Процедурное, структурированное и объектно-ориентированное программирование

До недавних пор программы рассматривались как последовательности процедур, выполнявших некоторые действия над данными. Процедура, или функция, представляет собой набор определенных команд, выполняемых друг за другом. Данные были отделены от процедур, и главным в программировании было проследить, какая функция, какую вызывает и какие данные при этом меняются. Чтобы внести ясность в эту потенциально запутанную ситуацию, были разработаны принципы структурированного программирования.

Основная идея структурированного программирования вполне соответствует принципу "разделяй и властвуй". Компьютерную программу можно представить состоящей из набора задач. Любая задача, которая слишком сложна для простого описания, должна быть разделена на несколько более мелких составных задач, и это деление необходимо продолжать до тех пор, пока задачи не станут достаточно простыми для понимания.

В качестве примера возьмем вычисление средней заработной платы всех служащих компании. Это не такая уж простая задача. Однако ее можно разбить на ряд подзадач.

1. Выясняем, сколько зарабатывает каждый служащий.

2. Подсчитываем количество людей в компании.

3. Суммируем все зарплаты.

4. Делим суммарную зарплату на количество служащих в компании.

Суммирование зарплат тоже можно разделить на несколько этапов.

1. Читаем запись каждого служащего.

2. Получаем доступ к информации о зарплате.

3. Прибавляем очередное значение зарплаты к накопительной сумме.

4. Читаем запись следующего служащего.

В свою очередь, операцию чтения записи каждого служащего можно разбить на еще более мелкие подоперации.

1. Открываем файл служащих.

2. Переходим к нужной записи.

3. Считываем данные с диска.

Структурированное программирование остается довольно успешным способом решения сложных проблем. Однако к концу 1980-х годов слишком очевидными стали некоторые недостатки структурированного программирования.

Во-первых, не было реализовано естественное желание думать о данных (например, записях служащих) и действиях над ними (сортировке, редактировании и т.п.) как о едином целом. Процедурное программирование, наоборот, отделяло структуры данных от функций, которые манипулировали этими данными.

Во-вторых, программисты обнаружили, что они постоянно переизобретают новые решения старых проблем. Такая ситуация часто называется изобретением колеса (или велосипеда). Желание иметь возможность многократного использования рутинных блоков, повторяющихся во многих программах, вполне естественно. Это чем-то напоминает сборку приемника из радиодеталей. Конструктору не нужно каждый раз изобретать диоды и транзисторы. Он просто использует стандартные, заранее подготовленные радиодетали. Но для разработчиков программных продуктов такой возможности долгое время не было.

Внедрение в практику дружеского пользовательского интерфейса с рамочными окнами, меню и экранными кнопками определило новый подход к программированию. Программы стали выполняться не последовательно от начала до конца, а отдельными блоками в ответ на выполнение некоторого события. При возникновении определенного события (например, щелчка на кнопке или выбора из меню команды) программа должна отреагировать на него соответствующим образом. При таком подходе программы становятся все более интерактивными, что необходимо учитывать при их разработке.

Новый термин:Работая с программами прошлого поколения, пользователь вынужден был проходить через последовательность экранов, чтобы добраться до нужного. В современных программах сразу предоставляется возможность выбора из всех предусмотренных разработчиком вариантов и обеспечивается соответствующая реакция на выбор пользователя.

Объектно-ориентированное программирование стремится отвечать этим требованиям, предоставляя технологию управления элементами любой сложности, создавая условия для многократного использования программных компонентов и объединяя данные с методами манипуляции ими.

Суть объектно-ориентированного программирования состоит в том, чтобы обращаться с данными и процедурами, которые выполняют действия над этими данными, как с единым объектом, т.е. самодостаточным элементом, который в чем-то идентичен другим таким же объектам, но в то же время отличается от них определенными уникальными свойствами.

Язык C++ и объектно-ориентированное программирование

В языке C++ полностью поддерживаются принципы объектно-ориентированного программирования, включая три кита, на которых оно стоит: инкапсуляцию, наследование и полиморфизм.

Инкапсуляция

Когда инженер использует в своей разработке резистор, он не изобретает его заново, а идет на склад (в магазин, к коллеге — возможны варианты) и в соответствии с заданными параметрами подбирает себе нужную деталь. При этом его не очень-то волнует, как устроен данный конкретный резистор, лишь бы он работал в соответствии с заводскими характеристиками.

Именно это свойство скрытости или автономности объектов, используемых во внешних конструкциях, называется инкапсуляцией. С помощью инкапсуляции можно обеспечить сокрытие данных. Это очень важная характеристика, благодаря которой пользователь может не задумываться о внутренней работе используемого объекта. Подобно тому, как использование холодильника не требует знаний о принципах работы рефрижератора, применение хорошо разработанного программного объекта позволяет не заботиться о взаимоотношениях его внутренних переменных-членов.

Еще раз приведем аналогию: для эффективного использования резистора инженеру совсем не обязательно знать принципы его работы и внутреннее устройство. Все свойства резистора инкапсулированы (т.е. скрыты) в самом резисторе, важно только, чтобы он правильно справлялся со своими функциями.

В языке C++ свойство инкапсуляции поддерживается посредством создания нестандартных (пользовательских) типов данных, называемых классами. О том, как создаются классы, вы узнаете на занятии 6. После создания хорошо определенный класс действует как полностью инкапсулированный объект, т.е. его можно использовать в качестве целого программного модуля. Настоящая же внутренняя работа класса должна быть скрыта. Пользователям хорошо определенного класса не нужно знать, как этот класс работает; им нужно знать только одно — как его использовать.