Наследование (Inheritance)

Лекция №1

Обзор объектно-ориентированного программирования

 

Немного истории программирования.

Первые программы создавались посредством переключателей на панели компьютера. Вполне очевидно, что подобного рода способ подходил только для небольших программ. Затем программы стали писать на языке машинных команд. С изобретением ассемблера (язык низкого уровня) стали появляться сравнительно длинные программы. Настоящим прорывом в программировании стало создание первого языка программирования высокого уровня - Фортран в 1950 году. С этого времени появилась возможность писать программы до нескольких тысяч строк длинной. Однако увеличение объема программ привело к тому, что код больших программ становился практически нечитаемым, а зачастую даже неуправляемым. Избавление от подобного рода проблем неструктурного программирования пришло с изобретением в начале 60-х годов таких языков структурного программирования как Алгол, С и Паскаль. Начался "золотой век" структурного программирования. В основу структурного программирования легли точно обозначенные управляющие структуры. Оно характерно использованием автономных подпрограмм, в которых поддерживаются рекурсия и локальные переменные, и абсолютным неприятием операторов GOTO (переход на другую строку). С появлением структурного программирования появилась возможность разбивать программы на составляющие элементы. Применяя эти принципы программирования, появилась возможность создания и поддержки программ в несколько десятков тысяч строк.

Несомненно, что структурное программирование принесло выдающиеся результаты, но, как оказалось, даже эти принципы программирования становятся несостоятельными, когда программа достигает определенной длины. Для написания более сложных программ потребовался новый подход к программированию.

В итоге были разработаны принципиально новые методы программирования и на свет появилось объектно-ориентированное программирование (ООП), в котором нашли отражение лучшие идеи структурного программирования в сочетании с абсолютно новыми концепциями, позволяющими оптимально организовать программу.

 

Введение в ООП.

Несмотря на то, что в различных источниках делается акцент на те или иные особенности внедрения и применения ООП, 3 основных (базовых) понятия ООП остаются неизменными. К ним относятся:

ü Наследование (Inheritance)

ü Инкапсуляция (Encapsulation)

ü Полиморфизм (Polymorphism)

Эти понятия, как три кита, лежат в основе мира ООП и, конечно же, будут рассмотрены подробнейшим образом. Наряду с ними будет рассмотрен и ряд других понятий и определений.

А для начала рассмотрим пару мнений, которые в какой-то степени помогут Вам прояснить сложившуюся вокруг поставленного вопроса ситуацию.

Итак, первое из них имеет некоторый академический оттенок:

ООП позволяет разложить проблему на связанные между собой задачи. Каждая проблема становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, которые относятся к этому объекту. В этом случае исходная задача в целом упрощается, и программист получает возможность оперировать с большими по объему программами.

В этом определении ООП отражается известный подход к решению сложных задач, когда мы разбиваем задачу на подзадачи и решаем эти подзадачи по отдельности. С точки зрения программирования подобный подход значительно упрощает разработку и отладку программ.

Не очень понятно? Тогда попробуем зайти с другой стороны и упростим описание. Начнем с общеизвестного примера.

Вы сидите за обеденным столом и вам понадобилась соль, которая находится на другом конце стола и вы не можете до нее дотянуться. Обидно, но чтобы не оставаться без соли Вы просите своего друга передать Вам соль, просто сказав: «Передай мне, пожалуйста, соль».

Однако вместо этой простой фразы можно было бы сказать: «Пожалуйста, убери твою правую руку со стакана воды. Затем протяни ее влево на такое-то расстояние(или пока она не коснется солонки). Возьми баночку на которой написано «Соль». Подними ее. Сделай плавное движение правой рукой по дуге в направлении меня. Остановись когда твоя рука коснется моей. Затем подожди пока мои пальцы возьмут ее и только затем отпусти солонку и верни руку в исходной положение».

Неправда ли, звучит странно и как-то даже глупо. Да, для нормального человека это звучит глупо. Но эти два описания одного и того же действия хорошо иллюстрируют разницу объектно-ориентированного (первый вариант действий) и обычного структурного (второй, многошаговый вариант) подхода к программированию.

Так в чем же принципиальная разница?

Разница заключается в том, что объектно-ориентированный подход с просьбой передать солонку оставляет за объектом (Вашим другом) право решать КАК отреагировать и ЧТО сделать в ответ на поступившую просьбу. А Вы можете даже не знать (к примеру, не видеть) как Ваш друг (объект) выполнил Вашу просьбу. А зачем Вам это знать? Вы в стандартной форме поставили перед ним задачу (сделали вызов) и получили ответ.

При процедурном же развитии события, второй вариант описания этого же действия, необходимо описать каждый шаг, каждое движение для достижения конечного результата.

Этот простой пример иллюстрирует только один из принципов ООП, суть которого: «Объект отвечает за все действия, которые он производит в ответ на запрос клиента».

К сожалению, этот пример не может показать всей полноты преимуществ использования ООП, но и с помощью него можно почувствовать глубину отличий применения ООП и структурного программирования для решения даже таких простых задач.

 

Объект.

Название "Объектно-ориентированное программирование" говорит само за себя. Центром внимания ООП является объект.

Давайте оглянемся вокруг. Вот побежала собака, стоит дом, стоит велосипед. Каким понятием можно объединить все эти понятия? Возможно - предмет, но, как мне кажется, правильнее было бы применить слово объект. Если проводить дальнейшую аналогию, то можно сказать, что все что нас окружает - это объекты (в том числе и человек), а реальная жизнь состоит из взаимодействия этих объектов. Понятие объекта в ООП во многом приближено к привычному определению понятия объекта в реальном мире.

Рассмотрим физические объекты, которые нас окружают. Про любой из физических объектов можно сказать, что он:

ü имеет какое-то состояние (или находится в каком-то состоянии). К примеру, про собаку можно сказать, что она имеет имя, окраску, возраст, голодна она или нет и т.д.

ü имеет определенное поведение. Т.е., та же собака может вилять хвостом, есть, лаять, прыгать и т.д.

А теперь рассмотрим формальное определение объекта в ООП:

Объект − это осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение.

Объект состоит из следующих трех частей:

ü имя объекта;

ü состояние (переменные состояния, свойства);

ü методы (операции).

Обобщенное определение:

Объект ООП − это совокупность переменных состояния и связанных с ними методов (операций). Эти методы определяют, как объект взаимодействует с окружающим миром. Таким образом, появляется возможность управлять состояниями объекта посредством вызова методов в итоге и определять поведение объекта. Эту совокупность методов часто называют интерфейсом объекта.

Класс – это тип, определяемый программистом, в котором объединяются структуры данных и функции их обработки.

или

Класс (class) – это группа данных и методов (функций) для работы с этими данными. Это шаблон. Объекты с одинаковыми свойствами, то есть с одинаковыми наборами переменных состояния и методов, образуют класс.

Объект (object) – это конкретная реализация, экземпляр класса. В программировании отношения объекта и класса можно сравнить с описанием переменной, где сама переменная (объект) является экземпляром какого-либо типа данных (класса).

Обычно, если объекты соответствуют конкретным сущностям реального мира, то классы являются некими абстракциями, выступающими в роли понятий. Понятие класса и что он в себя включает мы рассмотрим отдельно. А на данном этапе воспринимайте класс как шаблон объекта. Для формирования какого-либо реального объекта необходимо иметь шаблон, на основании которого и строится создаваемый объект. При рассмотрении основ ООП мы часто смешиваем понятие объекта и класса. Дело в том, что класс – это некоторое абстрактное понятие. Для проведения аналогий или приведения примеров оно не очень подходит. На много проще приводить примеры, основываясь на объектах из реального мира, а не на абстрактных понятиях. Поэтому, говоря, к примеру, про наследование мы прежде всего имеем ввиду наследование классов (шаблонов), а не объектов, хотя часто и применяем слово объект. Скажем так: объект – это физическая реализация класса (шаблона).

Методы (methods) – это функции (процедуры), принадлежащие классу.

Сообщение (message) – это практически то же самое, что и вызов функций в обычном программировании. В ООП обычно употребляется выражение «послать сообщение» какому-либо объекту. Понятие «сообщение» в ООП можно объяснить с точки зрения основ ООП: мы не можем напрямую изменить состояние объекта и должны как бы послать сообщение объекту, что мы хотим вот таким конкретным образом изменить его состояние. Объект сам меняет свое состояние, а мы только просим его об этом, посылая сообщения.

Инкапсуляция.

Инкапсуляция является одним из ключевых понятий ООП.

Инкапсуляция – это механизм, который объединяет данные и методы, манипулирующие этими данными, и защищает и то и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Когда методы и данные объединяются таким способом, создается объект.

Итак, зачем же нам нужна инкапсуляция? Ответ прост, мы – люди. А человеку свойственно ошибаться. Никто не застрахован от ошибок. Применяя инкапсуляцию, мы, как бы, возводим крепость, которая защищает данные, принадлежащие объекту, от возможных ошибок, которые могут возникнуть при прямом доступе к этим данным. Кроме того, применение этого принципа очень часто помогает локализовать возможные ошибки в коде программы. А это на много упрощает процесс поиска и исправления этих ошибок.

Можно сказать, что инкапсуляция подразумевает под собой скрытие данных (data hiding), что позволяет защитить эти данные.

Переменные состояния (свойства) объекта скрыты от внешнего мира. Изменение состояния объекта (его переменных) возможно ТОЛЬКО с помощью его методов(операций). Это существенно ограничивает возможность введения объекта в недопустимое состояние и/или несанкционированное разрушение этого объекта.

Для иллюстрации приведенного выше постулата рассмотрим простой жизненный пример.

Представьте, что у Вас не заводится машина и Вы, увы, не механик и плохо разбираетесь в машинах. Вы открываете капот и начинаете выдергивать какие-то шланги, что-то окручивать. и т.д. Хорошо, если Вы запомнили что, где и как выдергивали и откручивали. А если нет? Или, у Вас стрелка уровня топлива стоит на нуле, а Вы считаете, что у Вас полно топлива и полезете со спичками внутрь бензобака проверять уровень топлива. Какие последствия Вас могут ожидать? В лучшем случае Вы и Ваша машина останутся живы, если Вам о-о-очень повезет.

Аналогично и с нашими объектами, которые могут быть чрезвычайно сложными, а Вы пытаетесь что-то в них подправить, не представляя их внутреннюю организацию. Но есть "мастера" – методы, которые "специализируются" в определенных областях, но свою область они знают на отлично. А самое главное, они знают как можно изменить состояние объекта так, чтобы не повредить его.

Хорошим примером применения принципа инкапсуляции являются команды доступа к файлам. Обычно доступ к данным на диске можно осуществить только через специальные функции. Вы не имеете прямой доступ к данным, размещенным на диске. Таким образом, данные, размещенные на диске, можно рассматривать скрытыми от прямого Вашего вмешательства. Доступ к ним можно получить с помощью специальных функций, которые по своей роли схожи с методами объектов. При этом, хотелось бы отметить два момента, которые важны при применении этого подхода. Во-первых, Вы можете получить все данные, которые Вам нужны за счет законченного интерфейса доступа к данным. И, во-вторых, Вы не можете получить доступ к тем данным, которые Вам не нужны. Это предотвращает случайную порчу данных, которая возможна при прямом обращении к файловой системе. Кроме того, это предотвращает получение неверных данных, т.к. специальные функции обычно используют последовательный доступ к данным.

Наследование (Inheritance)

Наследования является одним из фундаментальных понятий ООП. Приведем его определение:

Наследование – это процесс, посредством которого, один объект может наследовать свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него.

Исследователи во многих областях естествознания тратят львиную долю времени на классификацию объектов в соответствии с определенными особенностями. Из школьного курса биологии и зоологии мы помним, что для животных, растений существуют специальные принципы классификации и разбиения на классы, подклассы, виды и подвиды (или что-то в этом роде) и т.д. В результате образуется своего рода иерархия или дерево с одной общей категорией в корне и подкатегориями, разветвляющимися на подкатегории и т.д.

Смысл и универсальность наследования заключается в том, что не надо каждый раз заново (с нуля) описывать новый объект, а можно указать родителя (базовый класс) и описать отличительные особенности нового класса. В результате, новый объект будет обладать всеми свойствами родительского класса плюс своими собственными отличительными особенностями.

Пример. Можно создать какой-то базовый класс "транспортное средство", который универсален для всех средств передвижения, к примеру, на 4-х колесах. Этот класс "знает" как двигаются колеса, как они поворачивают, тормозят и т.д. А затем на основе этого класса создадим класс "легковой автомобиль", который унаследуем из класса "транспортное средство". Поскольку мы новый класс унаследовали из класса "транспортное средство", то мы и унаследовали все особенности этого класса и нам не надо в очередной раз описывать как двигаются колеса и т.д. Мы просто добавим те черты, особенности поведения, которые характерны для легковых автомобилей. В то же время мы можем взять за основу этот же класс "транспортное средство" и построить класса "грузовые автомобили". Описав отличительные особенности грузовых автомобилей, мы получим уже новый класс "грузовые автомобили". А, к примеру, на основании класса "грузовой автомобиль" уже можно описать определенный подкласс грузовиков и т.д. Таким образом, нам не надо каждый раз описывать все "с нуля". В этом и заключается главное преимущество использования механизма наследования. Мы как бы сначала формируем простой шаблон, а затем все усложняя и конкретизируя, поэтапно создаем все более сложный шаблон.

В данном случае был приведен пример простого наследования, когда наследование производится только из одного класса. В некоторых объектно-ориентированных языках программирования определены механизмы наследования, позволяющие наследовать из одного и более класса.

В описаниях языков ООП принято класс, из которого наследуют называть родительским классом (parent class) или основой класса (base class). Класс, который получаем в результате наследования, называется порожденным классом (derived or child class). Родительский класс всегда считается более общим и развернутым. Порожденный же класс всегда более строгий и конкретный, что делает его более удобным в применении при конкретной реализации.

Вывод: ООП – это процесс построения иерархии классов. А одним из наиболее важных свойств ООП является механизм, по которому типы классов могут наследовать характеристики из более простых, общих типов. Этот механизм называется наследованием. Наследование обеспечивает общность функций, в то же время допуская столько особенностей, сколько необходимо.

Полиморфизм.

Слово полиморфизм имеет греческое происхождение и переводится как "имеющий много форм".

Полиморфизм – это свойство, которое позволяет одно и то же имя использовать для решения нескольких технически разных задач.

Полиморфизм дает возможность создавать множественные определения для операций и функций. Какое именно определение будет использоваться, зависит от контекста программы. Вы уже знакомы с одной из разновидностей полиморфизма в языке C++ – перегрузкой функций. Программирование с классами предоставляет еще две возможности: перегрузку операций и использование так называемых виртуальных методов. Перегрузка операций позволяет применять для собственных классов те же операции, которые используются для встроенных типов C++. Виртуальные методы обеспечивают возможность выбрать на этапе выполнения нужный метод среди одноименных методов базового и производного классов.

В общем смысле, концепцией полиморфизма является идея "один интерфейс – множество методов". Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий.

Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор.

Применительно к ООП, целью полиморфизма, является использование одного имени для задания общих для класса действий. На практике это означает способность объектов выбирать внутреннюю процедуру (метод) исходя из типа данных, принятых в сообщении.

Представьте, что нужно открыть замок и у нас есть связка ключей. И вот мы стоим перед замком и пытаемся его открыть. Мы имеем связку ключей, у каждого из которых есть какие-то параметры (форма, размер и т.д.). Для того, чтобы открыть дверь мы перебираем один ключ за другим пока не найдем подходящий. Т.е. когда шаблон замка совпадает с шаблоном параметров ключа, замок открывается. Аналогично работает компилятор при наличие нескольких функций. Он последовательно проверяет шаблоны функций с одним и тем же именем пока не найдет подходящий.

Класс

Класс (class) – это группа данных и методов (функций) для работы с этими данными. Это шаблон. Объекты с одинаковыми свойствами, то есть с одинаковыми наборами переменных состояния и методов, образуют класс.

Класс – это механизм для создания новых типов.

Мы уже говорили о классах и его отличиях от объекта, когда рассматривали понятие объекта.

Примерная структура класса (Она не привязанная к какому-либо языку ООП).

class имя_класса:: от кого унаследован

{

private:

.......

public:

.......

protected:

.......

};

Понятно, что класс должен иметь уникальное имя. Если он наследован из другого, то надо указать имя родительского(ких) класса(ов). Обычно у класса бывают три раздела: private, public, protected. Спецификатор private часто опускается и, если не объявлено начало ни одного из других разделов описания класса, считается, что данные относятся к разделу private.

Private (частный) раздел описания класса обычно находится вначале описания класса и содержит данные, доступ к которым закрыт из внешнего мира. Это и есть та самая "строго охраняемая" зона класса, доступ к которой можно получить только из методов самого класса. Она скрыта от внешнего мира глухой непробиваемой стеной и доступ к данным раздела private обеспечивается только с помощью, специально описанных в других разделах, методов. Скрытые в этом разделе данные также не доступны для всех производных классов.

Если бы все данные, описанные в базовом (родительском) классе, были доступны для производных классов, то можно было бы просто создать суперкласс, а затем из производных классов получать свободный доступ ко все данным родительского класса. В то же время это перечеркнуло бы все наши старания по скрытию и защите данных. По этой причине, производные (наследуемые) классы автоматически не получают доступ к данным родительского класса (раздел private). Но бывают такие случаи, когда необходимо автоматически наследовать некоторые данные из родительского класса так, чтобы они вели себя так, как будто они описаны в производном классе. Именно для этих целей и существует раздел protected (защищенный) описания класса.

Protected (защищенный) – раздел описания класса содержит данные и методы, доступ к которым закрыт из внешней среды, но они напрямую доступны производным классам.

Таким образом, раздел protected используется для описания данных и методов, которые будут доступны только из производных классов. А в производных классах эти данные и методы воспринимаются, как если бы они были описаны в самом производном классе.

Название раздела public для англоязычной публики говорит само за себя. Переводится как публичный, я бы сказал, открытый раздел. Методы, описанные в разделе public доступны в пределах области видимости объекта и для производных классов. Таким образом, можно получить свободный доступ к методам, описанным в разделе public, из любого места программы (объект должен быть виден) и из любого производного класса. Методы, входящие в этот раздел, образуют интерфейс класса, с помощью которого и осуществляется взаимодействие экземпляра класса с внешним миром. Это единственный раздел, доступ к которому из внешней среды никак не ограничен.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: