Технологии программирования

Различие между вызовом процедуры и пересылкой сообщения состоит в том, что в последнем случае существует определенный получатель и интерпретация (т. е. выбор подходящего метода, запускаемого в ответ на сообщение), которая может быть различной для разных получателей.

Обычно конкретный объект-получатель неизвестен вплоть до выполнения программы, так что определить, какой метод, какого объекта будет вызван, заранее невозможно (конкретный кассир заранее не знает, кто и когда из конкретных покупателей обратится к нему). В таком случае говорят, что имеет место позднее связывание между сообщением (именем процедуры или функции) и фрагментом кода (методом), исполняемым в ответ на сообщение. Эта ситуация противопоставляется раннему связыванию (на этапе компилирования или компоновки программы) имени с фрагментом кода, что происходит при традиционных вызовах процедур.

Фундаментальной концепцией в объектно-ориентированном программировании является понятие классов. Все объекты являются представителями, или экземплярами, классов. Например: у вас наверняка есть примерное представление о реакции кассира на запрос о заказе билетов, поскольку вы имеете общую информацию о людях данной профессии (например, кассире кинотеатра) и ожидаете, что он, будучи представителем данной категории, в общих чертах будет соответствовать шаблону. То же самое можно сказать и о представителях других профессий, что позволяет разделить человеческое общество на определенные категории по профессиональному признаку (на классы). Каждая категория в свою очередь делится на представителей этой категории. Таким образом, человеческое общество представляется в виде иерархической структуры с наследованием свойств классов объектов всех категорий. В корне такой классификации может находиться класс "HomoSapience" или даже класс "млекопитающие" (рис. 8.1).

Метод, активизируемый объектом в ответ на сообщение, определяется классом, к которому принадлежит получатель сообщения. Все объекты одного класса используют одни и те же методы в ответ на одинаковые сообщения.

Классы могут быть организованы в иерархическую структуру с наследованием свойств. Класс-потомок наследует атрибуты родительского класса, расположенного ниже в иерархическом дереве (если дерево иерархии наследования растет вверх). Абстрактный родительский класс — это класс, не имеющий экземпляров объектов. Он используется только для порождения потомков. Класс "HomoSapience", скорее всего, будет абстрактным, поскольку для практического применения, например работодателю, экземпляры его объектов не интересны.

Рис. 8.1. Понятие создания объекта как экземпляра класса ПТИЦЫ

Итак, пусть абстрактным родительским классом у работодателя будет класс "трудоспособный человек", который включает методы доступа к внутренним данным, а также поля самих внутренних данных: фамилия; имя; отчество; дата рождения; домашний адрес; домашний телефон; сведения об образовании; сведения о трудовом стаже и т. д. От данного класса могут быть унаследованы классы: "кассир", "водитель автомобиля", "музыкант". Класс "кассир" располагает методами работы: общение с клиентом по правилам, получение денег, выдача денег, общение с инкассатором и т. д. От класса "кассир" могут быть унаследованы классы: "кассир, выдающий зарплату", "кассир железнодорожной кассы". Кассир железнодорожной кассы отличается от кассира, выдающего зарплату, дополнительными знаниями и навыками работы.

От класса "кассир железнодорожной кассы" могут быть получены экземпляры объектов: "кассир кассы № 1", "кассир кассы № 2", "кассир кассы № 3" и т. д.

В помещении большого вокзала можно обнаружить множество одинаково оборудованных объектов — касс. Однако среди касс можно выделить различающиеся кассы: суточные, предварительные, воинские, работающие по бронированию билетов и т. д. Для того чтобы начальнику вокзала поменять один вид кассы на другой, нет необходимости перестраивать помещение кассы и менять оборудование. Ему достаточно заменить в кассе кассира с одними навыками на кассира с другими навыками. Кассир вставляет табличку с новой надписью вида кассы — и все. Заметим, что смена функции касс произошла без остановки работы вокзала. Такая замена становится простой именно потому, что все помещения касс имеют одинаковый интерфейс с кассирами и клиентами. Теперь разные объекты, поддерживающие одинаковые интерфейсы, могут выполнять в ответ на запросы разные операции.

Ассоциация запроса с объектом и одной из его операций во время выполнения называется динамическим связыванием. Динамическое связывание позволяет во время выполнения подставить вместо одного объекта другой, если он имеет точно такой же интерфейс. Такая взаимозаменяемость называется полиморфизмом и является еще одной фундаментальной особенностью объектно-ориентированных систем (рис. 8.2).

Пусть, согласно произведенной классификации, объекты "скрипач с фамилией Петров" и "водитель автомобиля Сидоров" будут экземплярами разных классов. Для того чтобы получить объект "Иванов, являющийся одновременно скрипачом и водителем", необходим особый класс, который может быть получен из классов "скрипач" и "водитель автомобиля" множественным наследованием (рис. 8.3). Теперь работодатель, послав особое сообщение делегирования, может поручить (делегировать) объекту "Иванов" выполнять функцию либо водителя, либо скрипача. Объект "Иванов", находящийся за рулем автомобиля, не должен начать играть на скрипке. Для этого должен быть реализован механизм самоделегирования полномочий — объект "Иванов", находясь за рулем, запрещает сам себе игру на скрипке. Таким образом, понятие обязанности или ответственности за выполнение действия является фундаментальным в объектно-ориентированном программировании.

Рис. 8.3. Пример простого и множественного наследования

В системах программирования с отсутствующим множественным наследованием задачи, требующие множественного наследования, всегда могут быть решены композицией (агрегированием) с последующим делегированием полномочий.

Композиция объектов — это реализация составного объекта, состоящего из нескольких совместно работающих объектов и образующих единое целое с новой, более сложной функциональностью.

Агрегированный объект — объект, составленный из подобъектов. Подобъекты называются частями агрегата, и агрегат отвечает за них. Например, в системах с множественным наследованием шахматная фигура ферзь может быть унаследована от слона и ладьи. В системах с отсутствующим множественным наследованием можно получить ферзя двумя способами. Согласно первому способу, можно создать класс "любая_фигура" и далее, в периоде выполнения, делегировать полномочия каждому объекту-экземпляру данного класса быть ладьей, слоном, ферзей, пешкой и т. д. По второму способу после получения классов "ладья" и "слон" их можно объединить композицией в класс "ферзь". Теперь объект класса "ферзь" можно использовать как объект "ферзь" или даже как объект "слон", для чего объекту "ферзь" делегируется выполнение полномочий слона. Более того, можно делегировать объекту "ферзь" полномочия стать объектами "король" или даже "пешка"! Для композиции требуется, чтобы объединяемые объекты имели четко определенные интерфейсы. И у наследования, и у композиции есть достоинства и недостатки.

Наследование класса определяется статически на этапе компиляции; его проще использовать, поскольку оно напрямую поддержано языком программирования.

Но у наследования класса есть и минусы. Во-первых, нельзя изменить унаследованную от родителя реализацию во время выполнения программы, поскольку само наследование фиксировано на этапе компиляции. Во-вторых, родительский класс нередко, хотя бы частично, определяет физическое представление своих подклассов. Поскольку подклассу доступны детали реализации родительского класса, то часто говорят, что наследование нарушает инкапсуляцию. Реализации подкласса и родительского класса настолько тесно связаны, что любые изменения последней требуют изменять и реализацию подкласса.

Композиция объектов определяется динамически во время выполнения за счет того, что объекты получают ссылки на другие объекты. Композицию можно применить, если объекты соблюдают интерфейсы друг друга. Для этого, в свою очередь, требуется тщательно проектировать интерфейсы, так чтобы один объект можно было использовать вместе с широким спектром других. Но и выигрыш велик, поскольку доступ к объектам осуществляется только через их интерфейсы, мы не нарушаем инкапсуляцию. Во время выполнения программы любой объект можно заменить другим, лишь бы он имел тот же тип. Более того, поскольку при реализации объекта кодируются прежде всего его интерфейсы, то зависимость от реализации резко снижается.

Композиция объектов влияет на дизайн системы и еще в одном аспекте. Отдавая предпочтение композиции объектов, а не наследованию классов, вы инкапсулируете каждый класс и даете ему возможность выполнять только свою задачу. Классы и их иерархии остаются небольшими, и вероятность их разрастания до неуправляемых размеров невелика. С другой стороны, дизайн, основанный на композиции, будет содержать больше объектов (хотя число классов, возможно, уменьшится), и поведение системы начнет зависеть от их взаимодействия, тогда как при другом подходе оно было бы определено в одном классе.