование сокращает ОО-программу и проясняет взаимосвязь ее элементов.

Повторное использование

После того как класс создан и отлажен, он может быть передан другим программистам для повторного использования в собственных приложениях. Это похоже на библиотеку функций, которая может входить в разные приложения.

В ООП наследование является расширением идеи многократного использования. Из существующего класса, не изменяя его, можно образовать новый с добавлением других функций. Легкость повторного использования существующего ПО – важное преимущество ООП. Считается, что это обеспечивает рост доходности от первоначальных инвестиций.

Создание новых типов данных

Объекты удобны для создания новых типов данных. Предположим, в программе используются двумерные значения (например, координаты или широта и долгота), и есть желание выразить действия с ними арифметическими операциями:

position1 = position + origin,

где position1, position и origin – пары независимых численных величин. Создание класса, включающего в себя эти два значения, и объявление переменных его объектами создает новый тип данных.

Полиморфизм, перегрузка

Операторы = (равно) и + (плюс), используемые в позиционной арифметике выше, не действуют так же, как с встроенными типами, такими как int. Объекты position и др. не предопределены, а заданы программным путем. Каким образом эти операторы знают, как с ними обращаться? Ответ заключается в том, что для них можно задать новые модели поведения. Эти операции будут функциями-членами класса Position.

Использование операторов или процедур в зависимости от того, с чем они работают, называется полиморфизмом. Когда существующий оператор, такой как + или =, получает возможность работать с новым типом данных, говорят, что он перегружен. Перегрузка в ООП – это вид полиморфизма. Она является его важной чертой.

Книга об ООП «Объектно-ориентированное программирование для чайников» позволит всем желающим ознакомиться с данной темой подробнее.