Наследование в объектно ориентированном программировании

Наследование в объектно-ориентированном программировании

Наследование – это одно из ключевых составляющих объектно-ориентированного программирования. В первую очередь оно позволяет

общую функциональность нескольких классов выносить в один общий суперкласс,

совместно обрабатывать объекты, созданные от разных, но родственных, классов.

Вспомним наш класс:

Допустим, в программе должны быть объекты, поле number которых можно только увеличивать и уменьшать на величину шага. Также в программе нужны объекты, у которых number может изменяться не только добавлением/вычитанием шага, но также умножением на шаг. Конечно, мы можем написать еще один класс:

Однако он во многом повторяет предыдущий класс, поэтому имеет смысл сделать его дочерним по отношению к NumInt, который выступит в роли родительского. В ООП дочерний класс наследует свойства и метода родительского. Таким образом, в NumMult нам придется описывать только дополнительную функциональность. Другими словами, дочерний наследует особенности родительского, а также расширяет, дополняет их.

Чтобы класс мог быть родительским перед его объявлением должно стоять ключевое слово open.

В свою очередь класс-наследник должен в своем заголовке иметь запись о родительском классе. В нашем случае определение класса NumMult будет выглядеть так:

В заголовке после параметров первичного конструктора (если он есть) ставится двоеточие, после которого идет имя родительского класса. Поскольку конструктор родительского класса предусматривает два параметра, мы должны их туда передать.

После этого объекты NumMult будут обладать теми же свойствами и методами, что и объекты NumInc. У них тоже появятся свойства number и step , методы inc() и dec(). Однако помимо этого у них есть метод mult(), которого нет у объектов родительского класса.

Наследование может быть сложнее. Дочерний класс может стать родительским по отношению к другому дочернему. Для этого перед его объявлением также должно стоять слово open.

В ряде языков программирования дочерний класс может наследовать от нескольких родительских. В Kotlin так делать нельзя, у подкласса всегда один надкласс. Проблема же множественного наследования решается через интерфейсы, которые будут рассмотрены позже.

Давайте усложним наш пример, введя в дочерний класс третье свойство.

Теперь дочерний класс обладает не только дополнительным методом, но и дополнительным полем. Конструктору родительского мы по-прежнему передаем два аргумента. Больше он и не принимает.

При создании объекта от класса NumMult надо передавать три аргумента:

Первые два будут присвоены полям number и step и использоваться в функциях inc() и dec(). Третий будет присвоен свойству coefficient и использоваться только в методе mult().

Теперь представим, что класс NumMult имеет два конструктора, а у NumInc он по прежнему один. В это случае вторичный конструктор NumMult должен делегировать к первичному своего же класса, а уже тот будет обращаться к конструктору родительского класса.

Пример создания объекта через вторичный конструктор:

Если у дочернего класса есть первичный конструктор, то все вторичные должны делегировать к нему. И только через него – к конструктору родительского класса. Однако если первичного конструктора нет, вторичные должны напрямую вызывать конструкторы родительского класса через ключевое слово super. Пример с двумя конструкторами как в основном, так и в дочернем классе при том, что в дочернем нет первичного:

Обратите внимание, в данном случае один вторичный конструктор дочернего класса вызывает первичный родительского. Другой вторичный дочернего делегирует ко вторичному родительского. Определяется это количеством передаваемых аргументов.

Рассмотрим другое преимущество наследования в ООП. В Kotlin мы можем присвоить переменной более общего типа объект дочернего типа, а не только своего собственного.

Однако, поскольку переменная b имеет тип NumInc через нее нельзя получить доступ к свойствам и методам, которых нет в NumInc. Объект NumMult приводится к типу NumInc с потерей своих дополнительных свойств и методов.

С другой стороны, как мы узнаем из следующего урока, дочерние классы не всегда и не только отличаются от родительских расширением их возможностей, часто лишь переопределением. У дочернего класса могут быть почти такие же методы, как у родительского, но их программный код будет несколько иным.

Таким образом, объекты разных дочерних классов одного родительского, или дочернего и родительского, могут обладать одними и теми же методами. Это позволяет производить групповую обработку таких разноклассовых объектов. Например, мы можем создать список объектов NumInc и NumMult, дальше в цикле перебрать список, вызывая один и тот же метод для всех объектов.

Результат выполнения программы:

Переделайте последний пример классов из урока так, чтобы родительский класс содержал только один конструктор, а дочерний – два.

Основы объектно-ориентированного программирования

Классы

Все монеты из предыдущего примера принадлежат одному и тому же классу объектов (именно с этим связана их одинаковость). Номинальная стоимость монеты, металл, из которого она изготовлена, форма — это атрибуты класса . Совокупность атрибутов и их значений характеризует объект . Наряду с термином » атрибут » часто используют термины «свойство» и » поле «, которые в объектно-ориентированном программировании являются синонимами.

Все объекты одного и того же класса описываются одинаковыми наборами атрибутов. Однако объединение объектов в классы определяется не наборами атрибутов, а семантикой. Так, например, объекты «конюшня» и «лошадь» могут иметь одинаковые атрибуты: цена и возраст. При этом они могут относиться к одному классу , если рассматриваются в задаче просто как товар , либо к разным классам , если в рамках поставленной задачи будут использоваться по -разному, т.е. над ними будут совершаться различные действия.

Объединение объектов в классы позволяет рассмотреть задачу в более общей постановке. Класс имеет имя (например, «лошадь»), которое относится ко всем объектам этого класса . Кроме того, в классе вводятся имена атрибутов, которые определены для объектов . В этом смысле описание класса аналогично описанию типа структуры или записи ( record ), широко применяющихся в процедурном программировании; при этом каждый объект имеет тот же смысл, что и экземпляр структуры ( переменная или константа соответствующего типа).

Формально класс — это шаблон поведения объектов определенного типа с заданными параметрами, определяющими состояние . Все экземпляры одного класса ( объекты , порожденные от одного класса ) имеют один и тот же набор свойств и общее поведение , то есть одинаково реагируют на одинаковые сообщения.

В соответствии с UML ( Unified Modelling Language — унифицированный язык моделирования ), класс имеет следующее графическое представление .

Класс изображается в виде прямоугольника, состоящего из трех частей. В верхней части помещается название класса , в средней — свойства объектов класса , в нижней — действия, которые можно выполнять с объектами данного класса (методы).

Каждый класс также может иметь специальные методы, которые автоматически вызываются при создании и уничтожении объектов этого класса :

• конструктор (constructor) — выполняется при создании объектов ;
• деструктор ( destructor ) — выполняется при уничтожении объектов .

Обычно конструктор и деструктор имеют специальный синтаксис , который может отличаться от синтаксиса, используемого для написания обычных методов класса .

Инкапсуляция

Инкапсуляция (encapsulation) — это сокрытие реализации класса и отделение его внутреннего представления от внешнего (интерфейса). При использовании объектно-ориентированного подхода не принято применять прямой доступ к свойствам какого-либо класса из методов других классов . Для доступа к свойствам класса принято задействовать специальные методы этого класса для получения и изменения его свойств.

Внутри объекта данные и методы могут обладать различной степенью открытости (или доступности). Степени доступности, принятые в языке Java, подробно будут рассмотрены в лекции 6. Они позволяют более тонко управлять свойством инкапсуляции .

Открытые члены класса составляют внешний интерфейс объекта . Это та функциональность, которая доступна другим классам . Закрытыми обычно объявляются все свойства класса , а также вспомогательные методы, которые являются деталями реализации и от которых не должны зависеть другие части системы.

Благодаря сокрытию реализации за внешним интерфейсом класса можно менять внутреннюю логику отдельного класса , не меняя код остальных компонентов системы. Это свойство называется модульность .

Обеспечение доступа к свойствам класса только через его методы также дает ряд преимуществ. Во-первых, так гораздо проще контролировать корректные значения полей, ведь прямое обращение к свойствам отслеживать невозможно, а значит, им могут присвоить некорректные значения.

Во-вторых, не составит труда изменить способ хранения данных. Если информация станет храниться не в памяти, а в долговременном хранилище, таком как файловая система или база данных, потребуется изменить лишь ряд методов одного класса , а не вводить эту функциональность во все части системы.

Наконец, программный код, написанный с использованием данного принципа, легче отлаживать. Для того чтобы узнать, кто и когда изменил свойство интересующего нас объекта , достаточно добавить вывод отладочной информации в тот метод объекта , посредством которого осуществляется доступ к свойству этого объекта . При использовании прямого доступа к свойствам объектов программисту пришлось бы добавлять вывод отладочной информации во все участки кода, где используется интересующий нас объект .

Наследование

Наследование (inheritance) — это отношение между классами , при котором класс использует структуру или поведение другого класса (одиночное наследование ), или других (множественное наследование ) классов . Наследование вводит иерархию «общее/частное», в которой подкласс наследует от одного или нескольких более общих суперклассов . Подклассы обычно дополняют или переопределяют унаследованную структуру и поведение .

В качестве примера можно рассмотреть задачу, в которой необходимо реализовать классы «Легковой автомобиль» и «Грузовой автомобиль». Очевидно, эти два класса имеют общую функциональность. Так, оба они имеют 4 колеса, двигатель, могут перемещаться и т.д. Всеми этими свойствами обладает любой автомобиль, независимо от того, грузовой он или легковой, 5- или 12-местный. Разумно вынести эти общие свойства и функциональность в отдельный класс , например, «Автомобиль» и наследовать от него классы «Легковой автомобиль» и «Грузовой автомобиль», чтобы избежать повторного написания одного и того же кода в разных классах .

Отношение обобщения обозначается сплошной линией с треугольной стрелкой на конце. Стрелка указывает на более общий класс ( класс-предок или суперкласс ), а ее отсутствие — на более специальный класс ( класс-потомок или подкласс ).

Использование наследования способствует уменьшению количества кода, созданного для описания схожих сущностей, а также способствует написанию более эффективного и гибкого кода.

В рассмотренном примере применено одиночное наследование . Некоторый класс также может наследовать свойства и поведение сразу нескольких классов . Наиболее популярным примером применения множественного наследования является проектирование системы учета товаров в зоомагазине.

Все животные в зоомагазине являются наследниками класса «Животное», а также наследниками класса «Товар». Т.е. все они имеют возраст, нуждаются в пище и воде и в то же время имеют цену и могут быть проданы.

Множественное наследование на диаграмме изображается точно так же, как одиночное, за исключением того, что линии наследования соединяют класс-потомок сразу с несколькими суперклассами .

Не все объектно-ориентированные языки программирования содержат языковые конструкции для описания множественного наследования .

В языке Java множественное наследование имеет ограниченную поддержку через интерфейсы и будет рассмотрено в лекции 8.

Полиморфизм

Полиморфизм является одним из фундаментальных понятий в объектно-ориентированном программировании наряду с наследованием и инкапсуляцией . Слово » полиморфизм » греческого происхождения и означает «имеющий много форм». Чтобы понять, что оно означает применительно к объектно-ориентированному программированию , рассмотрим пример.

Предположим, мы хотим создать векторный графический редактор, в котором нам нужно описать в виде классов набор графических примитивов — Point , Line , Circle , Box и т.д. У каждого из этих классов определим метод draw для отображения соответствующего примитива на экране.

Очевидно, придется написать код, который при необходимости отобразить рисунок, будет последовательно перебирать все примитивы, на момент отрисовки находящиеся на экране, и вызывать метод draw у каждого из них. Человек, не знакомый с полиморфизмом , вероятнее всего, создаст несколько массивов (отдельный массив для каждого типа примитивов) и напишет код, который последовательно переберет элементы из каждого массива и вызовет у каждого элемента метод draw . В результате получится примерно следующий код:

Недостатком написанного выше кода является дублирование практически идентичного кода для отображения каждого типа примитивов. Также неудобно то, что при дальнейшей модернизации нашего графического редактора и добавлении возможности рисовать новые типы графических примитивов, например Text , Star и т.д., при таком подходе придется менять существующий код и добавлять в него определения новых массивов, а также обработку содержащихся в них элементов.

Используя полиморфизм , мы можем значительно упростить реализацию подобной функциональности. Прежде всего, создадим общий родительский класс для всех наших классов . Пусть таким классом будет Point . В результате получим иерархию классов , которая изображена на рисунке 2.3.

У каждого из дочерних классов метод draw переопределен таким образом, чтобы отображать экземпляры каждого класса соответствующим образом.

Для описанной выше иерархии классов, используя полиморфизм , можно написать следующий код:

В описанном выше примере массив p[] может содержать любые объекты , порожденные от наследников класса Point . При вызове какого-либо метода у любого из элементов этого массива будет выполнен метод того объекта , который содержится в ячейке массива. Например, если в ячейке p[0] находится объект Circle , то при вызове метода draw следующим образом:

нарисуется круг, а не точка.

В заключение приведем формальное определение полиморфизма .

Полиморфизм ( polymorphism ) — положение теории типов , согласно которому имена (например, переменных) могут обозначать объекты разных (но имеющих общего родителя) классов . Следовательно, любой объект , обозначаемый полиморфным именем, может по-своему реагировать на некий общий набор операций [2].

В процедурном программировании тоже существует понятие полиморфизма , которое отличается от рассмотренного механизма в ООП . Процедурный полиморфизм предполагает возможность создания нескольких процедур или функций с одним и тем же именем, но разным количеством или различными типами передаваемых параметров. Такие одноименные функции называются перегруженными , а само явление — перегрузкой ( overloading ). Перегрузка функций существует и в ООП и называется перегрузкой методов.

Примером использования перегрузки методов в языке Java может служить класс PrintWriter , который применяется, в частности, для вывода сообщений на консоль. Этот класс имеет множество методов println , которые различаются типами и/или количеством входных параметров. Вот лишь несколько из них:

Определенные сложности возникают при вызове перегруженных методов . В Java существуют специальные правила, которые позволяют решать эту проблему. Они будут рассмотрены в соответствующей лекции.

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование (ООП) организует данные и алгоритмы, обрабатываемые программой. При этом программист создает формы данных и алгоритмы, соответствующие основным характеристикам решаемой проблемы. Модели данных и алгоритмы, их обрабатывающие, называются классами, а объекты — это конкретные их представители, используемые в программе.

Из общих объектов создаются другие, более специализированные. Механизм создания таких подобъектов называется наследованием. В итоге данные программы представляют из себя объектную модель — дерево объектов, начиная с самого верхнего наиболее абстрактного и общего объекта.

ООП сочетает лучшие принципы структурного программирования с новыми мощными концепциями, базовые из которых называются инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием.

Примером объектно-ориентированных языков являются: Object Pascal, C++, Java.

ООП позволяет оптимально организовывать программы, разбивая проблему на составные части, и работая с каждой по отдельности.

Объектно-ориентированное программирование — это развитие технологии структурного программирования, однако оно имеет свои характерные черты. Основной единицей в объектно-ориентированном программировании выступает объект, который заключает в себе, инкапсулирует как описывающие его данные (свойства), так и средства обработки этих данных (методы). В системах ООП обычно используется графический интерфейс, который позволяет визуализировать процесс программирования. Появляется возможность создавать объекты, задавать им свойства и поведение с помощью мыши.

Объект – это комбинация данных и кода. Другими словами, объект, называемый ещё представителем (какого-нибудь класса), — это порция данных, значение которых определяют его текущее состояние, и набор подпрограмм, называемых методами, оперирующих с этими данными и определяющими поведение объекта, т.е. его реакцию на внешние воздействия.

Объект состоит из следующих трех частей:

— состояние (переменные состояния);

Каждый объект является представителем (экземпляром) определенного класса. Во время выполнения программы объекты взаимодействуют друг с другом, вызывая методы, которые являются подпрограммами, характерными для определённого класса.

Класс (class) – это группа данных и методов (функций) для работы с этими данными. Это шаблон. Объекты с одинаковыми свойствами, то есть с одинаковыми наборами переменных состояния и методов, образуют класс. Объект (object) – это конкретная реализация, экземпляр класса. В программировании отношения объекта и класса можно сравнить с описанием переменной, где сама переменная (объект) является экземпляром какого-либо типа данных (класса).

Объектно-ориентированное программирование сводится к созданию некоторого количества классов, описанию связей между этими классами и их свойств, и дальнейшей реализации полученных классов.

Теоретический подход. Класс — это один из вариантов описания сущности, которая в теории программирования именуется абстрактным типом данных. Класс определяет скрытую внутреннюю структуру некоторого значения, а также набор операций, применимых к данному значению.

Практический подход. В современных объектно-ориентированных языках программирования (php, Java, C++, Oberon, Python, Ruby, Smalltalk, Object Pascal) создание класса сводится к написанию некоторой структуры, содержащей набор полей и методов. Практически класс может пониматься как некий шаблон, по которому создаются объекты — экземпляры данного класса. Экземпляры одного класса созданы по одному шаблону, поэтому имеют один и тот же набор полей и методов.

Отношения между классами:

— Наследование (Генерализация) — объекты дочернего класса наследуют все свойства родительского класса.

— Ассоциация — объекты классов вступают во взаимодействие между собой.

— Агрегация — объекты одного класса входят в объекты другого.

— Композиция — объекты одного класса входят в объекты другого и зависят друг от друга по времени жизни.

— Класс-Метакласс — отношение, при котором экземплярами одного класса являются другие классы.

Виды классов:

— базовый (родительский) класс;

— производный класс (наследник, потомок);

Класс – это структурный тип данных, который включает описание полей данных, а также процедур и функций, работающих с этими полями данных. Применительно к классам такие процедуры и функции получили название методов.

Методы – инкапсулированные в классе процедуры и функции, то есть способы работы с данными.

В основу классов и объектно-ориентированного программирования положены три принципа – инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Инкапсуляция (сокрытие) — свойство языка программирования, позволяющее объединить данные и код в объект и скрыть реализацию объекта от пользователя. При этом пользователю предоставляется только спецификация (интерфейс) объекта. Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс.

Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта и реализация его методов.

Цели инкапсуляции:

§ предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,

§ прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.

Инкапсуляция – это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Часто инкапсуляция может быть достигнута простейшими организационными мерами: знание того, что «вот так-то делать нельзя» иногда является самым эффективным средством инкапсуляции!

Инкапсуляция – комбинирование записей с процедурами и функциями, манипулирующими полями этих записей, формирует новый тип данных — объект.

Инкапсуляция – изолирование составляющих класса (полей, методов и свойств) от остальных частей программы.

Суть инкапсуляции: Переменные состояния объекта скрыты от внешнего мира. Изменение состояния объекта (его переменных) возможно ТОЛЬКО с помощью его методов (операций). Почему это так важно? Этот принцип позволяет защитить переменные состояния объекта от неправильного их использования.

Применение этого метода ведет к снижению эффективности доступа к элементам объекта. Это обусловлено необходимостью вызова методов для изменения внутренних элементов (переменных) объекта. Однако, при современном уровне развития вычислительной техники, эти потери в эффективности не играют существенной роли.

Наследование — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориен­ти­ро­ванного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом и абстракцией), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом.

Наследование – это процесс, посредством которого, один объект может наследовать свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него. Смысл и универсальность наследования заключается в том, что не надо каждый раз заново (с нуля) описывать новый объект, а можно указать родителя (базовый класс) и описать отличительные особенности нового класса. В результате, новый объект будет обладать всеми свойствами родительского класса плюс своими собственными отличительными особенностями.

Наследование – представляет собой возможность построения иерархии объек­тов с использованием наследования их характеристик.

Наследование. Наследование – это такое свойство объекта, которое позволяет ему использовать поля и методы объекта родителя, без описания их в своей структуре.

Наследование – возможность создания новых классов на базе имеющихся с возможностью использования их составляющих. Объект, принадлежащий классу-потомку, может использовать поля, свойства и методы класса-родителя и новые составляющие своего класса.

Если в классе-потомке описан новый метод, одноименный с методом класса-родителя, то «говорят», что в потомке «перекрыт» метод родителя. Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса. При создании иерархии классов некоторые свойства объектов, сохраняя названия, изменяются по сути.

Для реализации таких иерархий в языке программирования предусмотрен полиморфизм. Слово полиморфизм имеет греческое происхождение и переводится как «имеющий много форм».

Полиморфизм. Присваивание действию одного имени, которое затем совместно используется вниз и вверх по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, именно ему подходящим.

Полиморфизм – это свойство, которое позволяет одно и тоже имя использовать для решения нескольких технически разных задач.

В терминах ООП можно сказать, что все типы интерфейсных кнопок имеют способность изображения самих себя на экране. Однако способ (процедура) является различным для каждого типа кнопки. Простая кнопка рисуется на экране с помощью процедуры «вывод изображения простой кнопки», кнопка-переключатель рисуется на экране с помощью процедуры «вывод изображения кнопки-переключателя» и т.д.

Таким образом, существует единственное для всего перечня интерфейсных кнопок действие (вывод изображения кнопки на экран), которое реализуется специфическим для каждой кнопки способом. Это и является проявлением полиморфизма.

Полиморфизм – способность классов решать похожие задачи разными способами. При перекрытии метода родителя в потомке реализуется новый алгоритм решения задачи. Получается, что в объекте-родителе и объекте-потомке действуют два одноименных метода, имеющих разную алгоритмическую основу.

Полиморфизм – это способ действия с набором объектов одного и того же предка за один шаг, без детализации операций с каждым конкретным объектом. Он является также основанием для расширяемости объектно-ориентированных программ, поскольку он предоставляет способ старым программам воспринимать новые типы данных, которые не были определены во время написания программы.

В общем смысле, концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов». Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий.

Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор.

Применительно к ООП, целью полиморфизма, является использование одного имени для задания общих для класса действий. На практике это означает способность объектов выбирать внутреннюю процедуру (метод) исходя из типа данных, принятых в сообщении.

Механизм работы ООП в таких случаях можно описать примерно так: при вызове того или иного метода класса сначала ищется метод у самого класса. Если метод найден, то он выполняется и поиск этого метода на этом завершается. Если же метод не найден, то обращаемся к родительскому классу и ищем вызванный метод у него. Если найден – поступаем как при нахождении метода в самом классе. А если нет – продолжаем дальнейший поиск вверх по иерархическому дереву. Вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.

Объектно-ориентированное программирование: на пальцах

Ста­тья не маль­чи­ка, но мужа.

Наста­ло вре­мя серьёз­ных тем: сего­дня рас­ска­жем про объектно-ориентированное про­грам­ми­ро­ва­ние, или ООП. Это тема для про­дви­ну­то­го уров­ня раз­ра­бот­ки, и мы хотим, что­бы вы его постиг­ли.

Из это­го тер­ми­на мож­но сде­лать вывод, что ООП — это такой под­ход к про­грам­ми­ро­ва­нию, где на пер­вом месте сто­ят объ­ек­ты. На самом деле там всё немно­го слож­нее, но мы до это­го ещё добе­рём­ся. Для нача­ла пого­во­рим про ООП вооб­ще и раз­бе­рём, с чего оно начи­на­ет­ся.

Обычное программирование (процедурное)

Чаще все­го под обыч­ным пони­ма­ют про­це­дур­ное про­грам­ми­ро­ва­ние, в осно­ве кото­ро­го — про­це­ду­ры и функ­ции. Функ­ция — это мини-программа, кото­рая полу­ча­ет на вход какие-то дан­ные, что-то дела­ет внут­ри себя и может отда­вать какие-то дан­ные в резуль­та­те вычис­ле­ний. Пред­ставь­те, что это такой кон­вей­ер, кото­рый упа­ко­ван в коро­боч­ку.

Напри­мер, в интернет-магазине может быть функ­ция «Про­ве­рить email». Она полу­ча­ет на вход какой-то текст, сопо­став­ля­ет со сво­и­ми пра­ви­ла­ми и выда­ёт ответ: это пра­виль­ный элек­трон­ный адрес или нет. Если пра­виль­ный, то true, если нет — то false.

Функ­ции полез­ны, когда нуж­но упа­ко­вать мно­го команд в одну. Напри­мер, про­вер­ка элек­трон­но­го адре­са может состо­ять из одной про­вер­ки на регу­ляр­ные выра­же­ния, а может содер­жать мно­же­ство команд: запро­сы в сло­ва­ри, про­вер­ку по базам спа­ме­ров и даже сопо­став­ле­ние с уже извест­ны­ми элек­трон­ны­ми адре­са­ми. В функ­цию мож­но упа­ко­вать любой ком­байн из дей­ствий и потом про­сто вызы­вать их все одним дви­же­ни­ем.

Что не так с процедурным программированием

Про­це­дур­ное про­грам­ми­ро­ва­ние иде­аль­но рабо­та­ет в про­стых про­грам­мах, где все зада­чи мож­но решить, гру­бо гово­ря, десят­ком функ­ций. Функ­ции акку­рат­но вло­же­ны друг в дру­га, вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом, мож­но пере­дать дан­ные из одной функ­ции в дру­гую.

Напри­мер, вы пише­те функ­цию «Заре­ги­стри­ро­вать поль­зо­ва­те­ля интернет-магазина». Внут­ри неё вам нуж­но про­ве­рить его элек­трон­ный адрес. Вы вызы­ва­е­те функ­цию «Про­ве­рить email» внут­ри функ­ции «Заре­ги­стри­ро­вать поль­зо­ва­те­ля», и в зави­си­мо­сти от отве­та функ­ции вы либо реги­стри­ру­е­те поль­зо­ва­те­ля, либо выво­ди­те ошиб­ку. И у вас эта функ­ция встре­ча­ет­ся ещё в деся­ти местах. Функ­ции как бы пере­пле­те­ны.

Тут при­хо­дит продакт-менеджер и гово­рит: «Хочу, что­бы поль­зо­ва­тель точ­но знал, в чём ошиб­ка при вво­де элек­трон­но­го адре­са». Теперь вам нуж­но научить функ­цию выда­вать не про­сто true — false, а ещё и код ошиб­ки: напри­мер, если в адре­се опе­чат­ка, то код 01, если адрес спа­мер­ский — код 02 и так далее. Это неслож­но реа­ли­зо­вать.

Вы зале­за­е­те внутрь этой функ­ции и меня­е­те её пове­де­ние: теперь она вме­сто true — false выда­ёт код ошиб­ки, а если ошиб­ки нет — пишет «ОК».

И тут ваш код лома­ет­ся: все десять мест, кото­рые ожи­да­ли от про­ве­ряль­щи­ка true или false, теперь полу­ча­ют «ОК» и из-за это­го лома­ют­ся.

Теперь вам нуж­но:

• либо пере­пи­сы­вать все функ­ции, что­бы научить их пони­мать новые отве­ты про­ве­ряль­щи­ка адре­сов;
• либо пере­де­лать сам про­ве­ряль­щик адре­сов, что­бы он остал­ся сов­ме­сти­мым со ста­ры­ми места­ми, но в нуж­ном вам месте как-то ещё выда­вал коды оши­бок;
• либо напи­сать новый про­ве­ряль­щик, кото­рый выда­ёт коды оши­бок, а в ста­рых местах исполь­зо­вать ста­рый про­ве­ряль­щик.

Зада­ча, конеч­но, реша­е­мая за час-другой.

Но теперь пред­ставь­те, что у вас этих функ­ций — сот­ни. И изме­не­ний в них нуж­но делать десят­ки в день. И каж­дое изме­не­ние, как пра­ви­ло, застав­ля­ет функ­ции вести себя более слож­ным обра­зом и выда­вать более слож­ный резуль­тат. И каж­дое изме­не­ние в одном месте лома­ет три дру­гих места. В ито­ге у вас будут нарож­дать­ся десят­ки кло­ни­ро­ван­ных функ­ций, в кото­рых вы сна­ча­ла буде­те раз­би­рать­ся, а потом уже нет.

Это назы­ва­ет­ся спагетти-код, и для борь­бы с ним как раз при­ду­ма­ли объектно-ориентированное про­грам­ми­ро­ва­ние.

Объектно-ориентированное программирование

Основ­ная зада­ча ООП — сде­лать слож­ный код про­ще. Для это­го про­грам­му раз­би­ва­ют на неза­ви­си­мые бло­ки, кото­рые мы назы­ва­ем объ­ек­та­ми.

Объ­ект — это не какая-то кос­ми­че­ская сущ­ность. Это все­го лишь набор дан­ных и функ­ций — таких же, как в тра­ди­ци­он­ном функ­ци­о­наль­ном про­грам­ми­ро­ва­нии. Мож­но пред­ста­вить, что про­сто взя­ли кусок про­грам­мы и поло­жи­ли его в короб­ку и закры­ли крыш­ку. Вот эта короб­ка с крыш­ка­ми — это объ­ект.

Про­грам­ми­сты дого­во­ри­лись, что дан­ные внут­ри объ­ек­та будут назы­вать­ся свой­ства­ми, а функ­ции — мето­да­ми. Но это про­сто сло­ва, по сути это те же пере­мен­ные и функ­ции.

Объ­ект мож­но пред­ста­вить как неза­ви­си­мый элек­тро­при­бор у вас на кухне. Чай­ник кипя­тит воду, пли­та гре­ет, блен­дер взби­ва­ет, мясо­руб­ка дела­ет фарш. Внут­ри каж­до­го устрой­ства куча все­го: мото­ры, кон­трол­ле­ры, кноп­ки, пру­жи­ны, предо­хра­ни­те­ли — но вы о них не дума­е­те. Вы нажи­ма­е­те кноп­ки на пане­ли каж­до­го при­бо­ра, и он дела­ет то, что от него ожи­да­ет­ся. И бла­го­да­ря сов­мест­ной рабо­те этих при­бо­ров у вас полу­ча­ет­ся ужин.

Объ­ек­ты харак­те­ри­зу­ют­ся четырь­мя сло­ва­ми: инкап­су­ля­ция, абстрак­ция, насле­до­ва­ние и поли­мор­физм.

Инкап­су­ля­ция — объ­ект неза­ви­сим: каж­дый объ­ект устро­ен так, что нуж­ные для него дан­ные живут внут­ри это­го объ­ек­та, а не где-то сна­ру­жи в про­грам­ме. Напри­мер, если у меня есть объ­ект «Поль­зо­ва­тель», то у меня в нём будут все дан­ные о поль­зо­ва­те­ле: и имя, и адрес, и всё осталь­ное. И в нём же будут мето­ды «Про­ве­рить адрес» или «Под­пи­сать на рас­сыл­ку».

Абстрак­ция — у объ­ек­та есть «интер­фейс»: у объ­ек­та есть мето­ды и свой­ства, к кото­рым мы можем обра­тить­ся извне это­го объ­ек­та. Так же, как мы можем нажать кноп­ку на блен­де­ре. У блен­де­ра есть мно­го все­го внут­ри, что застав­ля­ет его рабо­тать, но на глав­ной пане­ли есть толь­ко кноп­ка. Вот эта кноп­ка и есть абстракт­ный интер­фейс.

В про­грам­ме мы можем ска­зать: «Уда­лить поль­зо­ва­те­ля». На язы­ке ООП это будет «пользователь.удалить()» — то есть мы обра­ща­ем­ся к объ­ек­ту «поль­зо­ва­тель» и вызы­ва­ем метод «уда­лить». Кайф в том, что нам не так важ­но, как имен­но будет про­ис­хо­дить уда­ле­ние: ООП поз­во­ля­ет нам не думать об этом в момент обра­ще­ния.

Напри­мер, над мага­зи­ном рабо­та­ют два про­грам­ми­ста: один пишет модуль зака­за, а вто­рой — модуль достав­ки. У пер­во­го в объ­ек­те «заказ» есть метод «отме­нить». И вот вто­ро­му нуж­но из-за достав­ки отме­нить заказ. И он спо­кой­но пишет: «заказ.отменить()». Ему неваж­но, как дру­гой про­грам­мист будет реа­ли­зо­вы­вать отме­ну: какие он отпра­вит пись­ма, что запи­шет в базу дан­ных, какие выве­дет пре­ду­пре­жде­ния.

Насле­до­ва­ние — спо­соб­ность к копи­ро­ва­нию. ООП поз­во­ля­ет созда­вать мно­го объ­ек­тов по обра­зу и подо­бию дру­го­го объ­ек­та. Это поз­во­ля­ет не копи­па­стить код по две­сти раз, а один раз нор­маль­но напи­сать и потом мно­го раз исполь­зо­вать.

Напри­мер, у вас может быть некий иде­аль­ный объ­ект «Поль­зо­ва­тель»: в нём вы про­пи­сы­ва­е­те всё, что может про­ис­хо­дить с поль­зо­ва­те­лем. У вас могут быть свой­ства: имя, воз­раст, адрес, номер кар­ты. И могут быть мето­ды «Дать скид­ку», «Про­ве­рить заказ», «Най­ти зака­зы», «Позво­нить».

На осно­ве это­го иде­аль­но­го поль­зо­ва­те­ля вы може­те создать реаль­но­го «Поку­па­те­ля Ива­на». У него при созда­нии будут все свой­ства и мето­ды, кото­рые вы зада­ли у иде­аль­но­го поку­па­те­ля, плюс могут быть какие-то свои, если захо­ти­те.

Иде­аль­ные объ­ек­ты про­грам­ми­сты назы­ва­ют клас­са­ми.

Поли­мор­физм — еди­ный язык обще­ния. В ООП важ­но, что­бы все объ­ек­ты обща­лись друг с дру­гом на понят­ном им язы­ке. И если у раз­ных объ­ек­тов есть метод «Уда­лить», то он дол­жен делать имен­но это и писать­ся вез­де оди­на­ко­во. Нель­зя, что­бы у одно­го объ­ек­та это было «Уда­лить», а у дру­го­го «Сте­реть».

При этом внут­ри объ­ек­та мето­ды могут быть реа­ли­зо­ва­ны по-разному. Напри­мер, уда­лить товар — это выдать пре­ду­пре­жде­ние, а потом поме­тить товар в базе дан­ных как уда­лён­ный. А уда­лить поль­зо­ва­те­ля — это отме­нить его покуп­ки, отпи­сать от рас­сыл­ки и заар­хи­ви­ро­вать исто­рию его поку­пок. Собы­тия раз­ные, но для про­грам­ми­ста это неваж­но. У него про­сто есть метод «Уда­лить()», и он ему дове­ря­ет.

Такой под­ход поз­во­ля­ет про­грам­ми­ро­вать каж­дый модуль неза­ви­си­мо от осталь­ных. Глав­ное — зара­нее про­ду­мать, как моду­ли будут общать­ся друг с дру­гом и по каким пра­ви­лам. При таком под­хо­де вы може­те улуч­шить рабо­ту одно­го моду­ля, не затра­ги­вая осталь­ные — для всей про­грам­мы неваж­но, что внут­ри каж­до­го бло­ка, если пра­ви­ла рабо­ты с ним оста­лись преж­ни­ми.

Плюсы и минусы ООП

У объектно-ориентированного про­грам­ми­ро­ва­ния мно­го плю­сов, и имен­но поэто­му этот под­ход исполь­зу­ет боль­шин­ство совре­мен­ных про­грам­ми­стов.

• Визу­аль­но код ста­но­вит­ся про­ще, и его лег­че читать. Когда всё раз­би­то на объ­ек­ты и у них есть понят­ный набор пра­вил, мож­но сра­зу понять, за что отве­ча­ет каж­дый объ­ект и из чего он состо­ит.
• Мень­ше оди­на­ко­во­го кода. Если в обыч­ном про­грам­ми­ро­ва­нии одна функ­ция счи­та­ет повто­ря­ю­щи­е­ся сим­во­лы в одно­мер­ном мас­си­ве, а дру­гая — в дву­мер­ном, то у них боль­шая часть кода будет оди­на­ко­вой. В ООП это реша­ет­ся насле­до­ва­ни­ем.
• Слож­ные про­грам­мы пишут­ся про­ще. Каж­дую боль­шую про­грам­му мож­но раз­ло­жить на несколь­ко бло­ков, сде­лать им мини­маль­ное напол­не­ние, а потом раз за разом подроб­но напол­нить каж­дый блок.
• Уве­ли­чи­ва­ет­ся ско­рость напи­са­ния. На стар­те мож­но быст­ро создать нуж­ные ком­по­нен­ты внут­ри про­грам­мы, что­бы полу­чить мини­маль­но рабо­та­ю­щий про­то­тип.

А теперь про мину­сы:

• Слож­но понять и начать рабо­тать. Под­ход ООП намно­го слож­нее обыч­но­го функ­ци­о­наль­но­го про­грам­ми­ро­ва­ния — нуж­но знать мно­го тео­рии, преж­де чем будет напи­са­на хоть одна строч­ка кода.
• Тре­бу­ет боль­ше памя­ти. Объ­ек­ты в ООП состо­ят из дан­ных, интер­фей­сов, мето­дов и мно­го дру­го­го, а это зани­ма­ет намно­го боль­ше памя­ти, чем про­стая пере­мен­ная.
• Ино­гда про­из­во­ди­тель­ность кода будет ниже. Из-за осо­бен­но­стей под­хо­да часть вещей может быть реа­ли­зо­ва­на слож­нее, чем мог­ла бы быть. Поэто­му быва­ет такое, что ООП-программа рабо­та­ет мед­лен­нее, чем функ­ци­о­наль­ная (хотя с совре­мен­ны­ми мощ­но­стя­ми про­цес­со­ров это мало кого вол­ну­ет).

Что дальше

Впе­ре­ди нас ждёт раз­го­вор о клас­сах, объ­ек­тах и всём осталь­ном важ­ном в ООП. Кре­пи­тесь, будет инте­рес­но!

Инкапсуляция, полиморфизм, наследование

Все языки OOP, включая С++, основаны на трёх основополагающих концепциях, называемых инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием. Рассмотрим эти концепции.

1. Инкапсуляция

Инкапсуляция (encapsulation) — это механизм, который объединяет данные и код, манипулирующий зтими данными, а также защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. В объектно-ориентированном программировании код и данные могут быть объединены вместе; в этом случае говорят, что создаётся так называемый «чёрный ящик». Когда коды и данные объединяются таким способом, создаётся объект (object). Другими словами, объект — это то, что поддерживает инкапсуляцию.

Внутри объекта коды и данные могут быть закрытыми (private). Закрытые коды или данные доступны только для других частей этого объекта. Таким образом, закрытые коды и данные недоступны для тех частей программы, которые существуют вне объекта. Если коды и данные являются открытыми, то, несмотря на то, что они заданы внутри объекта, они доступны и для других частей программы. Характерной является ситуация, когда открытая часть объекта используется для того, чтобы обеспечить контролируемый интерфейс закрытых элементов объекта.

На самом деле объект является переменной определённого пользователем типа. Может показаться странным, что объект, который объединяет коды и данные, можно рассматривать как переменную. Однако применительно к объектно-ориентированному программированию это именно так. Каждый элемент данных такого типа является составной переменной.

2. Полиморфизм

Полиморфизм (polymorphism) (от греческого polymorphos) — это свойство, которое позволяет одно и то же имя использовать для решения двух или более схожих, но технически разных задач. Целью полиморфизма, применительно к объектно-ориентированному программированию, является использование одного имени для задания общих для класса действий. Выполнение каждого конкретного действия будет определяться типом данных. Например для языка Си, в котором полиморфизм поддерживается недостаточно, нахождение абсолютной величины числа требует трёх различных функций: abs(), labs() и fabs(). Эти функции подсчитывают и возвращают абсолютную величину целых, длинных целых и чисел с плавающей точкой соответственно. В С++ каждая из этих функций может быть названа abs(). Тип данных, который используется при вызове функции, определяет, какая конкретная версия функции действительно выполняется. В С++ можно использовать одно имя функции для множества различных действий. Это называется перегрузкой функций (function overloading).

В более общем смысле, концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов». Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий. Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает мнижать сложность программ, разрешая использование того же интерфейса для задания единого класса действий. Выбор же конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор. Вам, как программисту, не нужно делать этот выбор самому. Нужно только помнить и использовать общий интерфейс. Пример из предыдущего абзаца показывает, как, имея три имени для функции определения абсолютной величины числа вместо одного, обычная задача становится более сложной, чем это действительно необходимо.

Полиморфизм может применяться также и к операторам. Фактически во всех языках программирования ограниченно применяется полиморфизм, например, в арифметических операторах. Так, в Си, символ + используется для складывания целых, длинных целых, символьных переменных и чисел с плавающей точкой. В этом случае компилятор автоматически определяет, какой тип арифметики требуется. В С++ вы можете применить эту концепцию и к другим, заданным вами, типам данных. Такой тип полиморфизма называется перегрузкой операторов (operator overloading).

Ключевым в понимании полиморфизма является то, что он позволяет вам манипулировать объектами различной степени сложности путём создания общего для них стандартного интерфейса для реализации похожих действий.

3. Наследовние

Наследование (inheritance) — это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него. Наследование является важным, поскольку оно позволяет поддерживать концепцию иерархии классов (hierarchical classification). Применение иерархии классов делает управляемыми большие потоки информации. Например, подумайте об описании жилого дома. Дом — это часть общего класса, называемого строением. С другой стороны, строение — это часть более общего класса — конструкции, который является частью ещё более общего класса объектов, который можно назвать созданием рук человека. В каждом случае порождённый класс наследует все, связанные с родителем, качества и добавляет к ним свои собственные определяющие характеристики. Без использования иерархии классов, для каждого объекта пришлось бы задать все характеристики, которые бы исчерпывающи его определяли. Однако при использовании наследования можно описать объект путём определения того общего класса (или классов), к которому он относится, с теми специальными чертами, которые делают объект уникальным. Наследование играет очень важную роль в OOP.