Мішатронік

Абстрактные типы данных

Понятие абстрактных типов дан­ных является ключевым в программировании. Абстракция подразумевает разделение и независимое рассмотрение ин­терфейса и реализации .

Рассмотрим пример. Все мы смотрим телевизионные про­граммы. Назовем телевизор модулем или объектом. Этот объект имеет интерфейс с пользователем, т. е. средства управ­ления (совокупность кнопок), воспроизведения изображения и звука. Чем совершеннее интерфейс, тем удобнее телевизор в использовании. Мы переключаем программы, нажимая опре­деленные кнопки, и при этом не задумываемся о физических процессах, происходящих в телевизоре. Об этом знают спе­циалисты. Когда мы выбираем телевизор, нас интересуют его цена и эксплуатационные параметры, т. е. качество изобра­жения, звука и т. п. Однако нас не интересует то, что находит­ся внутри. Другими словами, мы возвращаемся к свойствам объекта (модуля), какими являются интерфейс и реализация. Основная цель абстракции в программировании как раз и заключается в отделении интерфейса от реализации.

Вернемся к нашему примеру. Предположим, некоторый субъект уверен, что хорошо знает устройство телевизора. Он снимает крышку и начинает «усовершенствовать» его. Хотя иногда это и приводит к определенным промежуточным (локальным) успехам, окончательный результат почти всегда отрицательный. Поэтому подобные действия надо запрещать. В программировании это поддерживается механизмами за­прета доступа или скрытия внутренних компонентов. Каждо­му объекту (модулю) предоставлено право самому распоря­жаться «своим имуществом», т. е. данными функциями и опе­рациями. Игнорирование этого принципа нарушает стабиль­ность системы и часто приводит к ее полному разрушению. Принцип абстракции обязывает использовать механизмы скрытия, которые предотвращают умышленное или случай­ное изменение внутренних компонентов.

Абстракция данных предполагает определение и рассмот­рение абстрактных типовданных(АТД) или, что то же самое, новых типов данных, введенных пользователем .

Абстрактный тип данных — это совокупность данных вместе с множеством операций, которые можно выполнять над этими данными .

Понятие объектно-ориентированного программирования

По определению авторитета в области объектно-ориентированных методов разработки программ Гради Буча «объектно-ориентированное программирование (ООП) – это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией определенного класса (типа особого вида), а классы образуют иерархию на принципах наследуемости».

Объектно-ориентированная методология так же, как и структурная методология, была создана с целью дисциплинировать процесс разработки больших программных комплексов и тем самым снизить их сложность и стоимость.

Объектно-ориентированная методология преследует те же цели, что и структурная, но решает их с другой отправной точки и в большинстве случаев позволяет управлять более сложными проектами, чем структурная методология.

Как известно, одним из принципов управления сложностью проекта является декомпозиция. Гради Буч выделяет две разновидности декомпозиции: алгоритмическую (так он называет декомпозицию, поддерживаемую структурными методами) и объектно-ориентированную, отличие которых состоит, по его мнению, в следующем: «Разделение по алгоритмам концентрирует внимание на порядке происходящих событий, а разделение по объектам придает особое значение факторам, либо вызывающим действия, либо являющимся объектами приложения этих действий».

Другими словами, алгоритмическая декомпозиция учитывает в большей степени структуру взаимосвязей между частями сложной проблемы, а объектно-ориентированная декомпозиция уделяет больше внимания характеру взаимосвязей.

На практике рекомендуется применять обе разновидности декомпозиции: при создании крупных проектов целесообразно сначала применять объектно-ориентированный подход для создания общей иерархии объектов, отражающих сущность программируемой задачи, а затем использовать алгоритмическую декомпозицию на модули для упрощения разработки и сопровождения программного комплекса.

ОО-программирование является, несомненно, одним из наиболее интересных направлений для профессиональной разработки программ.

Объекты и классы

Базовыми блоками объектно-ориентированной програм­мы являются объекты и классы. Содержательно объект мож­но представить как что-то ощущаемое или воображаемое и имеющее хорошо определенное поведение. Таким образом, объект можно либо увидеть, либо потрогать, либо, по край­ней мере, знать, что он есть, например, представлен в виде информации, хранимой в памяти компьютера. Дадим определение объекта, придерживаясь мнения Гради Буча: «Объект – осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение».

Объект — это часть окружающей нас реальности, т. е. он существует во времени и в пространстве (впервые понятие объекта в про­граммировании введено в языке Simula ). Формально объект определить довольно трудно. Это можно сделать че­рез некоторые свойства, а именно: объект имеет состояние, поведение и может быть однозначно идентифицирован (дру­гими словами, имеет уникальное имя).

Класс — это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. Класс — описание (абстракция), которое показывает, как построить существующую во време­ни и пространстве переменную этого класса, называемую объектом. Смысл предложений «описание переменных клас­са» и «описание объектов класса» один и тот же.

Объект имеет состояние, поведение и паспорт (средство для его однозначной идентификации); структура и поведение объектов описаны в классах, переменными которых они яв­ляются .

Определим теперь понятия состояния, поведения и иденти­фикации объекта.

Состояние объекта объединяет все его поля данных (статический компонент, т.е. неизменный) и текущие значения каждо­го из этих полей (динамический компонент, т.е. обычно изменяющийся).

Поведение выражает динамику изменения состояний объ­екта и его реакцию на поступающие сообщения, т.е. как объект изменяет свои состояния и взаи­модействует с другими объектами.

Идентификация (рас­познавание) объекта — это свойство, которое позволяет от­личить объект от других объектов того же или других клас­сов. Осуществляется идентификация посредством уникального имени (паспорта), которым наделяется объект в программе, впрочем как и любая другая переменная.

Выше уже говорилось, что процедурный (а также и мо­дульный) подход позволяет строить программы, состоящие из набора процедур (подпрограмм), реализующих заданные алгоритмы. С другой стороны, объектно-ориентированный подход представляет программы в виде набора объектов, взаимодействующих между собой. Взаимодействие объектов осуществляется через сообщения. Предположим, что нашим объектом является окружность. Тогда сообщение, посланное этому объекту, может быть следующим: «нарисуй себя». Ко­гда мы говорим, что объекту передается сообщение, то на самом деле мы вызываем некоторую функцию этого объекта (компонент-функцию). Так, в приведенном выше примере мы вызовем функцию, которая будет рисовать окружность на экране дисплея.

Базовые принципы ООП

К базовым принципам объектно-ориентированного стиля программирования относятся:

• пакетирование или инкапсуляция ;
• наследование ;
• полиморфизм ;
• передача сообщений.

Пакетирование (инкапсуляция)

предполагает соединение в одном объекте данных и функций, которые манипулируют этими данными. Доступ к некоторым данным внутри пакета может быть либо запрещен, либо ограничен.

Объект характеризуется как совокупностью всех своих свойств (например, для животных – это наличие головы, ушей, глаз и т.д.) и их текущих значений (голова – большая, уши – длинные, глаза – желтые и т.д.), так и совокупностью допустимых для этого объекта действий (умение принимать пищу, сидеть, стоять, бежать и т.д.). Указанное объединение в едином объекте как «материальных» составных частей (голова, уши, хвост, лапы), так и действий, манипулирующих этими частями (действие «бежать» быстро перемещает лапы) называется инкапсуляцией.

В рамках ООП данные называются полями объекта, а алгоритмы – объектными методами.

Инкапсуляция позволяет в максимальной степени изолировать объект от внешнего окружения. Она существенно повышает надежность разрабатываемых программ, т.к. локализованные в объекте алгоритмы обмениваются с программой сравнительно небольшими объемами данных, причем количество и тип этих данных обычно тщательно контролируется. В результате замена или модификация алгоритмов и данных, инкапсулированных в объект, как правило, не влечет за собой плохо прослеживаемых последствий для программы в целом. Другим немаловажным следствием инкапсуляции является легкость обмена объектами, переноса их из одной программы в другую.

Наследование

И структурная, и объектно-ориентированная методологии преследуют цель построения иерархического дерева взаимосвязей между объектами (подзадачами). Но если структурная иерархия строится по простому принципу разделения целого на составные части,

то при создании объектно-ориентированной иерархии принимается другой взгляд на тот же исходный объект. В объектно-ориентированной иерархии непременно отражается наследование свойств родительских (вышележащих) типов объектов дочерним (нижележащим) типам объектов.

По Гради Бучу «наследование – это такое отношение между объектами, когда один объект повторяет структуру и поведение другого».

Принцип наследования действует в жизни повсеместно и повседневно. Млекопитающие и птицы наследуют признаки живых организмов, в отличие от растений, орел и ворон наследуют общее свойство для птиц – умение летать. С другой стороны, львы, тигры, леопарды наследуют «структуру» и поведение, характерное для представителей отряда кошачьих и т.д.

Типы верхних уровней объектно-ориентированной иерархии, как правило, не имеют конкретных экземпляров объектов. Не существует, например, конкретного живого организма, который бы сам по себе назывался «млекопитающее» или «птица». Такие типы называют абстрактными. Конкретные экземпляры объектов имеют, как правило, типы самых нижних уровней ОО-иерархии: «крокодил Гена» – конкретный экземпляр объекта типа «крокодил», «кот Матроскин» – конкретный экземпляр объекта типа «кошка».

Наследование позволяет использовать библиотеки классов и развивать их (совершенствовать и модифицировать биб­лиотечные классы) в конкретной программе. Наследование позволяет создавать новые объекты, из­меняя или дополняя свойства прежних. Объект-наследник полу­чает все поля и методы предка, но может добавить собст­венные поля, добавить собственные методы или перекрыть своими методами одноименные унаследованные методы.

Принцип наследования решает проблему модификации свойств объекта и придает ООП в целом исключительную гибкость. При работе с объектами программист обычно подбирает объект, наиболее близкий по своим свойствам для решения конкретной задачи, и создает одного или нескольких потомков от него, которые «умеют» делать то, что не реализовано в родителе.

Последовательное проведение в жизнь принципа «наследуй и изменяй» хорошо согласуется с поэтапным подходом к разработке крупных программных проектов и во многом стимулирует такой подход.

Когда вы строите новый класс, наследуя его из сущест­вующего класса, можно:

• добавить в новый класс новые компоненты-данные;
• добавить в новый класс новые компоненты-функции;
• заменить в новом классе наследуемые из старого класса компоненты-функции.

Полиморфизм

позволяет использовать одни и те же функ­ции для решения разных задач. Полиморфизм выражается в том, что под одним именем скрываются различные действия, со­держание которых зависит от типа объекта.

Полиморфизм – это свойство родственных объектов (т.е. объектов, имеющих одного общего родителя) решать схожие по смыслу проблемы разными способами. Например, действие «бежать» свойственно большинству животных. Однако каждое из них (лев, слон, крокодил, черепаха) выполняет это действие различным образом.

При традиционном (не объектно-ориентированном) подходе к программированию, животных перемещать будет программист, вызывая отдельную для конкретного животного и конкретного действия подпрограмму.

В рамках ООП поведенческие свойства объекта определяются набором входящих в него методов, программист только указывает, какому объекту какое из присущих ему действий требуется выполнить, и (для рассматриваемого примера) однажды описанные объекты-животные сами будут себя передвигать характерным для них способом, используя входящие в его состав методы. Изменяя алгоритм того или иного метода в потомках объекта, программист может придавать этим потомкам отсутствующие у родителя специфические свойства. Для изменения метода необходимо перекрыть его в потомке, т.е. объявить в потомке одноименный метод и реализовать в нем нужные действия. В результате в объекте-родителе и объекте-потомке будут действовать два одноименных метода, имеющих разную алгоритмическую основу и, следовательно, придающие объектам разные свойства. Это и называется полиморфизмом объектов.

Таким образом, в нашем примере с объектами-животными действие «бежать» будет называться полиморфическим действием, а многообразие форм проявления этого действия – полиморфизмом.