В этом цикле статей мы говорим об объектно-ориентированном программировании — передовом и очень распространённом подходе к разработке. Это стоит знать всем, кто серьёзно относится к программированию и хочет зарабатывать в этой области.
Если не читали предыдущую статью, вот краткое содержание:
- ООП — это подход к программированию. Такой набор практик и принципов, которыми пользуются хорошие разработчики. Противопоставление этому подходу — традиционное процедурное программирование.
- В процедурном программировании мы пишем функции, которые выполняют какие-то задачи. И при необходимости вызываем одни функции из других. В программе функции живут отдельно, данные — отдельно.
- Главная проблема процедурного программирования — сложно писать и поддерживать большие проекты. Любой мало-мальски сложный продукт будет требовать сотен функций, которые будут связаны между собой. Получится «спагетти-код».
- В ООП функции и данные группируются в объекты. Объекты более-менее независимые и общаются друг с другом по строго определённым правилам.
- Данные в ООП хранятся внутри объектов и называются свойствами объектов. Например, у объекта user может быть свойство name со значением ‘Иван’.
- Функции в ООП тоже хранятся внутри объектов и называются методами объектов. Например, у объекта user может быть метод sendEmail(), который отправляет этому юзеру письмо.
- Можно представить, что в ООП взяли «спагетти-код» с тефтелями и разложили из огромного чана порционно по контейнерам. Теперь в каждом контейнере есть спагетти и тефтели, и каждый программист может работать над своим контейнером-объектом, а не ковыряться в общем чане со спагетти.
Одно из преимуществ ООП — не нужно много раз писать один и тот же код. Можно однажды придумать какую-то красивую штуку и потом заново её использовать буквально одной строкой. Для этого и нужны классы.
Что за классы
Вот одно из формальных определений класса: «Класс — это элемент ПО, описывающий абстрактный тип данных и его частичную или полную реализацию»
Если более по-русски, то класс — это шаблон кода, по которому создаётся какой-то объект. Это как рецепт приготовления блюда или инструкция по сборке мебели: сам по себе класс ничего не делает, но с его помощью можно создать новый объект и уже его использовать в работе.
Если пока непонятно, погружайтесь в пример:
Призовём на помощь силу примеров и поговорим про сотовые телефоны.
Допустим, вы делаете мобильники и хотите выпустить на рынок новую модель. Чтобы люди могли сразу пользоваться вашим устройством и быстро к нему привыкли, у телефона должен быть экран, кнопки включения и громкости, камеры спереди и сзади, разъём для зарядки и слот для сим-карты.
Но одного железа недостаточно — нужно соединить его между собой так, чтобы всё работало без сбоёв. Кроме этого, нужно предусмотреть, что происходит при нажатии на кнопки, что выводится на экран и как пользователь будет управлять этим телефоном.
Следующий этап — описать каждую деталь, из которой состоит телефон, каждую микросхему и плату, и объяснить, как детали работают друг с другом. Последний шаг — написать руководство пользователя, где будет полностью рассказано, что можно делать с телефоном, как запустить звонилку или отправить смс.
Мы только что сделали новый класс для телефона — полный набор нужных знаний, описаний, свойств и инструкций, который описывает нашу модель. Все эти инструкции и описания — это ещё не телефон, но из них этот телефон можно сделать.
В программировании у класса есть наборы данных — в нашем случае это комплектующие для телефона. Ещё есть функции для работы с классами, которые называются методами — это то, как пользователь будет работать с нашим телефоном, что он будет на нём делать и каким образом.
Классы на практике
Все примеры дальше мы будем делать на Python, потому что это стильно, модно и молодёжно. А сам Python — очень объектно-ориентированный язык, почти всё в нём — это объекты. Вот и опробуем.
Допустим, мы пишем интернет-магазин с системой скидок. Нам нужно работать с пользователями — постоянными покупателями. Пользователь у нас будет объектом: у него будет имя, возраст и адрес доставки по умолчанию. Мы заведём класс, который поможет нам инициировать нового покупателя.
Здесь сказано: «Вот класс для покупателя. У него есть три свойства: имя, возраст и адрес». Теперь мы можем заводить новых покупателей одной строкой:
# Создаём первого покупателя
# Создаём второго покупателя
Что дальше
В следующем материале мы смоделируем реальную ситуацию: добавим программу лояльности, бонусные баллы и расскажем, как Python с этим справится. Чтобы было интереснее, будем писать код на двух языках сразу — Python и JavaScript.
Всем привет! Объекты очень важная вещь в программировании, которая может облегчить решения многих задач. Например нужно вести дневник пользователя: год рождения, имя, фамилия, местожительство, все это можно продолжать еще очень долго. Поэтому, как и другие языки программирования C++ обзавелся — классами.
Как создать класс
Чтобы объявить класс нужно использовать данную конструкцию:
Обычно прописывают с заглавной буквы. Также в конце обязательно должна присутствовать точка с запятой ( ; ).
Что такое класс
Это абстрактный тип данных. Он сочетает в себе два функционала:
- Первая — это структура, в которой можно хранить различные типы данных: массивы, переменные, функции.
- Вторая — возможность пользоваться объектно-ориентированным программированием (ООП — об этом ниже).
Создав класс можно создать его экземпляр — объект. Объект — это функционирующий прототип класса, которому можно задавать свойства и вызывать методы.
У каждого вами созданного класса могут быть свойства и методы. Свойства — это все что может хранить информацию, которую вы потом можете заполнять (переменные, массивы и т.д.).
Так свойства класса Worker (рабочий) может иметь — имя, производительность (полезность работы) за 6 месяцев, среднюю производительность.
Методы — это обычные функции, в функционале которых можно использовать свойства.
Чтобы обратится к свойствам и методам класса нужно перед названием имени свойства поставить точку . .
Что такое ООП
Раньше программистам приходилось весь функционал программы записывать в одном файле. Что в будущем неизбежно приводило к путанице из-за нескольких сотен и даже тысяч строк. А с приходом классов появилась возможность отделять любую часть программы в отдельный файл.
Например один файл отвечает за инициализацию введенных данных, другой за считывание производительности. Таким образом стала возможным структурировать программу.
В ООП входит такие свойства:
- Инкапсуляция — это возможность задавать разную область видимости определенной части класса .
- Наследование — это свойство создавать новый класс на базе старого. Такие классы называют потомками, например, есть класс магазин , на базе которого можно создать потомки продуктовый_магазин , магазин_одежды (не обращайте внимание, что название на русском языке).
- Полиморфизм — возможность создать объекты с одинаковым интерфейсом, но с разной их реализацией. Например, есть три класса треугольник , круг и квадрат . У каждого из них есть метод SquarePlis() , который вычисляет площадь фигуры. Но для каждого класса функция реализована по-разному.
ООП – Организация Освобождения Палестины.
Аббревиатура.
Резонный вопрос – почему так поздно приступаем к знакомству с ООП? Я тоже считаю, что некоторые главы книги только бы выиграли от их изложения в объектно-ориентированной нотации. Но, сказавши «а», следовало бы сказать и «б», т.е. пришлось бы полностью изложить принципы ООП, а это было бы не совсем правильно:
эта технология ориентирована на создание уже достаточно больших проектов, хотя отдельные части проекта (например, методы классов) все равно разрабатываются в рамках традиционной технологии структурного программирования. Поэтому, на мой консервативный взгляд, чтобы почувствовать преимущества технологии ООП, надо иметь опыт разработки проектов определенной сложности в традиционной технологии;
многие механизмы объектно-ориентированного Си прекрасно иллюстрируются средствами классического Си, чтобы понимать первое, нужно знать второе;
все предыдущие главы иллюстрированы небольшими по объему программами, для которых объектно-ориентированная нотация (именно как для примеров) не обязательна;
ООП – это постановка процесса программирования «с ног на голову», (или с головы на ноги), а это лучше сделать не в середине изложения материала;
И, наконец, такой «монстр» как Си++, пытающийся сочетать в себе все и вся, имеет не совсем удобную, излишне открытую и довольно громоздкую объектно-ориентированную нотацию. Поэтому данный материал следует рассматривать как приглашение к знакомству с тотальными средами ООП, например, Java или C#.
10.1 Объекты и классы
Объект, метод, класс: определения и свойства
«Классами называются большие группы людей, различающиеся по их месту в исторически определенной системе общественного производства, по их отношению) к средствам производства, по их роли в общественной организации труда, а следовательно, по способам получения и размерам той доли общественного богатства, которой они располагают» Ленинское определение классов.
Строго говоря, реализовать идеи ООП можно в классической среде программирования, соблюдая дух, а не букву технологии. Например, библиотека функций, работающая на общую структуру данных, может в первом приближении считаться классом.
Прописные истины объектно-ориентированного подхода
Объектно-ориентированный подход не ограничен синтаксисом. Следует соблюдать не только букву, но и дух ООП. Но даже в самой реализации понятий класса и объекта в языке программирования имеется много очевидных, но не всегда упоминаемых вещей, которые следует помнить. Попробуем их здесь перечислить.
для каждого объекта создается экземпляр данных;
методы класса, с которыми работает объект, представляют собой единственный экземпляр программного кода в сегменте команд, который одинаково выполняется для всех объектов (разделяется ими);
при вызове метода объект, для которого он выполняется, идентифицируется указателем текущего объекта this, задающим контекст текущего объекта.
Таким образом, связка «объект-метод» преобразуется в традиционную последовательность действий: «вызов функции – метода класса с фактическим параметром – указателем на текущий объект».
int a; // struct A < int a; >;
public: vo > // void A::F(A *this) < this->a++; >
если элементы данных класса имеют взаимосвязанные значения, то класс должен поддерживать установленные для них соглашения;
если объект данных класса ссылается на внешние структуры данных, то при синтаксическом копировании объекта необходимо обеспечить независимость связанной структуры данных в объекте-копии (создать ее копию или обеспечить разделение – см. «конструктор копирования»;
если объект содержит идентификаторы каких-либо внешних ресурсов (например, номер коммуникационного порта), то действия класса должны быть аналогичными.
рис. 101-1. Объект: граница ответственности транслятора и программы
double * pd ; // Внутренняя СД – дин. массив коэффициентов
public : void add ( double D 2[], int n 2)<> // Нарушение закрытости – параметр – внутренняя СД
void add ( poly & T )<> // Правильно: параметр – объект того же класса
По отношению к методам это означает, что интерфейс класса (набор методов) должен быть максимально разнообразен, методы должны сочетаться в любых комбинациях, давая широкое разнообразие возможностей работы с объектом.
Полезный совет: желательно избегать многообразия форм представления внутренних данных объекта. Чем их меньше, тем проще обеспечить его целостность и корректность. Например, лучше иметь фиктивный динамический массив, чем NULL-указатель. В примере с классом степенного полинома «пустой» полином лучше представить динамическим массивом с единственным нулевым коэффициентом.
double * pd ; // Внутренняя СД – дин. массив коэффициентов
public : poly () < n =0; pd = NULL ; >// Нежелательно: NULL – отсутствие массива
«Ложась спать, программист ставит рядом два стакана: один полный – если захочет пить, и один пустой – если не захочет». Анекдот в тему.
// Класс степенного полинома – заголовок класса (объявление)
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
double & get ( int k ); // получение ссылки на коэффициент
void add ( poly & T ); // сложение объектов (1=1+2)
void mul ( poly & T ); // умножение объектов объектов (1=1+2)
Целостность объекта. Конструктор. Деструктор
Требование целостности и корректности объекта означают, что объект – это нечто большее, чем просто переменная. При создании переменной ее инициализация вовсе не обязательна, в то время как создание объекта должно сопровождаться установлением его начального состояния (инициализация данных, резервирование памяти, ресурсов, установление связей и т.д.). Аналогичные обратные действия необходимо выполнить при его уничтожении перед освобождением памяти. С этой целью в классе вводятся специальные методы – конструкторы и деструктор. Их имена совпадают с именем класса. Конструкторов для данного класса может быть сколь угодно много, они отличаются формальными параметрами, деструктор же всегда один и имеет имя, предваренное символом "
". Если конструктор имеет формальные параметры, то в определении переменной-объекта после ее имени должны присутствовать в скобках значения фактических параметров.
// Класс степенного полинома – конструкторы и деструктор
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
n=0; // с нулевым коэффициентом
n=m; // с нулевыми коэффициентами
load(n0,p); > // используется вспомогательный метод load
load(T.n, T.pd); > // (конструктор копирования)
Момент вызова конструктора и деструктора определяется временем создания и уничтожения объектов:
для автоматических объектов – конструктор вызывается при входе в функцию (блок), деструктор – при выходе из него;
для динамических объектов – конструктор вызывается при выполнении оператора new, деструктор – при выполнении оператора delete.
В Си++ возможно определение массива объектов класса. При этом конструктор и деструктор автоматически вызываются в цикле для каждого элемента массива и не должны иметь параметров. При выполнении оператора delete для указателя на массив объектов его необходимо предварять скобками.
struct poly < . >; // определение класса
poly a,b(6), c (3, D ); // Статические объекты – конструкторы
// пустой полином, заданной размерности и из массива
poly *p,* q ; // Указатели на объект
poly c,d( c ); // Автоматические объекты
p = new poly ; // Динамический объект
q = new poly [ n ]; // Динамический массив объектов
delete p; // Уничтожение динамического объекта
delete [] q ; // Уничтожение динамического массива объектов
> // Уничтожение автоматических объектов
Замечание: процесс конструирования «вложен» в процесс выделением памяти под переменную. Конструктор вызывается сразу же после выделения памяти, а деструктор – перед ее освобождением.
A(int a1) // Конструктор
A &INC() < a++; return *this; >// Метод класса – инкремент
Класс – структурированный тип с ограниченным доступом
«Настоящий» классы в Си++ отличается от структурированного типа одной единственной мелочью: в классе вводятся ограничения доступа. Естественно, это синтаксические ограничения, и при желании их можно исключить простым редактированием заголовка класса. Это «дисциплинирующие» ограничения, позволяющие установить зоны ответственности программистов – разработчика класса и пользователя класса, обеспечить необходимую закрытость.
В процессе программирования класса участвуют два действующих лица с различной компетенцией: разработчик класса, пишущий его внутренний код, и пользователь класса – программист, создающий объекты этого класса и вызывающий для них его методы. Но ограничения касаются не самих программистов, а кода, который они создают. Внутреннее программирование класса – это разработка программного кода, который находится в теле разрабатываемого класса (точнее, в теле его методов). Внешнее программирование – это разработка кода вне тела проектируемого класса, который создает объекты класса, работает с данными этих объектов и вызывает методы.
Формально класс отличается от структурированного типа ключевым словом class (вместо struct ) и наличием двух областей доступа в теле класса:
закрытая (личная) часть, допускает только внутреннее программирование и закрыта при доступе через объект вне класса. По правилам синтаксиса закрытая часть начинается сразу же вслед за заголовком класса. Она также может быть обозначена меткой private;
открытая (общая) часть класса допускает любой доступ, в том числе и внешний. Она всегда явно обозначается меткой public.
Стандартным является размещение данных объекта в личной части, а методов – в общей части класса. Тогда закрытая личная часть определяет содержимое объекта, а методы общей части образуют интерфейс объекта «к внешнему миру».
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
public:… // метка открытой части
Другие варианты размещения данных и методов в личной и общей части класса встречаются реже, но тоже обоснованы:
в общей части класса могут быть размещены данные, изменение которых пользователем класса не может привести к катастрофическим последствиям (например, цвет фигуры). Естественно, что класс будет учитывать изменение этих данных только при вызове методов (например, при перерисовке фигуры);
в личной части класса может быть размещен внутренний метод, необходимый для работы самого класса. Это могут быть вспомогательные действия, вынесенные за пределы конкретных методов, либо такие операции, корректное выполнение которых требует дополнительных действий.
Таким образом, в первом приближении класс отличается от структуры четко определенным интерфейсом доступа к его элементам. И наоборот, структура – это класс без личной части.
Иногда требуется ввести исключения из правил доступа, когда некоторой функции или классу требуется разрешить доступ к личной части объекта класса. Тогда в определении класса, к объектам которого разрешается такой доступ, должно быть объявление функции или другого класса как «дружественных». Это согласуется с тем принципом, что сам класс определяет права доступа к своим объектам «со стороны».
Объявление дружественной функции представляет собой прототип функции, переопределяемой операции или имя класса, которым разрешается доступ, предваренное ключевым словом friend.
// Классы и функции, дружественные классу A
int x; // Личная часть класса
. // Все «друзья» имеют доступ к x
friend vo > C::fun(A&);
friend vo > xxx(A&,int);
friend vo > C::operator+( А &);
«Друг – это тот, кто имеет исключительное право лезть тебе в душу (личную часть) в любое время».
Возвращаясь к классу полиномов, сразу же заметим, что в нем можно по большей части обойтись без дружественности. Закрытость же касается только данных (размерность и указатель на динамический массив), а также методов, связанных с управлением динамической памятью при изменении размерности полинома.
Задача управления динамической памятью должна быть решена раз и навсегда в начале проектирования класса, чтобы в дальнейшем к ней не возвращаться. Удобнее всего сделать это в виде внутренних методов управления размерностью объекта. Предпочтительнее также создавать дополнительные локальные объекты требуемой размерности, нежели создавать в явном виде динамические структуры данных.
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
void load(int n0, double p[])<
n=n0; // закрытый метод загрузки массива
pd=new double[n+1]; // – не всегда корректно вызывается
vo > // увеличение размерности полинома
double *pd1=new double[n1+1];
for (; i n 1; i ++) pd 1[ i ]=0;// прописать старшие коэффициенты нулями
delete []pd; // удалить старый массив
pd=pd1; // считать новый за старый
vo > // нормализация – удаление лишних 0
> // память не перераспределяется
public :… // метка открытой части
Рассмотрим еще один метод, интересный с точки зрения требований закрытости. Метод возвращает ссылку на выбранный коэффициент полинома, что позволяет работать с ним как по чтению, так и по записи. Хотя это «приоткрывает» доступ к внутренним данным объекта, но реальное использование этой ссылки «во вред объекту» и доступ через нее к другим коэффициентам требует большого искусства и не может быть произведено несознательно (по ошибке). Поэтому такую операцию можно считать безопасной.
// Класс степенного полинома
int n; // степень полинома
double *pd; // динамический массив коэффициентов
static double foo=0; // вне пределов массива – ссылка
if ( k k > n ) return foo ; // на "левую" статическую переменную
Взаимодействие данных и алгоритма в ООП
Проблема «Что первично – курица или яйцо?» применительно к программированию звучит как «Что первично: алгоритм (процедура, функция) или обрабатываемые им данные». В традиционной технологии программирования взаимоотношение алгоритм (процедуры, функции) – данные имеют более-менее свободный характер, причем алгоритм является ведущим в этой связке: функция вызывает функцию, передавая данные друг другу по цепочке. Соответственно, технология структурного проектирования, прежде всего, уделяет внимание разработке алгоритма. Она может быть выражена одной фразой – программирование (выполнение программы) «от функции к функции».
В технологии ООП взаимоотношения данных и алгоритма имеют более регулярный характер: во-первых, класс объединяет в себе данные и методы (функции). Во-вторых, схема взаимодействия функций и данных принципиально иная. Метод (функция), вызываемый для одного объекта, как правило, не вызывает другую функцию непосредственно. Для начала он должен иметь доступ к другому объекту (создать, получить указатель, использовать внутренний объект в текущем и т.д.), после чего он уже может вызвать для него один из известных методов. Следовательно, структура программы определяется взаимодействием объектов различных классов между собой, а процесс выполнения программы выражается фразой «объект-метод-объект».
рис.101-4. Программирование в цепочке «объект-метод-объект»
Особенности модульного проектирования в технологии ООП
· заголовочный файл не должен содержать конструкций языка, порождающих программный код, он должен целиком состоять из определений типов, объявлений переменных и функций и заголовка класса;
· в заголовке класса может присутствовать объявление метода – заголовок со списком типов параметров (прототип), ограниченный точкой с запятой. Это означает, что в заголовочнике упоминается только факт его наличия (с заданным именем и интерфейсом). Тогда в файле тела класса должно быть определение метода, содержащее его заголовок и тело. Заголовок повторяет объявление с одним маленьким отличием: имя метода дается в полной форме в виде имя_класса::имя_метода;
· файл тела класса должен подключать свой заголовочный файл директивой include ;
· для того, чтобы другой класс или main могли создавать объекты некоторого класса и применять к ним методы, необходимо подключать заголовочный файл директивой include ;
· все имена заголовочных файлов и файлов тела класса должны быть включены в проект;
int a; // Данные класса
void add ( A &); // Объявление (прототип) метода
A mul ( A &); // Объявление (прототип) метода
//————————Определение методов класса – файл A . cpp
# include “ A . h ” // Подключение собственного заголовочника
tmp . a *= T . a ; // заголовок с полным именем и тело
//———————— Доступ из другого класса – файл B . h
# include “ A . h ” // Подключение заголовочника класса A
# include “ A . h ” // Подключение заголовочника класса A
A aa , bb ; // Создание объектов класса A
aa . add ( bb ); // Работа с объектами класса A
Естественно, никто не запрещает «свалить все классы в одну кучу», не используя проекта. Для небольших программ это простительно, но не эстетично.
Лабораторный практикум
Разработать класс для требуемого типа данных: внутреннее представление данных, конструкторы, деструктор, методы ввода/вывода, изменения содержимого отдельных элементов. Необходимый материал для вар.14- 18 см . в 9.1.
1. Правильная дробь, представленная целой частью, числителем и знаменателем.
3. Целое число, представленное в виде массива байтов. .Каждый байт хранит 2 цифры числа (часть числа в диапазоне 0..99). Знак числа представлен отдельно.
4. Целое положительное число, представленное в виде массива его простых множителей (произведение которых дает это число).
5. Целое положительное число, представленное в виде массива остатков от деления на первые n 6. Вектор на плоскости, представленный в полярной системе координат (длина, угол поворота).
7. Вещественное число в эспоненциальной форме: нормализованная дробная часть (в диапазоне 0.99. 0.1) – double и целый показатель степени – int.
8. Матрица переменной размерности, представленная динамическим массивом указателей на строки матрицы (линейные динамические массивы).
9. Матрица переменной размерности, представленная динамическим массивом, в котором строки матрицы расположены последовательно друг за другом.
10. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены динамическим массивом с элементами (x,y,v) координаты, значение.
11. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены односвязным списком с элементами (x,y,v) координаты, значение.
12. Разреженная матрица переменной размерности, ненулевые коэффициенты представлены двусвязным циклическим списком с элементами (x,y,v) координаты, значение.
13. Множество, элементами которого являются целые числа. Операции объединения и пересечения множеств, добавления элемента, проверки на вхождение, разности множеств.
14. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в прямом коде. Знак представлен отдельным элементом данных.
15. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в прямом коде. Знак представлен старшей цифрой (0 /1).
16. Целые произвольной длины со знаком во внешней форме представления в виде строки цифр в дополнительном коде.
17. Целые произвольной длины во внутреннем двоичном представлении (динамический массив байтов) в прямом коде. Знак представлен отдельным элементом данных.
18. Целые произвольной длины во внутреннем двоичном представлении (динамический массив байтов) в дополнительном коде.
