 |
|
Объектно-ориентированное программирование
Задачи, решаемые программистами, становятся все объемнее, поэтому новые методы программирования развиваются в сторону упрощения разработки и поддержания сложных программных продуктов. Основное направление развития – попытка приблизить программу, как реализацию алгоритма, к моделируемой области.
Паскаль позволяет обрабатывать сложные структуры данных: числа, символы, массивы, строки, множества, файлы и записи. Это обеспечивается таким свойством языка, как возможность описания комплексных совокупностей различных базовых типов. Запись, например, позволила создавать программы по формированию и обработке файлов записей различной структуры – баз данных. Алгоритмы обработки информационных полей записей формируются в виде процедур и функций, что позволяет создавать достаточно эффективные программы. Однако зачастую, обрабатывая файлы записей, не удавалось реализовать алгоритмы обработки информационных полей небольшим количеством процедур, а сами процедуры сделать более наглядными. Это привело к необходимости появления таких конструкций, которые бы характеризовались не только информационным составом, но и методами обработки информационных полей. Была создана высшая абстракция данных – объекты и новая технология программирования – объектно-ориентированное программирование.
Объектно-ориентированное программирование (ООП) является воплощением такого подхода и делает возможным построение алгоритма, исходя из описания объектов решаемой задачи. То есть основой программы становятся объекты, являющиеся отображением объектов описываемой модели. Далее, на основе сконструированных объектов описываются связи между ними, в результате чего получается полное описание модели. В отличие от аналогичного описания через переменные и процедуры, разбросанные по разным частям программы, объектное описание модели в программе намного нагляднее, что существенно упрощает работу с моделью. Использование таких возможностей ООП, как наследование и полиморфизм приводит как к более ясному описанию самих объектов, так и к удобству их использования в программе. Объектно-ориентированный подход к ее разработке позволяет провести ее сверху вниз, описывая предметную область на языке программирования, а не снизу вверх, создавая множество программных модулей и соединяя их для получения конечного описания модели.
Таким образом, объектно-ориентированное программирование – самая передовая технология современного программирования. Она является логическим продолжением структурного и модульного программирования. На определенном этапе развития программирования пришло понимание, что всякую сложную задачу для облегчения ее решения полезно разделить на простые подзадачи. Подпрограммы избавили программистов от необходимости вникать в подробности реализации простейших задач: после того, как соответствующая подпрограмма создана, ею можно пользоваться, не зная, как она устроена. Необходимо только быть в курсе, что делает та или иная процедура или функция. Позже эта идея получила дальнейшее развитие. Речь идет о концепции модулей.
Модуль – это отдельно компилируемый файл Паскаля, в котором могут содержаться описания констант, переменных, типов данных, структур, а также процедур и функций. ООП – результат естественной эволюции более ранних методологий программирования. Подобно тому, как подпрограмма позволяет программисту не вникать в подробности реализации простейших задач, с помощью ООП можно манипулировать данными, не зная, как эти данные организованы.
В основе объектно-ориентированного программирования лежат понятия объекта, инкапсуляции, наследования и полиморфизма.
Объекты – это сложные структуры данных, которые взаимодействуют друг с другом и окружающим миром, моделируя состояние и взаимодействие объектов реального мира. Объекты напоминают записи: они тоже включают в себя разнотипные поля. Но кроме полей, они включают процедуры и функции, использующие эти поля как глобальные параметры, то есть определяющие поведение объекта.
Инкапсуляция – это соединение данных и подпрограмм их обработки в единой структурной единице, защищающее эти данные от некорректного использования. Эта структурная единица, как уже было сказано, является сложным описанием, задающим тип (он называется классом). Она позволяет использовать переменные данного класса – объекты. Представление данных скрывается внутри объектов, и они напрямую (непосредственно) недоступны пользователю. Доступ к ним (инициализация, изменение) возможен только с помощью специальных подпрограмм, образующих интерфейс класса. Это позволяет отделить использование операций от их реализации и упрощает программирование. Мы сталкивались с такой ситуацией в модулях, когда интерфейс и реализация подпрограмм модуля разъединены – интерфейс (Interface) открыт пользователям, а реализация подпрограмм – их текст (Implementation) – закрыт. Подпрограммы обработки данных объекта (методы) становятся такими же компонентами объекта, как и сами данные (поля). Это позволяет наделять объекты собственным поведением, реализуя их взаимодействие путем вызова интерфейсных подпрограмм.
Наследование состоит в том, что при определении нового класса (потомка) может быть использован другой, ранее определенный класс (предок). Наследование позволяет использовать (наследовать) поля и методы класса-родителя, не переопределяя их в классе-потомке. В нем обычно добавляются новые поля и связанные с ними методы, а также переопределяются некоторые методы класса-родителя. Наследование позволяет строить и использовать иерархию классов. От библиотек подпрограмм, характерных для ранних стадий развития программирования, мы переходим к библиотекам классов.
Инкапсуляция и наследование обеспечивают свойство полиморфизма операций над объектами – способ выполнения операции, определенный для класса-родителя, можно изменить в классе-потомке, но реализовать методом с тем же именем. То есть полиморфизм – это существование различных реализаций одной и той же операции над данными для объектов разных классов в одной иерархии объектов. Он позволяет использовать один и тот же интерфейс для разных классов, не вникая в различия реализации операций, скрытых в классах.
Пример: создать программу, рисующую на экране точку (используется модуль Graph) и перемещающую ее на некоторое расстояние.
Program Tochka;
Uses CRT, Graph;
Var x, y, dx, dy: Word;
driver, regim: Integer;
Begin
driver:=detect;автоопределение графического драйвера
InitGraph(Driver,Regim,'C:\BP\BGI');инициализация графическогорежима
SetBkColor(1);цвет фона - синий
ClearDevice;очистка экрана
SetColor(14);цвет фигур - желтый
x:=100;x и y – координаты точки
y:=150;
dx:=50; dx и dy – шаги по координатам
dy:=100;
PutPixel(x,y,14);рисуем точку желтым цветом
Delay(1000);задержка 1 сек
PutPixel(x,y,1);там же рисуем точку цветом фона
x:=x + dx;делаем шаг по координатам
y:=y + dy;
PutPixel(x,y,14);рисуем желтую точку на новом месте
Delay(1000);
ReadLn;
CloseGraph;закрываем графический режим
End.
Эта программа создана классическими методами с использованием переменных и процедур для работы с графическими объектами.
Создадим объект, включающий:
поляx и y – его координаты,
методыInit – инициализация – задание начальных значений координат,
Show – появление объекта на экране,
Hide – скрытие объекта,
Move – перемещение объекта на один шаг по координатам.
Поля объекта называются его свойствами. Для описания объектов в Паскале используется специальный тип Object:
Program Tochka;
Uses CRT, Graph;
Type TPix = Object
x, y: Word;координаты точки
Procedure Init(a, b: Word);инициализация объекта:aиb –его начальные координаты
Procedure Show;появление объекта
Procedure Hide;скрытие объекта
Procedure Move(da, db: Word);перемещение объекта: daиdb –шаги по координатам
End;
Procedure TPix.Init;инициализация
Begin
x:=a; xиy –глобальные переменные
y:=b; aиb –входные переменные(формальные параметры) – начальные координаты объекта
End;
Procedure TPix.Show; появление
Begin
PutPixel(x,y,14);помещаем желтую точку по координатамxиy
End;
Procedure TPix.Hide; скрытие
Begin
PutPixel(x,y,1); помещаем синюю (цвет фона) точку по координатамxиy
End;
Procedure TPix.Move;перемещение
Begin
Hide;скрытие
x:=x + da;изменение координат
y:=y + db; xиy –глобальные переменные
daиdb –входные переменные(формальные параметры) – шаги по координатам
Show;появление
End;
Var x0, y0, dx, dy: Word;
driver, regim: Integer;
pixel: TPix; создаем экземпляр объекта – переменную pixel
Begin
driver:=detect;автоопределение графического драйвера
InitGraph(Driver,Regim,'C:\BP\BGI');инициализация графическогорежима
SetBkColor(1);цвет фона - синий
ClearDevice;очистка экрана
SetColor(14);цвет фигур - желтый
x0:=100; x0 и y0 – начальные координаты точки
y0:=150;
dx:=50; dx и dy – шаги по координатам
dy:=40;
pixel.Init(x0, y0); инициализация точки: задаем начальные координаты точки
pixel.Show; выводим точку на экран по заданным координатам
Delay(1000); пауза в 1 сек
Pixel.Move(dx, dy); перемещаем точкуна dx,dy
Delay(1000); пауза в 1 сек
ReadLn;
CloseGraph;закрываем графический режим
End.
Таким образом:
1. в объекте TPix объединены описания его полей (свойств) и методов – инкапсуляция,
2. доступ к свойствам объекта возможен только через его методы; непосредственное обращение к полям противоречит принципам объектно-ориентированного программирования!
3. поведение объекта полностью определяется его методами Init, Show, Hide, Move,
4. поля (свойства) объекта являются глобальными параметрами для его процедур (методов), поэтому их не надо передавать в эти процедуры через формальные параметры,
5. перед началом работы с экземпляром объекта (точкой) необходима его инициализация – задание начальных координат точки.
Рассмотрим понятие наследования: используя объект TPix, создадим объект TRing для рисования и перемещения окружности, добавив в новый объект поле rad – радиус окружности и переопределив для нее методы Init, Show, Hide, доставшиеся от родительского типа. Это означает, что в обоих типах будут использованы методы с одними и теми же именами, но с различной реализацией.Поля x и y новый объект унаследует от старого – это будут координаты центра окружности:
Type TRing = Object (TPix) объект TRing – потомокобъекта TPix
rad: Word;радиус окружности
Procedure Init(a, b, r: Word);инициализация объекта:aиb –координатыего центра, r – его радиус
Procedure Show;появление объекта
Procedure Hide;скрытие объекта
End;
Procedure TRing.Init;переопределеннаяинициализация
Begin
x:=a; x, y, rad –глобальные переменные
y:=b; a, b, r –входные переменные(формальные параметры) –координаты центра объекта и его радиус
rad:=r;
End;
Procedure TRing.Show; переопределенноепоявление
Begin
SetColor(14); цвет фигуры - желтый
Circle(x,y,rad);помещаем желтую окружность по координатамxиy
End;
Procedure TRing.Hide; переопределенноескрытие
Begin
SetColor(1); цвет фигуры – синий (цвет фона)
Circle(x,y,rad);помещаем синюю окружность по координатамxиy
End;
Далее поместим головную программу:
Var x0, y0, dx, dy, radius: Word;
driver, regim: Integer;
ring: TRing; создаем экземпляр объекта – переменную ring
Begin
driver:=detect;автоопределение графического драйвера
InitGraph(Driver,Regim,'C:\BP\BGI');инициализация графическогорежима
SetBkColor(1);цвет фона - синий
ClearDevice;очистка экрана
SetColor(14);цвет фигур - желтый
x0:=100; x0 и y0 – начальные координаты центра окружности
y0:=150;
dx:=50; dx и dy – шаги по координатам
dy:=40;
radius:=10; радиус окружности
ring.Init(x0, y0, radius); инициализация окружности: задаем начальные координаты ее центра и радиус
ring.Show; выводим окружность на экран по заданным координатам
Delay(1000); пауза в 1 сек
ring.Move(dx, dy); перемещаем окружностьна dx,dy
Метод ring.Move не был определен при описании объекта TRing, поэтому будет вызван метод родительского объекта pixel.Move – на экране переместится точка, а не окружность.
Таким образом, если метод объекта-предка не переопределен в объекте-потомке, то будет работать метод объекта-предка.
Вспомним описание этого метода:
Procedure TPix.Move;перемещение
Begin
Hide;скрытие
x:=x + da;изменение координат
y:=y + db;
Show;появление
End;
Можно заметить, что метод Move обращается к методам Show и Hide. Смысл этих обращений очевиден: сначала объект делается невидимым на экране (вызывается метод Hide), задаются его новые координаты, и он снова делается видимым (вызывается метод Show). Что произойдет, если метод Move использовать в программе одновременно с двумя экземплярами различных объектов: pixel и ring?
Метод Move наследуется объектом TRing от объекта TPix, а методы Hide и Show, поскольку сокрытие и показ окружности на экране осуществляются не так, как точки, в объекте TRing переопределяются с добавлением новой глобальной переменной rad и заданием цвета фигуры. Для точки при этом никаких осложнений не возникнет, поскольку все вызываемые методы Init, Show и Hide являются для нее родными.
Что касается окружности, то при вызове метода Ring.Move система пытается обнаружить метод с таким же именем в описании объекта TRing, и, не найдя его, продолжает поиски в объекте-предке TPix. В результате имеет место обращение к методу предка pixel.Move. После этого из метода Move вроде бы должны быть вызваны переопределенные методы ring.Hide и ring.Show. Однако этого не происходит: из унаследованного метода pixel.Move экземпляр объекта ring вместо ring.Hide и ring.Show вызывает одноименные методы объекта TPix: pixel.Hide и pixel.Show.
Это объясняется тем, что методы pixel.Move, pixel.Hide и pixel.Show жестко связаны, поскольку они были откомпилированы в едином контексте – объектном типе TPix. Другими словами, связь между этими методами, которая была установлена при компиляции, имеет статический характер. Поэтому в этом случае будет перемещаться точка, а не окружность.
Как сделать так, чтобы методы Hide и Show вызывались в зависимости от того, экземпляр какого объекта обращался к методу Move?
В этом случае используется механизм динамического (позднего) связывания – в отличие от статического (раннего) связывания. Указанный механизм реализуется с помощью виртуальных методов: заголовок виртуального метода в описании объекта-предка дополняется словом Virtual:
Procedure TPix.Show;Virtual;
Procedure TPix.Hide;Virtual;
Если в потомках этого объектного типа имеются переопределенные методы (методы с тем же именем), то они тоже должны быть объявлены в описании этих потомков как виртуальные и при этом иметь тот же набор формальных параметров, что и метод объекта-предка:
Procedure TRing.Show;Virtual;
Procedure TRing.Hide;Virtual;
В данном случае методы инициализации и перемещения объектов виртуальными не объявляются!В методах же инициализации экземпляров объектов Init вместо слова Procedure используется слово Constructor:
a) для объекта Tpix :
Constructor Init(a, b: Word);
. . . . . . . . . . .
Constructor TPix.Init;
Begin
x:=a;
y:=b;
End;
b) для объекта Tring :
Constructor Init(a, b, r: Word);
. . . . . . . . . . .
Constructor TRing.Init;
Begin
x:=a;
y:=b;
rad:=r;
End;
Теперь при использовании динамического связывания один и тот же метод Move будет работать по-разному (перемещает точку или окружность) – в зависимости от того, какой объект его вызывает. Именно это свойство объектов называется полиморфизмом.
Таким образом, если в объектном типе имеется хотя бы один виртуальный метод, то в нем также должен быть описан и специальный метод, известный как конструктор, который применяется к экземпляру объекта до первого обращения к виртуальному методу. В силу этого конструктор обычно представляет собой метод, задающий для объекта некоторые начальные значения, то есть выполняющий его инициализацию.
Для каждого объекта, содержащего виртуальные методы, в оперативной памяти создается таблица виртуальных методов. Эта таблица содержит указатели на код, соответствующий каждому виртуальному методу, определенному в типе. Связь между экземпляром объекта и его таблицей виртуальных методов устанавливается как раз с помощью конструктора.
Итак, для каждого типа объекта (класса объектов) создается только одна таблиц виртуальных методов, а отдельные экземпляры объекта содержат только адрес этой таблицы. Значение этого адреса и устанавливается процедурой, называемой конструктором. В ней вместо слова Procedure используется слово Constructor.
Таким образом:
· конструктор определяется в каждом объектном типе, имеющем виртуальные методы,
· конструктор должен вызываться для каждого экземпляра объекта до вызова виртуальных методов,
· конструктор, помимо описанных в нем действий, устанавливает связь между объектом и таблицей виртуальных методов, содержащей адреса кодов, которые реализуют виртуальные методы,
· сам конструктор виртуальным быть не может.
Доступ к полям объекта рекомендуется осуществлять не напрямую, а только с помощью методов. Такой подход гарантирует корректное использование данных объекта и их защиту от нежелательного доступа, который может повлечь непредсказуемые последствия. Поэтому поля и методы в описании объектного типа могут быть объявлены как скрытыми, так и общедоступными. Соответствующие разделы в описании объекта открываются директивами Private и Public:
Type TRing = Object (TPix) объект TRing – потомокобъекта TPix
Private скрытые
rad: Word;радиус окружности
Public общедоступные
Constructor Init(a, b, r: Word);инициализация объекта:aиb –координатыего центра, r – его радиус
Private скрытые
Procedure Show;появление объекта
Procedure Hide;скрытие объекта
End;
Скрытыми объявлены: поле rad, процедуры Show и Hide. Общедоступен конструктор Init. Каждая очередная директива Private и Public отменяет действие предыдущей. Если в описании типа указанных директив вообще нет, то все поля и методы считаются общедоступными.
Поля и методы объекта, объявленные после директивы Private, будут доступны только в пределах данной программы или модуля, то есть автору этой программы. Однако если этот объект содержится в подключенном к программе модуле, имена скрытых полей и методов окажутся для программиста недоступными. При этом сам объект будет полностью открыт для использования.
Полная программа, использующая два объектных типа TPix и TRing, свойства инкапсуляции, наследования, полиморфизма, виртуальные методы и конструкторы, может выглядеть так:
Program Pix_And_Ring;
Uses CRT, Graph;
Type TPix = Object
Private
x, y: Word;координаты точки
Public
Constructor Init(a, b: Word);инициализация объекта:aиb –его начальные координаты
Private
Procedure Show; Virtual;появление объекта
Procedure Hide; Virtual;скрытие объекта
Public
Procedure Move(da, db: Word);перемещение объекта: daиdb –шаги по координатам
End;
Constructor TPix.Init;инициализация
Begin
x:=a; xиy –глобальные переменные
y:=b; aиb –входные переменные(формальные параметры) – начальные координаты объекта
End;
Procedure TPix.Show; появление
Begin
PutPixel(x,y,14);помещаем желтую точку по координатамxиy
End;
Procedure TPix.Hide; скрытие
Begin
PutPixel(x,y,1); помещаем синюю (цвет фона) точку по координатамxиy
End;
Procedure TPix.Move;перемещение
Begin
Hide;скрытие
x:=x + da;изменение координат
y:=y + db; xиy –глобальные переменные
daиdb –входные переменные(формальные параметры) – шаги по координатам
Show;появление
End;
Type TRing = Object (TPix) объект TRing – потомокобъекта TPix
Private
rad: Word;радиус окружности
Public
Constructor Init(a, b, r: Word);инициализация объекта:aиb –координатыего центра, r – его радиус
Private
Procedure Show; Virtual;появление объекта
Procedure Hide; Virtual;скрытие объекта
End;
Constructor TRing.Init;переопределеннаяинициализация
Begin
x:=a; x, y, rad –глобальные переменные
y:=b; a, b, r –входные переменные(формальные параметры) –координаты центра объекта и его радиус
rad:=r;
End;
Procedure TRing.Show; переопределенноепоявление
Begin
SetColor(14); цвет фигуры - желтый
Circle(x,y,rad);помещаем желтую окружность по координатамxиy
End;
Procedure TRing.Hide; переопределенноескрытие
Begin
SetColor(1); цвет фигуры – синий (цвет фона)
Circle(x,y,rad);помещаем синюю окружность по координатамxиy
End;
Var x0, y0, dx, dy, radius: Word;
driver, regim: Integer;
pixel: TPix; создаем экземпляр объекта TPix – переменную pixel
ring: TRing; создаем экземпляр объекта TRing – переменную ring
Begin
driver:=detect;автоопределение графического драйвера
InitGraph(Driver,Regim,'C:\BP\BGI');инициализация графическогорежима
SetBkColor(1);цвет фона - синий
ClearDevice;очистка экрана
SetColor(14);цвет фигур - желтый
x0:=100; x0 и y0 – начальные координаты центра окружности
y0:=150;
dx:=50; dx и dy – шаги по координатам
dy:=40;
radius:=10; радиус окружности
ring.Init(x0, y0, radius); инициализация окружности: задаем начальные координаты ее центра и радиус
ring.Show; выводим окружность на экран по заданным координатам
Delay(1000); пауза в 1 сек
ring.Move(dx, dy); перемещаем окружностьна dx,dy
x0:=200; x0 и y0 – начальные координаты точки
y0:=250;
dx:=80; dx и dy – шаги по координатам
dy:=50;
pixel.Init(x0, y0); инициализация точки: задаем начальные координаты точки
pixel.Show; выводим точку на экран по заданным координатам
Delay(1000); пауза в 1 сек
Pixel.Move(dx, dy); перемещаем точкуна dx,dy
Delay(1000); пауза в 1 сек
ReadLn;
CloseGraph;закрываем графический режим
End.
Приложение 1