Объектно-ориентированный подход к разработке программных средств.

В основе объектно-ориентированного стиля программирования лежит понятие объекта, а суть его выражается формулой: «объект = данные + процедуры». Каждый объект интегрирует в себе некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры обработки этих данных, называемые методами. Объединение данных и процедур в одном объекте называется инкапсуляцией и присуще объектно-ориентированному программированию. Для описания объектов служат классы. Класс определяет свойства и методы объекта, принадлежащего этому классу. Соответственно, любой объект можно определить как экземпляр класса. Программирование рассматриваемого стиля заключается в выборе имеющихся или создании новых объектов и организации взаимодействия между ними. При создании новых объектов свойства объектов могут добавляться или наследоваться от объектов-предков. В процессе работы с объектами допускается полиморфизм — возможность использования методов с одинаковыми именами для обработки данных разных типов. К наиболее современным объектно-ориентированным языкам программирования относятся C++ и Java. Объектно-ориентированный анализ начинается с исследования предметов реального мира, являющихся частью решаемой задачи. Эти предметы, которые мы назовем объектами, индивидуально характеризуются атрибутами состояния (информацией, хранимой в переменных) и поведения (операторами обработки информации). Используя объектно-ориентированную терминологию, мы формируем и описываем классы, охватывающие проблемную область. Одновременно с описанием этих индивидуальных характеристик мы также моделируем связи или взаимодействие между объектами предметной области (и, следовательно, классы, обеспечивающие наше решение). Эти связи могут устанавливаться в форме агрегирования частей (это - часть того), делегирования (это использует то) или наследование (это - то). Затем объектно-ориентированное проектирование переходит от моделирования предметной области к моделированию области реализации. Структура нашего класса теперь начинает включать описания специфических компьютерных объектов. Например: классы интерфейса пользователя (окна, меню, и т.д.), классы управления задачами (процессы, семафоры, и т.д.), классы обработки данных (списки, стеки, очереди, и т.д.). Поскольку объектно-ориентированный анализ и проектирование используют тот же самый язык (и могут использовать те же самые системы обозначений), проще (и более выгодно) выполнять оба процесса параллельно и итерационно Чрезвычайно важно отметить, что цели процессов анализа и процесса проектирования не сосредоточены исключительно на разработке решения, необходимого для текущего понимания проблемы. Скорее, они направлены на проектирование и формирование обобщенных классов с законченными и полезными структурами. Модели класса изложены в деталях и завершены вне частных текущих потребностей. Можно сказать, что мы хотим, чтобы наши классы имели завершенный товарный список атрибутов и поведения. Преимуществом этого, более общего, подхода, является то, что наши классы будут иметь возможности многократного использования в новых ситуациях, более расширяемыми и более совместимыми друг с другом. Они будут многократно используемыми, потому что разработаны не для одиночной задачи, а для моделирования конкретных характеристик объектов реального (или компьютерного) мира. Так как вполне вероятно, что тот же самый "предмет" вновь появится в других задачах, наша законченная модель, будет использована там, даже если предмет реализуется совершенно другим способом. Они будут расширяемы, потому что они разработаны обобщенно, без привязки к особенностям одной задачи. Могут быть добавлены дополнительные функциональные возможности, изменена реализация без того, чтобы нанести вред фундаментальным абстракциям. Классы будут более совместимы, потому что они разработаны так, чтобы быть завершенными, иметь ясно определенные (и защищенные) интерфейсы. Это означает, что они будут способны существовать в новых ситуациях без изменения. Мы получили то, что позволяет нашим моделям не быть разбитыми и потерпевшими неудачу при изменении текущих требований. Дополнительным эффектом является то, что они будут полезны для решений многих других задач.

Основные идеи объектно-ориентированного подхода опираются на следующие положения: - Программа представляет собой модель некоторого реального процесса, части реального мира. - Модель реального мира или его части может быть описана как совокупность взаимодействующих между собой объектов. - Объект описывается набором параметров, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций (действий), которые может выполнять объект. - Взаимодействие между объектами осуществляется посылкой специальных сообщений от одного объекта к другому. Сообщение, полученное объектом, может потребовать выполнения определенных действий, например, изменения состояния объекта. - Объекты, описанные одним и тем же набором параметров и способные выполнять один и тот же набор действий представляют собой класс однотипных объектов. С точки зрения языка программирования класс объектов можно рассматривать как тип данного, а отдельный объект - как данное этого типа. Определение программистом собственных классов объектов для конкретного набора задач должно позволить описывать отдельные задачи в терминах самого класса задач (при соответствующем выборе имен типов и имен объектов, их параметров и выполняемых действий). Таким образом, объектно-ориентированный подход предполагает, что при разработке программы должны быть определены классы используемых в программе объектов и построены их описания, затем созданы экземпляры необходимых объектов и определено взаимодействие между ними. Классы объектов часто удобно строить так, чтобы они образовывали иерархическую структуру. Например, класс “Студент”, описывающий абстрактного студента, может служить основой для построения классов “Студент 1 курса”, “Студент 2 курса” и т.д., которые обладают всеми свойствами студента вообще и некоторыми дополнительными свойствами, характеризующими студента конкретного курса. При разработке интерфейса с пользователем программы могут использовать объекты общего класса “Окно” и объекты классов специальных окон, например, окон информационных сообщений, окон ввода данных и т.п. В таких иерархических структурах один класс может рассматриваться как базовый для других, производных от него классов. Объект производного класса обладает всеми свойствами базового класса и некоторыми собственными свойствами, он может реагировать на те же типы сообщений от других объектов, что и объект базового класса и на сообщения, имеющие смысл только для производного класса. Обычно говорят, что объект производного класса наследует все свойства своего базового класса. Некоторые параметры объекта могут быть локализованы внутри объекта и недоступны для прямого воздействия извне объекта. Например, во время движения объекта-автомобиля объект-водитель может воздействовать только на ограниченный набор органов управления (рулевое колесо, педали газа, сцепления и тормоза, рычаг переключения передач) и ему недоступен целый ряд параметров, характеризующих состояние двигателя и автомобиля в целом. Очевидно, для того, чтобы продуктивно применять объектный подход для разработки программ, необходимы языки программирования, поддерживающие этот подход, т.е. позволяющие строить описание классов объектов, образовывать данные объектных типов, выполнять операции над объектами. Одним из первых таких языков стал язык SmallTalk в котором все данные являются объектами некоторых классов, а общая система классов строится как иерархическая структура на основе предопределенных базовых классов. Опыт программирования показывает, что любой методический подход в технологии программирования не должен применяться слепо с игнорированием других подходов. Это относится и к объектно-ориентированному подходу. Существует ряд типовых проблем, для которых его полезность наиболее очевидна, к таким проблемам относятся, в частности, задачи имитационного моделирования, программирование диалогов с пользователем. Существуют и задачи, в которых применение объектного подхода ни к чему, кроме излишних затрат труда, не приведет. В связи с этим наибольшее распространение получили объектно-ориентированные языки программирования, позволяющие сочетать объектный подход с другими методологиями. В некоторых языках и системах программирования применение объектного подхода ограничивается средствами интерфейса с пользователем (например, Visual FoxPro ранних версий). Наиболее используемыми в настоящее время объектно-ориентированными языками являются Паскаль с объектами и Си++, причем наиболее развитые средства для работы с объектами содержатся в Си++. Практически все объектно-ориентированные языки программирования являются развивающимися языками, их стандарты регулярно уточняются и расширяются. Следствием этого развития являются неизбежные различия во входных языках компиляторов различных систем программирования. .Наиболее распространенными в настоящее время являются системы программирования Microsoft C++ , Microsoft Visual C++ и системы программирования фирмы Borland International. Дальнейший материал в данном пособии излагается применительно к системе программирования Borland C++. Это связано прежде всего наличием в этой системе программирования развитой интегрированной среды, объединяющей текстовый редактор, компилятор, редактор связей (компоновщик) и отладочные средства.

В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных. При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать информацию от компьютера. В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал реляционный (процедурный, функциональный и т.п.) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС. В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов. С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов): объекты модельного (вещественного или умственного) мира, информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами), объекты процесса выполнения программ, объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования). Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой. Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические (“объектные”) черты: использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы, декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС, использование вне программных абстракций для упрощения процессов разработки, предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций. Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.