Основные понятия объектно-ориентированного программирования

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена основным понятиям объектно-ориентированного программирования.

Цель курсовой работы заключается в изучении основных понятий объектно-ориентированного программирования

Исторически сложилось так, что программирование возникло и развивалось как процедурное программирование, которое предполагает, что основой программы является алгоритм, процедура обработки данных. Объектно-ориентированное программирование - это методика разработки программ, в основе которой лежит понятие объекта как некоторой структуры, описывающей объект реального мира, его поведение. Задача, решаемая с использованием методики объектно-ориентированного программирования, описывается в терминах объектов и операций над ними, а программа при таком подходе представляет собой набор объектов и связей между ними. Другими словами можно сказать, что объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который весьма близко напоминает наше поведение. Оно является естественной эволюцией более ранних нововведений в разработке языков программирования. Объектно-ориентированное программирование является более структурным, чем все предыдущие разработки, касающиеся структурного программирования. Оно также является более модульным и более абстрактным, чем предыдущие попытки абстрагирования данных и переноса деталей программирования на внутренний уровень.

Использование объектно-ориентированного программирования является хорошим решением при разработке крупных программных проектов. Чем проект объемнее и сложнее, тем больше выгоды вы получите при использовании объектно-ориентированной технологии программирования. Одним из наибольших преимуществ объектно-ориентированного программирования является возможность многократного использования программного кода. Если вы, к примеру, создали класс, то можете порождать от него новые классы и изменять их свойства и функциональное назначение

Объектно-ориентированное программирование требует оставить в стороне характерные представления о программировании, которые долгие годы рассматривались как стандартные. Однако после того, как это сделано, объектно-ориентированное программирование становится простым, наглядным и превосходным средством разрешения многих проблем, которые доставляют неприятности традиционному программному обеспечению

Для осуществления обозначенной цели служат следующие задачи:

1. Изучение объектно-ориентированного-программирования-.
2. Получение знаний о классификации подвидов ООП.
3. Изучение истории создания ООП.
4. Получение знаний об основных понятиях ООП.
5. Объектно-ориентированное программирование (ООП)

Объектно-ориентированное программирование (ООП) — методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

Идеологически ООП — подход к программированию как к моделированию информационных объектов, решающий на новом уровне основную задачу структурного программирования: структурирование информации с точки зрения управляемости, что существенно улучшает управляемость самим процессом моделирования, что в свою очередь особенно важно при реализации крупных проектов. Управляемость для иерархических систем предполагает минимизацию избыточности данных (аналогичную нормализации) и их целостность, поэтому созданное удобно управляемым — будет и удобно пониматься. Таким образом, через тактическую задачу управляемости решается стратегическая задача — транслировать понимание задачи программистом в наиболее удобную для дальнейшего использования форму.

Основные принципы структурирования в случае ООП связаны с различными аспектами базового понимания предметной задачи, которое требуется для оптимального управления соответствующей моделью:

- абстрагирование для выделения в моделируемом предмете важного для решения конкретной задачи по предмету, в конечном счете — контекстное понимание предмета, формализуемое в виде класса;

- инкапсуляция для быстрой и безопасной организации собственно иерархической управляемости: чтобы было достаточно простой команды «что делать», без одновременного уточнения как именно делать, так как это уже другой уровень управления;

- наследование для быстрой и безопасной организации родственных понятий: чтобы было достаточно на каждом иерархическом шаге учитывать только изменения, не дублируя все остальное, учтенное на предыдущих шагах;

- полиморфизм для определения точки, в которой единое управление лучше распараллелить или наоборот — собрать воедино.

То есть фактически речь идет о прогрессирующей организации информации согласно первичным семантическим критериям: «важное/неважное», «ключевое/подробности», «родительское/дочернее», «единое/множественное». Прогрессирование, в частности, на последнем этапе дает возможность перехода на следующий уровень детализации, что замыкает общий процесс.

Обычный человеческий язык в целом отражает идеологию ООП, начиная с инкапсуляции представления о предмете в виде его имени и заканчивая полиморфизмом использования слова в переносном смысле, что в итоге развивает выражение представления через имя предмета до полноценного понятия-класса.

1.1.Классификация подвидов ООП

Лука Карделлии Мартин Абади построили теоретическое обоснование ООП и классификацию на основе этого обоснования. Они отмечают, что выделенные ими понятия и категории вместе встречаются далеко не во всех ОО-языках, большинство языков поддерживают лишь подмножества теории, а порой и своеобразные отклонения от неё.

Ключевые понятия:

квантификация переменных типа (универсальная, экзистенциальная, ограниченная);

под типизация (англ. subtyping — отношения «супер тип-подтип»);

включение (англ. subsumption — см. принцип подстановки Барбары Лисков) — частный случай под типизации— см. под типизация на записях;

объектный тип (фактически, специальная форма «записи», в число полей которой входят функции первого класса);

Класс описывает абстрактное поведение. Объектные типы строятся на основе класса посредством добавления различных приватных полей и методов. Объект (то есть значение объектного типа, традиционно называемое «экземпляром класса») порождается конструктором на основе начальных параметров.

Традиционно перечисляемые основные принципы ООП не апеллируют к данному теоретическому обоснованию, а являются устоявшимися в сообществе догмами (что приводит к сильному разбросу вариантов изложения в разных источниках).

По большей части они относятся к языкам — потомкам Алгола и Симулы; в меньшей степени — к потомкам Smalltalk (в частности, часто упоминаемый принцип сокрытия в потомках Smalltalk семантически недоступен и идеологически считается несущественным). В значительно большей степени теоретически обоснованные концепции ООП поддерживают ОО-языки, развившиеся на поприще функционального программирования: OCaml, диалекты Haskell (O’Haskell, Mondrian), successor ML. Более того, основные идеи объектного моделирования в этом случае не требуют прямой поддержки со стороны языка, а могут быть сравнительно легко эмулированы.

Наиболее заметные отличия в проявлении показателей качества между языками разных видов:

В мейнстримных языках декларируемые принципы нацелены на повышение изначально низкого для императивного программирования коэффициента повторного использования кода.

В полиморфно типизированных применение концепций ООП, напротив, означает очевидное его снижение из-за перехода от параметрического полиморфизма к ad hoc полиморфизму.

В динамически типизированных языках (Smalltalk, Python, Ruby) эти принципы используются для логической организации программы, и их влияние на коэффициент повторного использования трудно спрогнозировать — он сильно зависит от дисциплины программиста. Например, в CLOS мульти методы одновременно являются функциями первого класса, что позволяет рассматривать их одновременно и как связанно квантифицированные, и как обобщённые (истинно полиморфные).

Традиционные ОО-языки используют номинативную типизацию, то есть допустимость со использования объектов разных классов только при условии явного указания родственных отношений между классами.

Для полиморфно типизированных языков характерна структурная типизация, то есть согласование классов между собой тем же механизмом, что и согласование числа 5 с типом int. Динамически типизированные языки также занимают здесь промежуточную позицию.

Обобщённое обоснование динамической диспетчеризации(включая множественную) в середине 1990-х годов построил Джузеппе Кастанья

1.2.История

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны.

Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование, КОП).

«Термины «объектно» и «ориентированный» в современном смысле этих слов появились в MIT в конце 1950 начале 1960 годов. В среде специалистов по искусственному интеллекту термин «объект» мог относиться к идентифицированным элементам (атомы Lisp) со свойствами (атрибутами).

Алан Кэй позже писал, что понимание внутреннего устройства Лиспа оказало серьезное влияние на его мышление в 1966 г. Другим ранним примером ООП в MIT был Sketchpad созданный Иваном Сазерлендом в 1960-61.

В глоссарии подготовленного в 1963 г. технического отчета, основанного на его диссертации о Sketchpad, Сазерленд определяет понятия «объект» и «экземпляр» с концепцией классов на основе «мастера» или «определения», хотя все эти термины относились к графическому представлению объектов [вкратце, в Sketchpad было основное изображение, на основе которого строились копии. При изменении основного – копии тоже менялись.

В ранней MIT-версии ALGOL AED-0 структуры данных («плексы» на диалекте Алгола) напрямую были связаны с процедурами, которые впоследствии были названы сообщениями, методами или функциями-членами.

Объекты, как формализованный концепт появились в программировании в 1960-х в Simula 67, модернизированной версии Simula I, языка программирования, ориентированного на дискретно-событийное моделирование.

Авторы Simula — Оле-Йохан Даль и Кристен Нюгорд из Норвежского компьютерного центра в Осло. Simula разрабатывалась под влиянием SIMSCRIPT и предложенной Чарльзом Хоаром концепцией записей-классов. Simula включала в себя понятие классов и экземпляров (или объектов), а также подклассов, виртуальных методов, сопрограмм и дискретно-событийное моделирование как часть собственной парадигмы программирования.

В языке использовался автоматический сборщик мусора, который был изобретен ранее для функционального языка Lisp. Simula использовалась тогда преимущественно для физического моделирования. Идеи Simula оказали серьезное влияние на более поздние языки, такие как Smalltalk, варианты Lisp (CLOS), Object Pascal, и C++.

Язык Smalltalk, который был изобретен в компании Xerox PARC Аланом Кэем (Alan Kay) и некоторыми другими учеными, фактически навязывал использование «объектов» и «сообщений» как базиса для вычислений. Создателей Smalltalk вдохновляли некоторые идеи Simula, но Smalltalk разрабатывался как полностью динамичная система, в которой классы могут создаваться и изменяться динамически, а не только статически как в Simula. Smalltalk и ООП с его помощью были представлены широкой аудитории в журнале Byte magazine в августе 1981.

В 1970-х Smalltalk Кэя сподвиг сообщество Lisp внедрить в язык объектно-ориентированные техники, которые были представлены разработчикам с помощью Lisp машины.

Эксперименты с различными расширениями Lisp в конечном итоге привели к созданию Common Lisp Object System (CLOS, части первого стандартизованного объектно-ориентированного языка, ANSI Common Lisp), который органично включал в себя как функциональное, так и объектно-ориентированное программирование и позволял расширять себя с помощью протокола Meta-object protocol. В 1980 было несколько попыток дизайна архитектур процессоров, которые включали бы в себя аппаратную поддержку работы с объектами в памяти, но все они были безуспешны. В качестве примеров можно привести Intel iAPX 432 и Linn Smart Rekursiv.

Объектно-ориентированное программирование развилось в доминирующую методологию программирования в начале и середине 1990 годов, когда стали широко доступны поддерживающие ее языки программирования, такие как Visual FoxPro 3.0, C++, и Delphi. Доминирование этой системы поддерживалось ростом популярности графических интерфейсов пользователя, которые основывались на техниках ООП.

Пример тесной связи между динамической библиотекой GUI и объектно-ориентированного языка программирования можно найти посмотрев на Фреймворк Cocoa на Mac OS X, который был написан на Objective-C, объектно-ориентированом расширении к C#, основанном на Smalltalk с поддержкой динамических сообщений.

Инструментарии ООП повлияли на популярность событийно-ориентированного программирования (хотя, эта концепция не ограничивается одним ООП).

Некоторые даже думали, что кажущаяся или реальная связь с графическими интерфейсами – это то, что вынесло ООП на передний план технологий.

В ETH Zürich, Никлаус Вирт и его коллеги тоже исследовали такие предметы, как абстрация данных и модульное программирование, хотя эти подходы широко использовались и в 60-х и ранее. Modula-2 вышедшая в 1978 включала оба эти подхода, а ее последователь Oberon имел собственный подход к объектно-ориентированности, классам и прочему, непохожий на подход Smalltalk и совсем не похожий на подход C++.

Возможности ООП добавлялись во многие языки того времени, включая Ada, BASIC, Fortran, Pascal и другие. Их добавление в языки, изначально не разрабатывавшиеся для поддержки ООП часто приводило к проблемам с совместимостью и поддержкой кода.

Позднее стали появляться языки, поддерживающие как объектно-ориентированный подход, так и процедурный вроде Python и Ruby. Пожалуй, самыми коммерчески успешными объектно-ориентированными языками можно назвать Visual Basic.NET, C# и Java. И .NET и Java демонстрируют превосходство ООП.

1. Основные понятия

1.Абстракция данных

2.Инкапсуляция

3.Наследование

4.Полиморфизм подтипов

5.Класс

6.Объект

2.1. Абстрагирование данных.

Абстракция в объектно-ориентированном программировании — это придание объекту характеристик, которые чётко определяют его концептуальные границы, отличая от всех других объектов.

Основная идея состоит в том, чтобы отделить способ использования составных объектов данных от деталей их реализации в виде более простых объектов, подобно тому, как функциональная абстракция разделяет способ использования функции и деталей её реализации в терминах более примитивных функций, таким образом, данные обрабатываются функцией высокого уровня с помощью вызова функций низкого уровня. Это важный инструмент ООП наряду с полиморфизмом, наследованием и инкапсуляцией.

Абстракция является основой объектно-ориентированного программирования и позволяет работать с объектами, не вдаваясь в особенности их реализации.

Абстракция данных — популярная и в общем неверно определяемая техника программирования. Фундаментальная идея состоит в разделении несущественных деталей реализации подпрограммы и характеристик, существенных для корректного её использования.

Такое разделение может быть выражено через специальный «интерфейс», сосредотачивающий описание всех возможных применений программы.

Интерфейс  — программная/синтаксическая структура, определяющая отношение между объектами, которые разделяют определенное поведенческое множество и не связаны никак иначе. При проектировании классов, разработка интерфейса тождественна разработке спецификации (множества методов, который каждый класс, использующий интерфейс должен реализовывать).

Интерфейсы, наряду с абстрактными классами и протоколами, устанавливают взаимные обязательства между элементами программной системы, что является фундаментом концепции программирования по контракту (англ. design by contract (DbC). Интерфейс определяет границу взаимодействия между классами или компонентами, специфицируя определенную абстракцию, которую осуществляет реализующая сторона.

Интерфейс в ООП является строго формализованным элементом объектно-ориентированного языка и широко используется в исходном коде программ.

Интерфейсы позволяют наладить множественное наследование объектов и в то же время решить проблему ромбовидного наследования. В языке C++ она решается через наследование классов с использованием ключевого слова virtual.

Интерфейсы и абстрактные классы.

Можно заметить, что интерфейс, с формальной точки зрения, — это просто чистый абстрактный класс, то есть класс, в котором не определено ничего, кроме абстрактных методов. Если язык программирования поддерживает множественное наследование и абстрактные методы (как, например, C++), то необходимости во введении в синтаксис языка отдельного понятия «интерфейс» не возникает. Данные сущности описываются с помощью абстрактных классов и наследуются классами для реализации абстрактных методов.

Однако поддержка множественного наследования в полном объёме достаточно сложна и вызывает множество проблем, как на уровне реализации языка, так и на уровне архитектуры приложений. Введение понятия интерфейсов является компромиссом, позволяющим получить многие преимущества множественного наследования (в частности, возможность удобно определять логически связанные наборы методов в виде сущностей, подобных классам и допускающих наследование и реализацию), не реализуя его в полном объёме и не сталкиваясь, таким образом, с большинством связанных с ним трудностей.

На уровне исполнения классическая схема множественного наследования вызывает дополнительный ряд неудобств:

• если объект может параллельно наследовать n классов, существует n независимых способов к нему обращаться, а значит должно существовать (n — 1) дополнительных указателей на него; с точки зрения автоматического управления памятью это будет означать, что возникают ссылки, указывающие в середину объекта;
• поддержка виртуальных вызовов подразумевает, что в объекте хранится ссылка на его виртуальную таблицу, а в случае множественного наследования n ссылок; активное использовании множественного наследования сильно увеличит объём памяти, занимаемый каждым объектом (экземпляром).

Использование схемы с интерфейсами (вместо множественного наследования) позволяет отбросить эти проблемы, если не считать вопроса о вызове интерфейсных методов (то есть виртуальных вызовов методов при множественном наследовании, см. выше). Классическое решение состоит в том (например, в JVM для Java или CLR для C#), что интерфейсные методы вызываются менее эффективным способом, без помощи виртуальной таблицы: при каждом вызове сначала определяется конкретный класс объекта, а затем в нём ищется нужный метод (разумеется, с многочисленными оптимизациями).

Абстрактный класс в объектно-ориентированном программировании — базовый класс, который не предполагает создания экземпляров. Абстрактные классы реализуют на практике один из принципов ООП — полиморфизм. Абстрактный класс может содержать (и не содержать) абстрактные методы и свойства. Абстрактный метод не реализуется для класса, в котором описан, однако должен быть реализован для его неабстрактных потомков. Абстрактные классы представляют собой наиболее общие абстракции, то есть имеющие наибольший объём и наименьшее содержание.

В одних языках создавать экземпляры абстрактных классов запрещено, в других это допускается (например, Delphi), но обращение к абстрактному методу объекта этого класса в процессе выполнения программы приведёт к ошибке. Во многих языках допустимо объявить любой класс абстрактным, даже если в нём нет абстрактных методов (например, Java), именно для запрещения создания экземпляров. Абстрактный класс можно рассматривать в качестве интерфейса к семейству классов, порождённому им, но, в отличие от классического интерфейса, абстрактный класс может иметь определённые методы, а также свойства.

2.2.Инкапсуляция

Инкапсуляция (англ. encapsulation,от лат. incapsula) в информатике 

упаковка данных и функций в единый компонент.

Инкапсуляция зачастую рассматривается как понятие, присущее исключительно объектно-ориентированному программированию (ООП), но в действительности обширно встречается и в других (см. подтипизация на записях и полиморфизм записей и вариантов).

В ООП инкапсуляция тесно связана с принципом абстракции данных (не путать с абстрактными типами данных, реализации которых предоставляют возможность инкапсуляции, но имеют иную природу).

Это, в частности, приводит к другому распространённому заблуждению — рассмотрению инкапсуляции неотрывно от сокрытия. В частности, в сообществе С++ или Java принято рассматривать инкапсуляцию без сокрытия как неполноценную.

Однако, некоторые языки (например, Smalltalk, Python) реализуют инкапсуляцию в полной мере, но не предусматривают возможности сокрытия в принципе.

Другие (Standard ML, OCaml) жёстко разделяют эти понятия как ортогональные и предоставляют их в семантически различном виде.

В общем случае в разных языках программирования термин «инкапсуляция» относится к одной или обеим одновременно следующим нотациям:

• механизм языка, позволяющий ограничить доступ одних компонентов программы к другим;
• языковая конструкция, позволяющая связать данные с методами, предназначенными для обработки этих данных.

Пренебрегая формализмом и способствуя интуитивному восприятию, инкапсуляцию можно определить с помощью латинского in capsula — размещение в оболочке, изоляция, закрытие чего-либо инородного с целью исключения влияния на окружающее, обеспечение доступности главного, выделение основного содержания путём помещения всего мешающего, второстепенного в некую условную капсулу (чёрный ящик). Однако данное определение является лишь приближением.

Примеры.

Ada

package Stacks is

type Stack_Type is private;

procedure Push (Stack : in out Stack_Type; Val : Integer);

private

type Stack_Data is array (1 .. 100) of Integer;

type Stack_Type is record

Max : Integer := 0.3;

Data : Stack_Data;

end record;

end Stacks;

C++

class A

{

public:

int a, b; //данные открытого интерфейса

int ReturnSomething(); //метод открытого интерфейса

private:

int Aa, Ab; //скрытые данные

void Do_Something(); //скрытый метод

};

Класс А инкапсулирует свойства Aa, Ab и метод Do Something(), представляя внешний интерфейс Return Something, a, b.

C

Целью инкапсуляции является обеспечение согласованности внутреннего состояния объекта. В C# для инкапсуляции используются публичные свойства и методы объекта. Переменные, за редким исключением, не должны быть публично доступными. Проиллюстрировать инкапсуляцию можно на простом примере. Допустим, нам необходимо хранить вещественное значение и его строковое представление (например, для того, чтобы не производить каждый раз конвертацию в случае частого использования). Пример реализации без инкапсуляции таков:

class NoEncapsulation

{

public double ValueDouble;

public string ValueString;

}

При этом мы можем отдельно изменять как само значение Value, так и его строковое представление, и в некоторый момент может возникнуть их несоответствие (например, в результате исключения). Пример реализации с использованием инкапсуляции:

class EncapsulationExample

{

private double valueDouble;

private string valueString;

public double ValueDouble

{

get { return valueDouble; }

set

{

valueDouble = value;

valueString = value.ToString();

}

}

public string ValueString

{

get { return valueString; }

set

{

double tmp_value = Convert.ToDouble(value); //здесь может возникнуть исключение

valueDouble = tmp_value;

valueString = value;

}

}

}

Здесь доступ к переменным ValueDouble и ValueString возможен только через свойства Value Double и ValueString. Если мы попытаемся присвоить свойству ValueString некорректную строку и возникнет исключение в момент конвертации, то внутренние переменные останутся в прежнем, согласованном состоянии, поскольку исключение вызывает выход из процедуры.

Delphi

В Delphi для создания скрытых полей или методов их достаточно объявить в секции private.

TMyClass = class

private

FMyField: Integer;

procedure SetMyField(const Value: Integer);

function GetMyField: Integer;

public

property MyField: Integer read GetMyField write SetMyField;

end;

Для создания интерфейса доступа к скрытым полям в Delphi введены свойства.

PHP

class A

{

private $a; // скрытое свойство

private $b; // скрытое свойство

private function DoSomething() //скрытый метод

{

//actions

}

public function ReturnSomething() //открытый интерфейс

{

//actions

}

}

В этом примере закрыты свойства $a и $b для класса A с целью предотвращения повреждения этих свойств другим кодом, которому необходимо предоставить только права на чтение.

Java

class A {

private int a;

private int b;

private void doSomething() { //скрытый метод

//actions

}

public int getSomething() { //открытый метод

return a;

}

}

JavaScript

var A = function() {

// private

var _property;

var _privateMethod = function() { /* actions */ } // скрытый метод

// public

this.getProperty = function() { // открытый интерфейс

return _property;

}

this.setProperty = function(value) { // открытый интерфейс

_property = value;

_privateMethod();

}

}

или

var A = function() {

// private

var _property;

var _privateMethod = function() { /* actions */ } // скрытый метод

// public

return {

getProperty: function() { // открытый интерфейс

return _property;

},

setProperty: function(value) { // открытый интерфейс

_property = value;

_privateMethod();

}

}

}

• 1. Наследование

Наследование – это ещё одно базовое понятие объектно-ориентированного программирования. Наследование позволяет определять новые объекты, используя свойства прежних, дополняя или изменяя их.

Объект-наследник получает все поля и методы «родителя», к которым он может добавить свои собственные поля и методы или заменить («перекрыть») их своими методами. Пример описания объекта-наследника даётся ниже:

Tipe

Point = object(Location)

Visible: Boolean;

Procedure Int(IntX, IntY: Integer);

Procedure Show;

Procedure Hide;

Function IsVisible: Boolean;

Procedure MoveTo(NewX, NewY: Integer);

End;

Наследником здесь является объект Point, описывающий графическую точку, а родителем – объект Location. Наследник не содержит описание полей и методов родителя. Имя последнего указывается в круглых скобках после слова object. Из методов наследника можно вызывать методы родителя. Для создания наследника не требуется иметь исходный текст объекта родителя. Объект-родитель может быть уже в составе оттранслированного модуля.

В чём привлекательность наследования? Если некий объект был уже определён и отлажен, он может быть использован и в других программах. При этом может оказаться, что новая задача отличается от предыдущей, и возникает необходимость некоторой модификации, как данных, так и методов их обработки.

Программисту приходится решать дилемму – создания объектов заново или использовать результаты предыдущей работы, применяя механизм наследования.

Первый путь менее эффективен, так как требует дополнительных затрат времени на отладку и тестирование. Во втором случае часть этой работы оказывается выполненной, что сокращает время на разработку новой программы. Программист при этом может и не знать деталей реализации объекта-родителя.

В нашем примере к объекту, связанному с определением положения графического элемента, просто добавилось новое поле, описывающее признак видимости графической точки, и несколько новых методов, связанных с режимом отображения точки и её преобразованиями.

2.4.Полиморфизм подтипов

Полиморфизм — возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию. Язык программирования поддерживает полиморфизм, если классы с одинаковой спецификацией могут иметь различную реализацию — например, реализация класса может быть изменена в процессе наследования.

Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество реализаций». Полиморфизм — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с абстракцией, инкапсуляцией и наследованием).

Полиморфизм позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в систему, которую могут называть по-разному — интерфейс, класс. Общность имеет внешнее и внутреннее выражение: внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именем методов и типами аргументов и их количеством); внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы. Возможность приписывать разную функциональность одному методу (функции, операции) называется перегрузкой метода (перегрузкой функций, перегрузкой операций).

Формы полиморфизма.

Используя Параметрический полиморфизм можно создавать универсальные базовые типы. В случае параметрического полиморфизма, функция реализуется для всех типов одинаково и таким образом функция реализована для произвольного типа. В параметрическом полиморфизме рассматриваются параметрические методы и типы.

Параметрические методы.  Если полиморфизм включения влияет на наше восприятие объекта, то параметрические полиморфизм влияет на используемые методы, так как можно создавать методы родственных классов, откладывая объявление типов до времени выполнения. Для избежание написания отдельного метода каждого типа применяется параметрический полиморфизм, при этом тип параметров будет являться таким же параметром, как и операнды.

Параметрические типы. Вместо того, чтобы писать класс для каждого конкретного типа следует создать типы, которые будут реализованы во время выполнения программы, то есть мы создаем параметрический тип. Полиморфизм переопределения.  Абстрактные методы часто относятся к отложенным методам. Класс, в котором определен этот метод, может вызвать метод и полиморфизм обеспечивает вызов подходящей версии отложенного метода в дочерних классах. Специальный полиморфизм допускает специальную реализацию для данных каждого типа. Полиморфизм-перегрузка - это частный случай полиморфизма. С помощью перегрузки одно и то же имя может обозначать различные методы, причем методы могут различаться количеством и типом параметров, то есть не зависят от своих аргументов. Метод может не ограничиваться специфическими типами параметров многих различных типов.

2.5. Класс

Класс — это элемент ПО, описывающий абстрактный тип данных и его частичную или полную реализацию. Другие абстрактные типы данных — метаклассы, интерфейсы, структуры, перечисления, — характеризуются какими-то своими, другими особенностями. Наряду с понятием «объекта» класс является ключевым понятием в ООП (хотя существуют и бесклассовые объектно-ориентированные языки, например, Self, Lua; подробнее смотрите Прототипное программирование). Суть отличия классов от других абстрактных типов данных состоит в том, что при задании типа данных класс определяет одновременно как интерфейс, так и реализацию для всех своих экземпляров, а вызов метода-конструктора обязателен. Точный смысл этой фразы будет раскрыт ниже.

На практике объектно-ориентированное программирование сводится к созданию некоторого количества классов, включая интерфейс и реализацию, и последующему их использованию. Графическое представление некоторого количества классов и связей между ними называется диаграммой классов. Объектно-ориентированный подход за время своего развития накопил множество рекомендаций (паттернов) по созданию классов и иерархий классов.

Идея классов пришла из работ по базам знаний, имеющих отношение к исследованиям по искусственному интеллекту. Используемые человеком классификации в зоологии, ботанике, химии, деталях машин, несут в себе основную идею, что любую вещь всегда можно представить частным случаем некоторого более общего понятия. Конкретное яблоко — это в целом некоторое яблоко, вообще яблоко, а любое вообще яблоко — фрукт. Именно поэтому примеры классов в учебных пособиях по объектно-ориентированному программированию так часто упоминают яблоки и груши.

Классы и объекты, понятие экземпляра класса, понятие членов класса

В объектно-ориентированной программе с применением классов каждый объект является «экземпляром» некоторого конкретного класса, и других объектов не предусмотрено. То есть «экземпляр класса» в данном случае означает не «пример некоторого класса» или «отдельно взятый класс», а «объект, типом которого является какой-то класс». При этом в разных языках программирования допускается либо не допускается существование еще каких-то типов данных, экземпляры которых не являются объектами (то есть язык определяет, являются ли объектами такие вещи, как числа, массивы и указатели, или не являются, и, соответственно, есть ли такие классы как «число», «массив» или «указатель», экземплярами которых были бы каждое конкретное число, массив или указатель).

Например, абстрактный тип данных «строка текста» может быть оформлен в виде класса, и тогда все строки текста в программе будут являться объектами — экземплярами класса «строка текста».

При использовании классов все элементы кода программы, такие как переменные, константы, методы, процедуры и функции, могут принадлежать (а во многих языках обязаны принадлежать) тому или иному классу. Сам класс в итоге определяется как список своих членов, а именно полей (свойств) и методов/функций/процедур. В зависимости от языка программирования к этому списку могут добавиться константы, атрибуты и внешние определения.

Как и структуры, классы могут задавать поля — то есть переменные, принадлежащие либо непосредственно самому классу (статические), либо экземплярам класса (обычные). Статические поля существуют в одном экземпляре на всю программу (или, в более сложном варианте, — в одном экземпляре на процесс или на поток/нить). Обычные поля создаются по одной копии для каждого конкретного объекта — экземпляра класса. Например, общее количество строк текста, созданных в программе за время её работы, будет являться статическим полем класса «строка текста». А конкретный массив символов строки будет являться обычным полем экземпляра класса «строка текста», так же как переменная «фамилия», имеющая тип «строка текста», будет являться обычным полем каждого конкретного экземпляра класса «человек».

В ООП при использовании классов весь исполняемый код программы (алгоритмы) будет оформляться в виде так называемых «методов», «функций» или «процедур», что соответствует обычному структурному программированию, однако теперь они могут (а во многих языках обязаны) принадлежать тому или иному классу. Например, по возможности, класс «строка текста» будет содержать все основные методы/функции/процедуры, предназначенные для работы со строкой текста, такие как поиск в строке, вырезание части строки и т. д.

Как и поля, код в виде методов/функций/процедур, принадлежащих классу, может быть отнесен либо к самому классу, либо к экземплярам класса. Метод, принадлежащий классу и соотнесенный с классом (статический метод) может быть вызван сам по себе и имеет доступ к статическим переменным класса. Метод, соотнесенный с экземпляром класса (обычный метод), может быть вызван только у самого объекта, и имеет доступ как к статическим полям класса, так и к обычным полям конкретного объекта (при вызове этот объект передастся скрытым параметром метода). Например, общее количество созданных строк можно узнать из любого места программы, но длину конкретной строки можно узнать только указав, тем или иным образом, длину какой строки будем мерить.

Интерфейс и реализация, наследование реализации

В программировании существует понятие программного интерфейса, означающего перечень возможных вычислений, которые может выполнить та или иная часть программы, включая описание того, какие аргументы и в каком порядке требуется передавать на вход алгоритмам из этого перечня, а также что и в каком виде они будут возвращать. Абстрактный тип данных интерфейс придуман для формализованного описания такого перечня. Сами алгоритмы, то есть действительный программный код, который будет выполнять все эти вычисления, интерфейсом не задаётся, программируется отдельно и называется реализацией интерфейса.

Программные интерфейсы, а также классы, могут расширяться путём наследования, которое является одним из важных средств повторного использования готового кода в ООП. Наследованный класс или интерфейс будет содержать в себе всё, что указано для всех его родительских классов (в зависимости от языка программирования и платформы, их может быть от нуля до бесконечности).

Например, можно создать свой вариант текстовой строки путём наследования класса «моя строка текста» от уже существующего класса «строка текста», при этом предполагается, что программисту не придется заново переписывать алгоритмы поиска и прочее, так как они автоматически будут унаследованы от готового класса, и любой экземпляр класса «моя строка текста» может быть передан не только в готовые методы родительского класса «строка текста» для проведения нужных вычислений, но и вообще в любой алгоритм, способный работать с объектами типа «строка текста», так как экземпляры обоих классов совместимы по программным интерфейсам.

Класс позволяет задать не только программный интерфейс к самому себе и к своим экземплярам, но и в явном виде написать код, ответственный за вычисления. Если при создании своего нового типа данных наследовать интерфейс, то мы получим возможность передавать экземпляр своего типа данных в любой алгоритм, который умеет работать с этим интерфейсом. Однако нам придется самим написать реализацию интерфейса, то есть те алгоритмы, которыми будет пользоваться интересующий нас алгоритм для проведения вычислений с использованием нашего экземпляра. В то же время, наследуя класс, мы автоматически наследуем готовый код под интерфейс (это не всегда так, родительский класс может требовать реализации каких-то алгоритмов в дочернем классе в обязательном порядке). В этой возможности наследовать готовый код и проявляется то, что в объектно-ориентированной программе тип данных класс определяет одновременно и интерфейс, и реализацию для всех своих экземпляров.

Состояние объекта, понятие областей доступа, конструкторы

Одной из проблем структурного программирования, с которой борется ООП, является проблема поддержания правильного значения переменных программы. Часто разные переменные программы хранят логически связанные значения, и за поддержание этой логической связности несет ответственность программист, то есть автоматически связность не поддерживается. Примером могут служить флажки «уволен» и «ожидает премии по итогам года», когда по правилам отдела кадров человек может быть одновременно не уволенным и не ожидающим премии, не уволенным и ожидающим премии, уволенным и не ожидающим премии, но не может быть одновременно и уволенным, и ожидающим премии. То есть любая часть программы, которая проставляет флажок «уволен», всегда должна снимать флажок «ожидает премии по итогам года».

Хороший способ решить эту проблему — объявить флажок «уволен» недоступным к изменению для всех участков программы, кроме одного специально оговоренного. В этом специально оговоренном участке всё будет написано один раз и правильно, а все остальные должны будут обращаться к этому участку всегда, когда они хотят установить или снять флажок «уволен».

В объектно-ориентированной программе флажок «уволен» будет объявлен приватным членом некоторого класса, а для чтения и изменения его будут написаны соответствующие публичные методы. Правила, определяющие возможность или невозможность напрямую изменять какие-либо переменные, называются правилами задания областей доступа. Слова «приватный» и «публичный» в данном случае являются так называемыми «модификаторами доступа».

Они называются модификаторами потому, что в некоторых языках они используются для изменения ранее установленных прав при наследовании класса.

Совместно классы и модификаторы доступа задают область доступа, то есть у каждого участка кода, в зависимости от того, какому классу он принадлежит, будет своя область доступа относительно тех или иных элементов (членов) своего класса и других классов, включая переменные, методы, функции, константы и т. д.

Существует основное правило: ничто в одном классе не может видеть приватных элементов другого класса. Относительно других, более сложных правил, в различных языках существуют другие модификаторы доступа и правила их взаимодействия с классами.

Почти каждому члену класса можно установить модификатор доступа (за исключением статических конструкторов и некоторых других вещей). В большинстве объектно-ориентированных языков программирования поддерживаются следующие модификаторы доступа:

private (закрытый, внутренний член класса) — обращения к члену допускаются только из методов того класса, в котором этот член определён. Любые наследники класса уже не смогут получить доступ к этому члену. Наследование по типу private делает все члены родительского класса (в том числе public и protected) private-членами класса-наследника (С++);

Protected (защищённый, внутренний член иерархии классов) — обращения к члену допускаются из методов того класса, в котором этот член определён, а также из любых методов его классов-наследников. Наследование по типу protected делает все public-члены родительского класса protected-членами класса-наследника (С++);

Public (открытый член класса) — обращения к члену допускаются из любого кода. Наследование по типу public не меняет модификаторов родительского класса (С++);

Проблема поддержания правильного состояния переменных актуальна и для самого первого момента выставления начальных значений. Для этого в классах предусмотрены специальные методы/функции, называемые конструкторами. Ни один объект (экземпляр класса) не может быть создан иначе, как путём вызова на исполнение кода конструктора, который вернет вызывающей стороне, созданный и правильно заполненный экземпляр класса. Во многих языках программирования тип данных «структура», как и класс, может содержать переменные и методы, но экземпляры структур, оставаясь просто размеченным участком оперативной памяти, могут создаваться в обход конструкторов, что запрещено для экземпляров классов (за исключением специальных исключительных методов обхода всех подобных правил ООП, предусмотренных в некоторых языках и платформах). В этом проявляется отличие классов от других типов данных — вызов конструктора обязателен.

Практический подход

В современных объектно-ориентированных языках программирования (в том числе в php, Java, C++, Oberon, Python, Ruby, Smalltalk, Object Pascal) создание класса сводится к написанию некоторой структуры, содержащей набор полей и методов (среди последних особую роль играют конструкторы, деструкторы, финализаторы).

Практически класс может пониматься как некий шаблон, по которому создаются объекты — экземпляры данного класса. Все 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)

Абстрактный класс

Интерфейс

Область видимости

Область видимости членов класса (то есть область кода, из которой к ним можно обращаться по неквалифицированному имени — без указания имени класса или объекта) не зависит от их области доступа, и всегда совпадает с кодом методов класса.

Область видимости самого класса по-разному определяется в разных языках программирования. В одних языках (таких как Delphi) все классы имеют глобальную видимость (с учётом видимости модуля), в других (таких как Java) область видимости класса связана с содержащей его единицей компиляции (в Java — с пакетом), в третьих (таких как C++ и C#) область видимости класса определяется пространствами имён (namespaces), которые задаются программистом явно и могут совпадать или не совпадать с единицами компиляции.

2.6. Объект

Объект в программировании — некоторая сущность в компьютерном пространстве, обладающая определённым состоянием и поведением, имеющая заданные значения свойств (атрибутов) и операций над ними (методов). Как правило, при рассмотрении объектов выделяется то, что объекты принадлежат одному или нескольким классам, которые определяют поведение (являются моделью) объекта. Термины «экземпляр класса» и «объект» взаимозаменяемы.

Объект, наряду с понятием класс, является важным понятием объектно-ориентированного подхода. Объекты обладают свойствами наследования, инкапсуляции и полиморфизма.

Термин объект в программном обеспечении впервые был введен в языке Simula и применялся для моделирования реальности.

Связанные понятия

Экземпляр класса (англ. instance) — это описание конкретного объекта в памяти. Класс описывает свойства и методы, которые будут доступны у объекта, построенного по описанию, заложенному в классе. Экземпляры используются для представления (моделирования) конкретных сущностей реального мира. Например, экземпляром класса стиральных машин может быть ваша стиральная машина, имеющая следующие свойства: компания-производитель «Вятка», наименование модели «Вятка-автомат», серийный номер изделия ВЯТ454647, ёмкость 20 л. В отличие от имени класса, имя экземпляра обычно начинается со строчной буквы.

Инстанцирование (англ. instantiation) — создание экземпляра класса. В отличие от слова «создание», применяется не к объекту, а к классу. То есть, говорят: (в виртуальной среде) создать экземпляр класса или, другими словами, инстанцировать класс. Порождающие шаблоны используют полиморфное инстанцирование.

Анонимный объект (англ. anonymous object) — это объект, который принадлежит некоторому классу, но не имеет имени.

Инициализация (англ. initialization) — присвоение начальных значений полям объекта.

Время жизни объекта — время с момента создания объекта (конструкция) до его уничтожения (деструкция).

Практический подход

За исключением прототипно-ориентированных языков вроде Lua и JavaScript, где понятие «класс» не используется вовсе, в большинстве объектно-ориентированных языков программирования (таких как Java, C++ или C#), объекты являются экземплярами некоторого заранее описанного класса.

Объекты в таких языках создаются с помощью конструктора класса и уничтожаются либо с помощью деструктора класса (например, в C++), либо автоматически с использованием сборщика мусора (например, в Java и C#), либо используя внутренний счётчик ссылок на объект и сообщения («dealloc» в Objective-C). (C# поддерживает деструкторы, но они вызываются сборщиком мусора.) Объект хранится в виде данных всех его полей и ссылок на таблицу виртуальных методов и RTTI своего класса. Класс определяет набор функций и служебной информации для построения объекта, в том числе необходимый объём памяти для хранения объекта.

В языке Python все значения являются объектами, даже классы. В этом языке можно построить класс, экземплярами которого будут классы. Такие классы называются метаклассами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогу данной работы были получены необходимые знания об объектно-ориентированном программирование, и его основных понятиях. Были рассмотрены подвиды ООП. Получены знания о истории создания и разветвления ООП.

В ходе работы выявлено, что объектно-ориентированном программирование имеет шесть основных понятий.

Абстракция данных, Инкапсуляция, Наследование, Полиморфизм подтипов, Класс, Объект.

Подытожив можно смело утверждать, что основные понятия объектно-ориентированного программирования в настоящее время распространены настолько широко и применяются в большинстве языках программирования, что понимание базовых принципов OOП необходимо для большинства профессий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.https://ru.wikipedia.org/wiki/Объектно-ориентированное_программирование

2.http://gosit.wikia.com/wiki/Основные_принципы_ООП:_инкапсуляция,_наследование,_полиморфизм

3. http://www.firststeps.ru/theory/oop/

4. http://livnylicey.narod.ru/zadania/ponyatie.doc