Основные принципы объектно-ориентированного программирования

В основу ООП положены принципы абстрагирования, ограничения доступа, модульности, иерархичности, типизации, параллелизма, устойчивости.

Рассмотрим, что представляет собой каждый принцип.

Абстрагирование - процесс выделения абстракций в предметной области задачи. Абстракция - совокупность существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют особенности данного объекта с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа решаемой задачи. В соответствии с определением применяемая абстракция реального предмета существенно зависит от решаемой задачи: в одном случае нас будет интересовать форма предмета, в другом - вес, в третьем - материалы, из которых он сделан, в четвертом - закон движения предмета и т. д. ООП предполагает объединение всех свойств абстракции (как касающихся состояния анализируемого объекта, так и определяющих его поведение) в единую программную единицу - некий абстрактный тип (класс).

Ограничение доступа - сокрытие отдельных элементов реализации абстракции, не затрагивающих существенных характеристик ее как целого.

Необходимость ограничения доступа предполагает разграничение двух частей в описании абстракции:

• интерфейс - совокупность доступных извне элементов реализации абстракции (характеристики состояния и поведения);

• реализация - совокупность недоступных извне элементов реализации абстракции (внутренняя организация абстракции и механизмы реализации ее поведения).

Ограничение доступа в ООП позволяет разработчику, во-первых, выполнять конструирование системы поэтапно, не отвлекаясь на особенности построения используемых абстракций, во-вторых - легко модифицировать реализацию отдельных объектов, что в правильно организованной системе не потребует изменения других объектов.

Сочетание объединения всех свойств объекта, определяющих его состояние и поведение, в единую абстракцию и ограничение доступа к реализации этих свойств получило название инкапсуляции.

Модульность - принцип разработки программной системы, предполагающий реализацию ее в виде отдельных частей (модулей). При выполнении декомпозиции системы на модули желательно объединять логически связанные части, по возможности обеспечивая сокращение количества внешних связей между модулями. Принцип унаследован от модульного программирования, следование ему упрощает проектирование и отладку программы.

Иерархия - это ранжированная или упорядоченная система абстракций. Принцип иерархичности предполагает использование иерархий при разработке программных систем.

В ООП используются два вида иерархии, описание которых приведено ниже.

Иерархия «целое/часть» - показывает, что некоторые абстракции включены в рассматриваемую абстракцию как ее части, например, лампа состоит из цоколя, нити накаливания и колбы. Этот вариант иерархии используется в процессе разбиения системы на части на разных этапах проектирования (на логическом уровне - при декомпозиции предметной области на объекты, на физическом уровне - при декомпозиции системы на модули и при выделении отдельных процессов в мультипроцессорной системе).

Иерархия «общее/частное» - показывает, что некоторая абстракция является частным случаем другой абстракции, например, «обеденный стол - конкретный вид стола», а «столы - конкретный вид мебели». Используется при разработке структуры классов, когда сложные классы строятся на базе простых путем добавления к ним новых характеристик и, возможно, уточнения имеющихся.

Один из важнейших механизмов ООП - наследование свойств в иерархии общее/частное. Наследование - такое отношение между абстракциями, при котором некоторая абстракция включает структурную или функциональную часть одной или нескольких других абстракций (соответственно простое и множественное наследование).

Типизация - ограничение, накладываемое на свойства объектов и препятствующее взаимозаменяемости абстракций различных типов (или сильно сужающее возможность такой замены). В языках с жесткой типизацией для каждого программного объекта (переменной, подпрограммы, параметра и т. д.) объявляется тип, который определяет множество операций над соответствующим программным объектом. Рассматриваемые далее языки программирования на основе Паскаля используют строгую, а на основе С -среднюю степень типизации.

Использование принципа типизации обеспечивает:

• раннее обнаружение ошибок, связанных с недопустимыми операциями над программными объектами (ошибки обнаруживаются на этапе компиляции программы при проверке допустимости выполнения данной операции над программным объектом);

• упрощение документирования;

• возможность генерации более эффективного кода.

Тип может связываться с программным объектом статически (тип объекта определен на этапе компиляции - раннее связывание) и динамически (тип объекта определяется только во время выполнения программы - позднее связывание). Реализация позднего связывания в языке программирования позволяет создавать переменные - указатели на объекты, принадлежащие различным классам (полиморфные объекты), что существенно расширяет возможности языка.

Параллелизм - свойство нескольких абстракций одновременно находиться в активном состоянии, т. е. выполнять некоторые операции.

Существует целый ряд задач, решение которых требует наличия одновременного выполнения некоторых последовательностей действий. К таким задачам, например, относятся задачи автоматического управления несколькими процессами.

Реальный параллелизм достигается только при реализации задач такого типа на многопроцессорных системах, когда имеется возможность выполнения каждого процесса отдельным процессором. Системы с одним процессором имитируют параллелизм за счет разделения времени процессора между различными процессами. В зависимости от типа используемой операционной системы (одно- или мультипрограммной) разделение времени может выполняться либо разрабатываемой системой (как было в MS DOS), либо непосредственно операционной системой (как в системах Windows).

Устойчивость - свойство абстракции существовать во времени независимо от процесса, породившего данный программный объект, и/или в пространстве, перемещаясь из адресного пространства, в котором он был создан.

Различают:

• временные объекты, хранящие промежуточные результаты некоторых действий, например, вычислений;

• локальные объекты, существующие внутри подпрограмм, время жизни которых исчисляется от вызова подпрограммы до ее завершения;

• глобальные объекты, существующие пока программа загружена в память;

• сохраняемые объекты, данные которых хранятся в файлах внешней памяти между сеансами работы программы.

Многие современные программные системы поддерживают парадигму объектно-ориентированного пользовательского интерфейса. Его смысл - определение в единой манере некоторого набора интерфейсных объектов и обращения с ними посредством действий, определенных над их интерфейсными представлениями. Интерфейсные объекты и действия над ними могут задаваться пользователем с помощью разных средств. При определении объектно-ориентированного пользовательского интерфейса с помощью визуальных и конических языков интерфейсные объекты представляются иконками. Действия над ними могут задаваться с помощью различных управляющих элементов - команд, пунктов меню, кнопок и др. Одной из популярных форм задания действий над интерфейсными объектами является "прямое манипулирование" (direct manipulation) с помощью мыши с иконками интерфейсных объектов. При таком взаимодействии у пользователя создается впечатление, что он воздействует непосредственно на объекты, а не на их представление на экране.

Все указанные выше принципы в той или иной степени реализованы в различных версиях объектно-ориентированных языков.