Принципы опп. Что такое ООП на примерах. Для чайников

Базовые принципы объектно-ориентированного программирования

Объектно-ориентированное программирование основывается на трех основных концепциях: инкапсуляции , полиморфизме и наследовании .

Инкапсуляция (пакетирование) представляет собой механизм, связывающий вместе данные и код, обрабатывающий эти данные, и сохраняющий их от внешнего воздействия и ошибочного использования. Инкапсуляция позволяет создавать объект, являющийся логическим целым, включающим данные и код для работы с этими данными. Объект обеспечивает защиту против случайной или несанкционированной модификации частных (private) составляющих его членов. Закрытые данные или коды (методы) доступны только для других частей этого объекта и не доступны вне его. Открытая часть объекта предназначена для обеспечения контролируемого интерфейса его закрытой части.

Полиморфизм - принцип (подход), обеспечивающий возможность использования одного и того же кода для решения разных задач. Полиморфизм позволяет уменьшить сложность программы посредством использования одного и того жеинтерфейса для задания целого класса действий. Задача выбора специфического действия (метода) в зависимости от конкретной ситуации (количества и типа передаваемых аргументов) возлагается на компилятор.

Ключевым в понимании полиморфизма является то, что он позволяет манипулировать объектами различной степени сложности путем создания общего для них стандартного интерфейса для реализации похожих действий.

Наследование представляет собой процесс, благодаря которому один объект может наследовать (приобретать) свойства от другого объекта. Объект, используя наследование, нуждается только в определении специфичных только для этого объекта свойств, отличающих его от других объектов этого класса. Наследование позволяет поддерживать концепцию иерархии классов .

Различают полиморфные и мономорфные языки. Для мономорфных языков характерно то, что используемые функции, процедуры и операторы имеют уникальный тип. Полиморфные языки поддерживают концепцию полиморфизма в теории типов, когда одно и то же имя может быть использовано для выражения различных действий. Поддержка полиморфизма осуществляется через виртуальные функции, механизм перегрузки функций и операторов.

Передача сообщений выражает основную методологию построения объектно-ориентированных программ. Программы представляются в виде набора объектов и передачи сообщений между ними.

При построении объектно-ориентированной программы одним из основных является вопрос иерархии классов . Пусть имеется некоторая иерархия (структура, взаимосвязь) классов. В этом случае можно:

- определить объект для заданного класса;

- построить новый класс, наследуя его из существующего класса;

- изменить поведение нового класса (изменить существующие и добавить новые функции).

Построение нового класса, наследуя его из существующего, предполагает:

- добавление в новый класс новых компонент-данных;

- добавление в новый класс новых компонент-функций;

- замену в новом классе наследуемых из старого класса компонент-функций;

Наследование может быть одиночным и множественным (рис. 1). При множественном наследовании производный (новый) класс имеет более одного наследуемого (старого) класса, из которых образуется новый класс. При этом новый класс наследует поведение этих классов.

Таким образом, объектно-ориентированное программирование – метод построения программ в виде множества взаимодействующих объектов, структура и поведение которых описаны соответствующими классами. Все эти классы образуют иерархию классов, выражающую отношение наследования.

При разработке объектно-ориентированных программ часто используются библиотеки классов. Библиотека может рассматриваться как заданная базовая иерархическая структура. Для разрабатываемой программы из библиотеки может быть выбрана некоторая подструктура и затем расширена новыми классами с использованием принципов наследования.

Язык программирования называется объектно-ориентированным, если:

- он поддерживает абстрактные типы данных (объекты с определенным интерфейсом и скрытым внутренним состоянием);

- объекты имеют связанные с ними типы (классы);

- поддерживается механизм наследования.

• Инкапсулируйте все, что может изменяться;
• Уделяйте больше внимания интерфейсам, а не их реализациям;
• Каждый класс в вашем приложении должен иметь только одно назначение;
• Классы - это их поведение и функциональность.

Базовые принципы ООП

• Абстракция - отделение концепции от ее экземпляра;
• Полиморфизм - реализация задач одной и той же идеи разными способами;
• Наследование - способность объекта или класса базироваться на другом объекте или классе. Это главный механизм для повторного использования кода. Наследственное отношение классов четко определяет их иерархию;
• Инкапсуляция - размещение одного объекта или класса внутри другого для разграничения доступа к ним.

Используйте следующее вместе с наследованием

• Делегация - перепоручение задачи от внешнего объекта внутреннему;
• Композиция - включение объектом-контейнером объекта-содержимого и управление его поведением; последний не может существовать вне первого;
• Агрегация - включение объектом-контейнером ссылки на объект-содержимое; при уничтожении первого последний продолжает существование.

Не повторяйся (Don’t repeat yourself - DRY)

Избегайте повторного написания кода, вынося в абстракции часто используемые задачи и данные. Каждая часть вашего кода или информации должна находиться в единственном числе в единственном доступном месте.

Принцип единственной обязанности

Для каждого класса должно быть определено единственное назначение. Все ресурсы, необходимые для его осуществления, должны быть инкапсулированы в этот класс и подчинены только этой задаче.

Принцип открытости/закрытости

Программные сущности должны быть открыты для расширения, но закрыты для изменений.

Принцип подстановки Барбары Лисков

Методы, использующие некий тип, должны иметь возможность использовать его подтипы, не зная об этом.

Принцип разделения интерфейсов

Предпочтительнее разделять интерфейсы на более мелкие тематические, чтобы реализующие их классы не были вынуждены определять методы, которые непосредственно в них не используются.

Принцип инверсии зависимостей

Система должна конструироваться на основе абстракций «сверху вниз»: не абстракции должны формироваться на основе деталей, а детали должны формироваться на основе абстракций.

Основы объектно-ориентированного программирования

Все основанные на объектах языки (C#, Java, С++, Smalltalk, Visual Basic и т.п.) должны отвечать трем основным принципам объектно-ориентированного программирования (ООП), которые перечислены ниже:

Инкапсуляция

Как данный язык скрывает детали внутренней реализации объектов и предохраняет целостность данных?

Наследование

Как данный язык стимулирует многократное использование кода?

Полиморфизм

Как данный язык позволяет трактовать связанные объекты сходным образом?

Прежде чем погрузиться в синтаксические детали реализации каждого принципа, важно понять базовую роль каждого из них.

Роль инкапсуляции

Инкапсуляция - это механизм программирования, объединяющий вместе код и данные, которыми он манипулирует, исключая как вмешательство извне, так и неправильное использование данных. В объектно-ориентированном языке данные и код могут быть объединены в совершенно автономный черный ящик. Внутри такого ящика находятся все необходимые данные и код. Когда код и данные связываются вместе подобным образом, создается объект. Иными словами, объект - это элемент, поддерживающий инкапсуляцию.

Т.е. инкапсуляция представляет собой способности языка скрывать излишние детали реализации от пользователя объекта. Например, предположим, что используется класс по имени DatabaseReader , который имеет два главных метода: Open() и Close().

Фиктивный класс DatabaseReader инкапсулирует внутренние детали нахождения, загрузки, манипуляций и закрытия файла данных. Программистам нравится инкапсуляция, поскольку этот принцип ООП упрощает кодирование . Нет необходимости беспокоиться о многочисленных строках кода, которые работают "за кулисами", чтобы реализовать функционирование класса DatabaseReader. Все, что потребуется - это создать экземпляр и отправлять ему соответствующие сообщения (например, "открыть файл по имени AutoLot.mdf, расположенный на диске С:").

С идеей инкапсуляции программной логики тесно связана идея защиты данных. В идеале данные состояния объекта должны быть специфицированы с использованием ключевого слова private (или, возможно, protected ). Таким образом, внешний мир должен вежливо попросить, если захочет изменить или получить лежащее в основе значение. Это хороший принцип, поскольку общедоступные элементы данных можно легко повредить (даже нечаянно, а не преднамеренно).

Основной единицей инкапсуляции в C# является класс , который определяет форму объекта. Он описывает данные, а также код, который будет ими оперировать. В C# описание класса служит для построения объектов, которые являются экземплярами класса. Следовательно, класс, по существу, представляет собой ряд схематических описаний способа построения объекта.

Код и данные, составляющие вместе класс, называют членами . Данные, определяемые классом, называют полями , или переменными экземпляра . А код, оперирующий данными, содержится в функциях-членах , самым типичным представителем которых является метод. В C# метод служит в качестве аналога подпрограммы. (К числу других функций-членов относятся свойства, события и конструкторы.) Таким образом, методы класса содержат код, воздействующий на поля, определяемые этим классом.

Роль наследования

Следующий принцип ООП - наследование - касается способности языка позволять строить новые определения классов на основе определений существующих классов. По сути, наследование позволяет расширять поведение базового (или родительского) класса, наследуя основную функциональность в производном подклассе (также именуемом дочерним классом):

Т.е. наследование представляет собой процесс, в ходе которого один объект приобретает свойства другого объекта. Это очень важный процесс, поскольку он обеспечивает принцип иерархической классификации. Если вдуматься, то большая часть знаний поддается систематизации благодаря иерархической классификации по нисходящей.

Если не пользоваться иерархиями, то для каждого объекта пришлось бы явно определять все его свойства. А если воспользоваться наследованием, то достаточно определить лишь те свойства, которые делают объект особенным в его классе. Он может также наследовать общие свойства своего родителя. Следовательно, благодаря механизму наследования один объект становится отдельным экземпляром более общего класса.

Роль полиморфизма

Последний принцип ООП - полиморфизм . Он обозначает способность языка трактовать связанные объекты в сходной манере. В частности, этот принцип ООП позволяет базовому классу определять набор членов (формально называемый полиморфным интерфейсом ), которые доступны всем наследникам. Полиморфный интерфейс класса конструируется с использованием любого количества виртуальных или абстрактных членов.

По сути, виртуальный член - это член базового класса, определяющий реализацию по умолчанию, которая может быть изменена (или, говоря более формально, переопределена) в производном классе. В отличие от него, абстрактный метод - это член базового класса, который не предусматривает реализации по умолчанию, а предлагает только сигнатуру. Когда класс наследуется от базового класса, определяющего абстрактный метод, этот метод обязательно должен быть переопределен в производном классе. В любом случае, когда производные классы переопределяют члены, определенные в базовом классе, они по существу переопределяют свою реакцию на один и тот же запрос.

Инкапсуляция. С одной стороны объект, обладает определенными свойствами, которые характеризуют его состояние в данный момент. С другой стороны над объектами возможны операции, которые приводят к изменению этих свойств.Доступ к изменению свойств осуществляется только с помощью методов, присущих данному классу объектов . Есть метод, данное свойство данного объекта можно изменить, нет метода – нельзя. Методы как бы «окружают» свойства объекта, говорят, что свойства «инкапсулированы» в объект. Для обеспечения инкапсуляции класс не должен позволять прямого доступа к своим данным.Инкапсуляция – механизм скрытия всех внутренних деталей объекта, не влияющих на его поведение.

Наследование . Наследование определяет отношение между классами:объекты класса-наследника обладают всеми свойствами и методами объектов класса-родителя и не должны их повторно реализовывать. Т.е. один объект приобретает свойства другого объекта, добавляя к ним свойства, характерные только для него. Например,

Класс «Точка» (родитель)		Класс «Окружность» (наследник)
Свойства		Свойства
Координаты (x,y)	Перемещение	Координаты центра (x,y)	Перемещение
	Изменение цвета		Изменение цвета
			Изменение радиуса

Полиморфизм (имеющий много форм). К объектам разных классов можно применять один и тот же метод, вот только действовать этот метод будет по-разному. Например, к большинству объектов в Windows&Office можно применять одни и те же методы: копирование, перемещение, переименование, удаление и т.п. Однако, механизмы реализации этих методов для разных классов (файл в Windows и документ Word) неодинаковы.Полиморфизм – возможностьиспользования одних и тех методов для объектов разных классов , только реализация этих методов будет индивидуальной для каждого класса.

1. Событийный механизм управления

Каждое действие в ОС вызывает событие, которое в виде сообщения передается в приложение (например, двойной щелчок на документе Word сообщает приложению – хватит спать, давай работать). Приложение анализирует сообщение и выполняет соответствующее действие (загружается и открывает документ). Приложения, создаваемые с помощью управляемых событий, также работают по этому принципу. Но при этом часть работы ОС берут на себя. Они перехватывают сообщение и передают его соответствующему объекту (например, «Кнопка»), где затем вызывает соответствующее событие (например, «Нажать»).

В программах, управляемых событиями, нет сплошного кода, который выполняется с начала до конца. После запуска таких программ у пользователя нет четко определенного пути. Он может в любой момент нажать какую-нибудь кнопку, ввести данные текста в соответствующее поле, прекратить обработку и вызвать другую программу.

В соответствии с тем, что определен событийный механизм управления, для каждого объекта (управляющие элементы, формы) в системе определен перечень относящихся к нему событий. Реакцию на событие можно запрограммировать. Для этого с помощью кода создаются процедуры обработки событий (событийные процедуры).

Сначала выбирают объект – элемент управления пользовательского интерфейса, для которого будет записана программа его действий. Далее вызывают список процедур, то есть событий для выбранного объекта, при совершении которых над объектом будет выполняться записанная программа, и выбирают подходящее событие.

В заголовке каждой процедуры, написанной для объекта на форме, указывается имя объекта, для которого написана процедура и название выбранного события, в скобках после имени процедуры записываются ее параметры, которые могут и отсутствовать

В событийной процедуре может участвовать несколько объектов. Например, само событие происходит с первым объектом, в результате второй объект изменяет значение своего свойства, а третий – реализует какой-либо метод.

Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.

Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).

Первая часть, представленная ниже, посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование

Основные понятия ООП

Класс

Представьте себе, что вы проектируете автомобиль. Вы знаете, что автомобиль должен содержать двигатель, подвеску, две передних фары, 4 колеса, и т.д. Ещё вы знаете, что ваш автомобиль должен иметь возможность набирать и сбавлять скорость, совершать поворот и двигаться задним ходом. И, что самое главное, вы точно знаете, как взаимодействует двигатель и колёса, согласно каким законам движется распредвал и коленвал, а также как устроены дифференциалы. Вы уверены в своих знаниях и начинаете проектирование.

Вы описываете все запчасти, из которых состоит ваш автомобиль, а также то, каким образом эти запчасти взаимодействуют между собой. Кроме того, вы описываете, что должен сделать пользователь, чтобы машина затормозила, или включился дальний свет фар. Результатом вашей работы будет некоторый эскиз. Вы только что разработали то, что в ООП называется класс .

Класс – это способ описания сущности, определяющий состояние и поведение, зависящее от этого состояния, а также правила для взаимодействия с данной сущностью (контракт).

С точки зрения программирования класс можно рассматривать как набор данных (полей, атрибутов, членов класса) и функций для работы с ними (методов).

С точки зрения структуры программы, класс является сложным типом данных.

В нашем случае, класс будет отображать сущность – автомобиль. Атрибутами класса будут являться двигатель, подвеска, кузов, четыре колеса и т.д. Методами класса будет «открыть дверь», «нажать на педаль газа», а также «закачать порцию бензина из бензобака в двигатель». Первые два метода доступны для выполнения другим классам (в частности, классу «Водитель»). Последний описывает взаимодействия внутри класса и не доступен пользователю.

В дальнейшем, несмотря на то, что слово «пользователь» ассоциируется с пасьянсом «Косынка» и «Microsoft Word», мы будем называть пользователями тех программистов, которые используют ваш класс, включая вас самих. Человека, который является автором класса, мы будем называть разработчиком.

Объект

Вы отлично потрудились и машины, разработанные по вашим чертежам, сходят с конвейера. Вот они, стоят ровными рядами на заводском дворе. Каждая из них точно повторяет ваши чертежи. Все системы взаимодействуют именно так, как вы спроектировали. Но каждая машина уникальна. Они все имеют номер кузова и двигателя, но все эти номера разные, автомобили различаются цветом, а некоторые даже имеют литьё вместо штампованных дисков. Эти автомобили, по сути, являются объектами вашего класса.

Объект (экземпляр) – это отдельный представитель класса, имеющий конкретное состояние и поведение, полностью определяемое классом.

Говоря простым языком, объект имеет конкретные значения атрибутов и методы, работающие с этими значениями на основе правил, заданных в классе. В данном примере, если класс – это некоторый абстрактный автомобиль из «мира идей», то объект – это конкретный автомобиль, стоящий у вас под окнами.

Интерфейс

Когда мы подходим к автомату с кофе или садимся за руль, мы начинаем взаимодействие с ними. Обычно, взаимодействие происходит с помощью некоторого набора элементов: щель для приёмки монеток, кнопка выбора напитка и отсек выдачи стакана в кофейном автомате; руль, педали, рычаг коробки переключения передач в автомобиле. Всегда существует некоторый ограниченный набор элементов управления, с которыми мы можем взаимодействовать.

Интерфейс – это набор методов класса, доступных для использования другими классами.

Очевидно, что интерфейсом класса будет являться набор всех его публичных методов в совокупности с набором публичных атрибутов. По сути, интерфейс специфицирует класс, чётко определяя все возможные действия над ним.
Хорошим примером интерфейса может служить приборная панель автомобиля, которая позволяет вызвать такие методы, как увеличение скорости, торможение, поворот, переключение передач, включение фар, и т.п. То есть все действия, которые может осуществить другой класс (в нашем случае – водитель) при взаимодействии с автомобилем.

При описании интерфейса класса очень важно соблюсти баланс между гибкостью и простотой. Класс с простым интерфейсом будет легко использовать, но будут существовать задачи, которые с помощью него решить будет не под силу. В то же время, если интерфейс будет гибким, то, скорее всего, он будет состоять из достаточно сложных методов с большим количеством параметров, которые будут позволять делать очень многое, но использование его будет сопряжено с большими сложностями и риском совершить ошибку, что-то перепутав.

Примером простого интерфейса может служить машина с коробкой-автоматом. Освоить её управление очень быстро сможет любая блондинка, окончившая двухнедельные курсы вождения. С другой стороны, чтобы освоить управление современным пассажирским самолётом, необходимо несколько месяцев, а то и лет упорных тренировок. Не хотел бы я находиться на борту Боинга, которым управляет человек, имеющий двухнедельный лётный стаж. С другой стороны, вы никогда не заставите автомобиль подняться в воздух и перелететь из Москвы в Вашингтон.