ООП как развитие идей структурного подхода

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. Теоретическая часть 5

1.1. ООП как развитие идей структурного подхода 5

1.2. Свойства ООП 8

1.3. Описание класса 10

1.4. Описание объектов 14

1.5. Указатель this 16

1.6. Конструкторы 17

1.7. Статические элементы класса 22

1.8. Дружественные функции и классы 24

1.9. Деструкторы 26

1.10. Перегрузка операций 28

1.11. Указатели на элементы классов 32

2. Практическая часть 34

2.1. Описание полей класса 35

2.2. Функции – члены класса и дружественные функции 36

2.3. Разработка текста программы 37

2.4. Листинг программы 39

2.5. Результат выполнения программы 44

Заключение 45

Список используемой литературы 46

ВведениеООП 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).

Формирование КОП от ООП произошло, как случилось формирование модульного от процедурного программирования: процедуры сформировались в модули — независимые части кода до уровня сборки программы, так объекты сформировались в компоненты — независимые части кода до уровня выполнения программы. Взаимодействие объектов происходит посредством сообщений. Результатом дальнейшего развития ООП, по-видимому, будет агентно-ориентированое программирование, где агенты — независимые части кода на уровне выполнения. Взаимодействие агентов происходит посредством изменения среды, в которой они находятся.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной (исключительные ситуации, проверки) и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты (в аспектно-ориентированном программировании). Субъектно-ориентированное программирование расширяет понятие объект посредством обеспечения более унифицированного и независимого взаимодействия объектов. Может являться переходной стадией между ООП и агентным программирование в части самостоятельного их взаимодействия.

Первым языком программирования, в котором были предложены принципы объектной ориентированности, была Симула. В момент своего появления (в 1967 году), этот язык программирования предложил поистине революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Тем не менее, большинство концепций были развиты Аланом Кэйем и Дэном Ингаллсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования.

В настоящее время количество прикладных языков программирования (список языков), реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. В области системного программирования до сих пор применяется парадигма процедурного программирования, и общепринятым языком программирования является язык C. Хотя при взаимодействии системного и прикладного уровней операционных систем заметное влияние стали оказывать языки объектно-ориентированного программирования. Например, одной из наиболее распространенных библиотек мультиплатформенного программирования является объектно-ориентированная библиотека Qt, написанная на языке C++.

Теоретическая часть

ООП как развитие идей структурного подхода

В окончательном виде любая программа представляет собой набор инструкций процессора. Все, что написано на любом языке программирования - более удобная, упрощенная запись этого набора инструкций, облегчающая написание, отладку и последующую модификацию программы. Чем выше уровень языка, тем в более простой форме записываются одни и те же действия.

С ростом объема программы становится невозможным удерживать в памяти все детали, и становится необходимым структурировать информацию, выделять главное и отбрасывать несущественное. Этот процесс называется повышением степени абстракции программы.

Для языка высокого уровня первым шагом к повышению абстракции является использование функций, позволяющее после написания и отладки функции отвлечься от деталей ее реализации, поскольку для вызова функции требуется знать только ее интерфейс. Если глобальные переменные не используются, интерфейс полностью определяется заголовком функции.

Следующий шаг - описание собственных типов данных, позволяющих структурировать и группировать информацию, представляя ее в более естественном виде. Например, все разнородные сведения, относящиеся к одному виду товара на складе, можно представить с помощью одной структуры.

Для работы с собственными типами данных требуются специальные функции. Естественно сгруппировать их с описанием этих типов данных в одном месте программы, а также по возможности отделить от ее остальных частей. При этом для использования этих типов и функций не требуется полного знания того, как именно они написаны - необходимы только описания интерфейсов. Объединение в модули описаний типов данных и функций, предназначенных для работы с ними, со скрытием от пользователя модуля несущественных деталей является дальнейшим развитием структуризации программы.

Все три описанных выше метода повышения абстракции преследуют цель упростить структуру программы, то есть представить ее в виде меньшего количества более крупных блоков и минимизировать связи между ними. Это позволяет управлять большим объемом информации и, следовательно, успешно отлаживать более сложные программы.

Введение понятия класса является естественным развитием идей модульности. В классе структуры данных и функции их обработки объединяются. Класс используется только через его интерфейс - детали реализации для пользователя класса не существенны.

Идея классов отражает строение объектов реального мира - ведь каждый предмет или процесс обладает набором характеристик или отличительных черт, иными словами, свойствами и поведением. Программы в основном предназначены для моделирования предметов, процессов и явлений реального мира, поэтому удобно иметь в языке программирования адекватный инструмент для представления моделей.

Класс является типом данных, определяемым пользователем. В классе задаются свойства и поведение какого-либо предмета или процесса в виде полей данных (аналогично структуре) и функций для работы с ними. Создаваемый тип данных обладает практически теми же свойствами, что и стандартные типы (напомню, что тип задает внутреннее представление данных в памяти компьютера, множество значений, которое могут принимать величины этого типа, а также операции и функции, применяемые к этим величинам).

Существенным свойством класса является то, что детали его реализации скрыты от пользователей класса за интерфейсом. Интерфейсом класса являются заголовки его открытых методов. Таким образом, класс как модель объекта реального мира является черным ящиком, замкнутым по отношению к внешнему миру.

Идея классов является основой объектно-ориентированного программирования (ООП). Основные принципы ООП были разработаны еще в языках Simula-67 и Smalltalk, но в то время не получили широкого применения из-за трудностей освоения и низкой эффективности реализации. В С++ эти концепции реализованы эффективно и непротиворечиво, что и явилось основой успешного распространения этого языка и внедрения подобных средств в другие языки программирования.

Идеи ООП не очень просты для практического использования (их неграмотное применение приносит гораздо больше вреда, чем пользы), а освоение существующих стандартных библиотек требует времени и высокого уровня первоначальной подготовки.

Конкретные переменные типа данных "класс" называются экземплярами класса, или объектами. Объекты взаимодействуют между собой, посылая и получая сообщения. Сообщение - это запрос на выполнение действия, содержащий набор необходимых параметров. Механизм сообщений реализуется с помощью вызова соответствующих функций. Таким образом, с помощью ООП легко реализуется так называемая "событийно-управляемая модель", когда данные активны и управляют вызовом того или иного фрагмента программного кода.

Свойства ООП

Основными свойствами ООП являются инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Объединение данных с функциями их обработки в сочетании со скрытием ненужной для использования этих данных информации называется инкапсуляцией (encapsulation). Инкапсуляция повышает степень абстракции программы: данные класса и реализация его функций находятся ниже уровня абстракции, и при написании программы информация о них не нужна. Кроме того, инкапсуляция позволяет изменить реализацию класса без модификации основной части программы, если интерфейс остался прежним (например, при необходимости сменить способ хранения данных с массива на стек).

Инкапсуляция позволяет использовать класс в другом окружении и быть уверенным, что класс не испортит не принадлежащие ему области памяти, а также создавать библиотеки классов для применения во многих программах.

Наследование - возможность создания иерархии классов, когда потомки наследуют все свойства своих предков, могут их изменять и добавлять новые. Свойства при наследовании повторно не описываются, что сокращает объем программы. Выделение общих черт различных классов в один класс-предок является мощным механизмом абстракции - ведь и любая наука начинается с абстрагирования и классификации, которые помогают справиться со сложностью рассматриваемой предметной области.

Иерархия классов представляется в виде древовидной структуры, в которой более общие классы располагаются ближе к корню, а более специализированные - на ветвях и листьях. В С++ каждый класс может иметь сколько угодно потомков и предков. Иногда предки называются надклассами или суперклассами, а потомки - подклассами или субклассами.

Третьим китом, на котором стоит ООП, является полиморфизм - возможность использовать в различных классах иерархии одно имя для обозначения сходных по смыслу действий и гибко выбирать требуемое действие во время выполнения программы.

Понятие полиморфизма используется в С++ весьма широко. Простым примером полиморфизма может служить перегрузка функций, когда из нескольких вариантов выбирается наиболее подходящая функция по соответствию ее прототипа передаваемым параметрам. Другой пример - использование шаблонов функций, когда один и тот же код видоизменяется в соответствии с типом, переданным в качестве параметра. Чаще всего понятие полиморфизма связывают с механизмом виртуальных методов.

Использование при программировании понятий, более близких к предметной области, благодаря представлению программы в терминах поведения объектов является большим преимуществом ООП. Однако проектирование такой программы представляет собой весьма сложную задачу, поскольку в процесс добавляется еще один важный этап - разработка иерархии классов.

Плохо спроектированная иерархия приводит к созданию сложных и запутанных программ. Важно до начала проектирования правильно определить, требуется ли вообще применять объектно-ориентированный подход. Если в иерархии классов нет необходимости, то, как правило, достаточно ограничиться модульной технологией.

Описание класса

Класс - это описание определяемого типа. Любой тип данных представляет собой множество значений и набор действий, которые разрешается выполнять с этими значениями. Например, сами по себе числа не представляют интереса - нужно иметь возможность ими оперировать: складывать, вычитать, вычислять квадратный корень и т. д. В С++ множество значений нового типа определяется задаваемой в классе структурой данных, а действия с объектами нового типа реализуются в виде функций и перегруженных операций С++.

Данные класса называются полями (по аналогии с полями структуры), а функции класса - методами. Поля и методы называются элементами класса. Описание класса в первом приближении выглядит так:

class <имя>{

[ private: ]

<описание скрытых элементов>

public:

<описание доступных элементов>

}; // Описание заканчивается точкой с запятой

Спецификаторы доступа private и public управляют видимостью элементов класса. Элементы, описанные после служебного слова private, видимы только внутри класса. Этот вид доступа принят в классе по умолчанию. Интерфейс класса описывается после спецификатора public. Действие любого спецификатора распространяется до следующего спецификатора или до конца класса. Можно задавать несколько секций private и public, порядок их следования значения не имеет.

Поля класса:

1. могут быть простыми переменными любого типа, указателями, массивами и ссылками (т.е. могут иметь практически любой тип, кроме типа этого же класса, но могут быть указателями или ссылками на этот класс);

2. могут быть константами (описаны с модификатором const), при этом они инициализируются только один раз (с помощью конструктора) и не могут изменяться;

3. могут быть описаны с модификатором static, но не как auto, extern и register.

Классы могут быть глобальными (объявленными вне любого блока) и локальными (объявленными внутри блока, например, внутри функции или внутри другого класса). Обычно классы определяются глобально.

Локальные классы имеют некоторые особенности:

локальный класс не может иметь статических элементов;
внутри локального класса можно использовать из охватывающей его области типы, статические (static) и внешние (extern) переменные, внешние функции и элементы перечислений;
запрещается использовать автоматические переменные из охватывающей класс области;
методы локальных классов могут быть только встроенными (inline);
если один класс вложен в другой класс, они не имеют каких-либо особых прав доступа к элементам друг друга и могут обращаться к ним только по общим правилам.

В качестве примера создадим класс, моделирующий персонаж компьютерной игры. Для этого требуется задать его свойства (например, количество щупалец, силу или наличие гранатомета) и поведение. Естественно, пример будет схематичен, поскольку приводится лишь для демонстрации синтаксиса.

class monster

{

int health, ammo;

public:

monster(int he = 100, int am = 10)

{ health = he; ammo = am;}

void draw(int x, int y, int scale, int position);

int get_health(){return health;}

int get_ammo(){return ammo;}};

В этом классе два скрытых поля - health и ammo, получить значения которых извне можно с помощью методов get_health() и get_ammo(). Доступ к полям с помощью методов в данном случае кажется искусственным усложнением, но надо учитывать, что полями реальных классов могут быть сложные динамические структуры, и получение значений их элементов не так тривиально. Кроме того, очень важной является возможность вносить в эти структуры изменения, не затрагивая интерфейс класса.

Методы класса имеют неограниченный непосредственный доступ к его полям. Внутри метода можно объявлять объекты, указатели и ссылки как своего, так и других классов.

В приведенном классе содержится три определения методов и одно объявление (метод draw). Если тело метода определено внутри класса, он является встроенным (inline). Как правило, встроенными делают короткие методы. Если внутри класса записано только объявление (заголовок) метода, сам метод должен быть определен в другом месте программы с помощью операции доступа к области видимости:

void monster::draw(int x, int y, int scale, int position)

{ /* тело метода */}

Встроенные методы можно определить и вне класса с помощью директивы inline (как и для обычных функций, она носит рекомендательный характер):

inline int monster::get_ammo()

{return ammo;}

Методы можно перегружать (это одно из проявлений полиморфизма), а также объявлять либо константными, либо статическими (но не одновременно).

В каждом классе есть метод, имя которого совпадает с именем класса. Он называется конструктором и вызывается автоматически при создании объекта класса. Конструктор предназначен для инициализации объекта. Автоматический вызов конструктора позволяет избежать ошибок, связанных с использованием неинициализированных переменных. Типы данных struct и union являются специальными видами класса.

Описание объектов

Конкретные переменные типа данных "класс" называются экземплярами класса, или объектами. Время жизни и видимость объектов зависит от вида и места описания и подчиняется общим правилам С++:

monster Vasia; // Объект класса monster с параметрами по умолчанию

monster Super(200, 300);// Объект с явной инициализацией

monster stado[100]; // Массив объектов с параметрами по умолчанию

/* Динамический объект (второй параметр задается по умолчанию) */

monster *beavis = new monster (10);

monster &butthead = Vasia; // Ссылка на объект

При создании каждого объекта выделяется память, достаточная для хранения всех его полей, и автоматически вызывается конструктор, выполняющий их инициализацию. Методы класса не тиражируются. При выходе объекта из области действия он уничтожается, при этом автоматически вызывается деструктор.

Доступ к открытым (public) элементам объекта аналогичен доступу к полям структуры. Для этого используются операция . (точка) при обращении к элементу через имя объекта и операция -> при обращении через указатель:

объект.поле

указатель -> поле

(*указатель).поле

объект.метод( параметры )

указатель -> метод( параметры )

(*указатель).метод( параметры )

Обращение к открытому полю и вызов метода для массива объектов:

имя_массива[ индекс ].поле

имя_массива[ индекс ].метод( параметры )

Например:

int n = Vasia.get_ammo();

stado[5].draw;

cout << beavis->get_health();

Получить или изменить значения private элементов можно только через обращение к соответствующим методам.

Можно создать константный объект, значения полей которого изменять запрещается. К нему должны применяться только константные методы:

class monster{

...

int get_health() const {return health;}

};

const monster Dead (0,0); // Константный объект

cout << Dead.get_health();

Константный метод:

объявляется с ключевым словом const после списка параметров;
не может изменять значения полей класса;
может вызывать только константные методы;
может вызываться для любых (не только константных) объектов.

Рекомендуется описывать как константные те методы, которые предназначены для получения значений полей.

Указатель this

Каждый объект содержит свой экземпляр полей класса. Методы места в классе не занимают и не дублируются для каждого объекта. Единственный экземпляр метода используется всеми объектами совместно, поэтому нестатический метод должен "знать", для какого объекта он вызван.

Каждый нестатический метод, помимо явно объявленных параметров, получает еще один скрытый параметр: константный указатель на объект, для которого он вызван. В С++ это указатель обозначается зарезервированным словом this. Когда имя параметра метода совпадает с именем поля класса, доступ к полю выполняется через этот указатель (например, this -> num).

Выражение *this представляет собой разыменование указателя и имеет тип определяемого класса. Обычно это выражение возвращается в качестве результата, если метод возвращает ссылку на свой класс (return *this;).

Для иллюстрации использования указателя this добавим в приведенный выше класс monster новый метод, возвращающий ссылку на наиболее здорового (поле health) из двух монстров, один из которых вызывает метод, а другой передается ему в качестве параметра (метод нужно поместить в секцию public описания класса):

monster & the_best(monster &M)

{

if( health > M.get_health())

return *this;

return M;

} ...

monster Vasia(50), Super(200);

// Новый объект Best инициализируется значениями полей Super

monster Best = Vasia.the_best(Super);

Конструкторы

Конструктор предназначен для инициализации объекта и вызывается автоматически при его создании. Ниже перечислены основные свойства конструкторов.

Конструктор не возвращает значения, даже типа void. Нельзя получить указатель на конструктор.
Класс может иметь несколько конструкторов с разными параметрами для разных видов инициализации (при этом используется механизм перегрузки).
Конструктор, который можно вызвать без параметров, называется конструктором по умолчанию.
Параметры конструктора могут иметь любой тип, кроме этого же класса. Можно задавать значения параметров по умолчанию. Их может содержать только один из конструкторов.
Если программист не указал ни одного конструктора, компилятор создает его автоматически (кроме случая, когда класс содержит константы и ссылки, поскольку их необходимо инициализировать). Такой конструктор вызывает конструкторы по умолчанию для полей класса и конструкторы базовых классов.
Конструкторы не наследуются.
Конструктор не может быть константным, статическим и виртуальным (нельзя использовать модификаторы const, virtual и static).
Конструкторы глобальных объектов вызываются до вызова функции main. Локальные объекты создаются, как только становится активной область их действия. Конструктор запускается и при создании временного объекта (например, при передаче объекта из функции).

При объявлении объектов вызывается один из конструкторов. При отсутствии инициализирующего выражения в объявлении объекта вызывается конструктор по умолчанию, при инициализации другим объектом того же типа - конструктор копирования, при инициализации полей - один из явно определенных конструкторов инициализации (т.е. конструкторов, которым передаются параметры для инициализации полей объекта).

Конструкторы часто вызываются неявно для создания временных объектов. Обычно это происходит в следующих случаях:

при инициализации;
при выполнении операции присваивания;
для задания значений параметров по умолчанию;
при создании и инициализации массива;
при создании динамических объектов;
при передаче параметров в функцию и возврате результатов по значению.

Примеры:

monster Super(200, 300), Vasia(50);

monster X = monster(1000);

В последнем операторе создается объект Х, которому присваивается безымянный объект со значением параметра health = 1000 (значения остальных параметров устанавливаются по умолчанию).

При создании динамического массива вызывается конструктор без аргументов.

В качестве примера класса с несколькими конструкторами усовершенствуем описанный ранее класс monster, добавив в него поля, задающие цвет (skin) и имя (name):

enum color {red, green, blue}; // Возможные значения цвета

class monster

{

int health, ammo;

color skin;

char *name;

public:

monster(int he = 100, int am = 10);

monster(color sk);

monster(char * nam);

...

};

//--------------------------------

monster::monster(int he, int am)

{ health = he; ammo = am; skin = red; name = 0;}

//--------------------------------

monster::monster(color sk)

{

switch (sk)

{

case red: health = 100; ammo = 10; skin = red; name = 0; break;

case green: health = 100;ammo = 20;skin = green;name = 0;break;

case blue: health = 100; ammo = 40; skin = blue;name = 0;break;

}

//--------------------------------

monster::monster(char * nam)

{

/* К длине строки добавляется 1 для хранения нуль-символа */

name = new char [strlen(nam) + 1];

strcpy(name, nam);

health = 100; ammo = 10; skin = red;

}

//--------------------------------

monster * m = new monster ("Ork");

monster Green (green);

Первый из приведенных выше конструкторов является конструктором по умолчанию, поскольку его можно вызвать без параметров. Объекты класса monster теперь можно инициализировать различными способами, требуемый конструктор будет вызван в соответствии со списком инициализации. При задании нескольких конструкторов следует соблюдать те же правила, что и при написании перегруженных функций - у компилятора должна быть возможность распознать нужный вариант.

Существует еще один способ инициализации полей в конструкторе - с помощью списка инициализаторов, расположенным после двоеточия между заголовком и телом конструктора:

monster::monster(int he, int am):

health (he), ammo (am), skin (red), name (0){}

Поля перечисляются через запятую. Для каждого поля в скобках указывается инициализирующее значение, которое может быть выражением. Без этого способа не обойтись при инициализации полей-констант, полей-ссылок и полей-объектов. В последнем случае будет вызван конструктор, соответствующий указанным в скобках параметрам.

Конструктор копирования

Конструктор копирования - это специальный вид конструктора, получающий в качестве единственного параметра указатель на объект этого же класса:

T::T(const T&) { ... /* Тело конструктора */ }

где T - имя класса. Этот конструктор вызывается в тех случаях, когда новый объект создается путем копирования существующего:

при описании нового объекта с инициализацией другим объектом;
при передаче объекта в функцию по значению;
при возврате объекта из функции.

Если программист не указал ни одного конструктора копирования, компилятор создает его автоматически. Такой конструктор выполняет поэлементное копирование полей. Если класс содержит указатели или ссылки, это, скорее всего, будет неправильным, поскольку и копия, и оригинал будут указывать на одну и ту же область памяти.

Запишем конструктор копирования для класса monster. Поскольку в нем есть поле name, содержащее указатель на строку символов, конструктор копирования должен выделять память под новую строку и копировать в нее исходную:

monster::monster(const monster &M)

{

if (M.name)

{

name = new char [strlen(M.name) + 1];

strcpy(name, M.name);

}

else name = 0;

health = M.health; ammo = M.ammo; skin = M.skin;

}

...

monster Vasia (blue);