Общая характеристика классов

Класс— описание множества объектов, которые разделяют одинаковые свойства, операции, отношения и семантику (смысл). Любой объект — просто экземпляр класса.

Как показано на рис. 9.9, различают внутреннее представление класса (реализацию) и внешнее представление класса (интерфейс).

Интерфейс объявляет возможности (услуги) класса, но скрывает его структуру и поведение. Иными словами, интерфейс демонстрирует внешнему миру абстракцию класса, его внешний облик. Интерфейс в основном состоит из объявлений всех операций, применимых к экземплярам класса. Он может также включать объявления типов, переменных, констант и исключений, необходимых для полноты данной абстракции.

Рис. 9.9.Структуре представления класса

Интерфейс может быть разделен на 3 части:

1) публичную (public), объявления которой доступны всем клиентам;

2) защищенную (protected), объявления которой доступны только самому классу, его подклассам и друзьям;

3) приватную (private), объявления которой доступны только самому классу и его друзьям.

Другом класса называют класс, который имеет доступ ко всем частям этого класса (публичной, защищенной и приватной). Иными словами, от друга у класса нет секретов.

ПРИМЕЧАНИЕ

Другом класса может быть и свободная подпрограмма.

Реализация класса описывает секреты поведения класса. Она включает реализации всех операций, определенных в интерфейсе класса.

Виды отношений между классами

Классы, подобно объектам, не существуют в изоляции. Напротив, с отдельной проблемной областью связывают ключевые абстракции, отношения между которыми формируют структуру из классов системы.

Всего существует четыре основных вида отношений между классами:

q ассоциация (фиксирует структурные отношения — связи между экземплярами классов);

q зависимость (отображает влияние одного класса на другой класс);

q обобщение-специализация («is а»-отношение);

q целое-часть («part of»-отношение).

Для покрытия основных отношений большинство объектно-ориентированных языков программирования поддерживает следующие отношения:

1) ассоциация;

2) наследование;

3) агрегация;

4) зависимость;

5) конкретизация;

6) метакласс;

7) реализация.

Ассоциации обеспечивают взаимодействия объектов, принадлежащих разным классам. Они являются клеем, соединяющим воедино все элементы программной системы. Благодаря ассоциациям мы получаем работающую систему. Без ассоциаций система превращается в набор изолированных классов-одиночек.

Наследование — наиболее популярная разновидность отношения обобщение-специализация. Альтернативой наследованию считается делегирование. При делегировании объекты делегируют свое поведение родственным объектам. При этом классы становятся не нужны.

Агрегация обеспечивает отношения целое-часть, объявляемые для экземпляров классов.

Зависимость часто представляется в виде частной формы — использования, которое фиксирует отношение между клиентом, запрашивающим услугу, и сервером, предоставляющим эту услугу.

Конкретизация выражает другую разновидность отношения обобщение-специализация. Применяется в таких языках, как Ada 95, C++, Эйфель.

Отношения метаклассов поддерживаются в языках SmallTalk и CLOS. Метакласс — это класс классов, понятие, позволяющее обращаться с классами как с объектами.

Реализация определяет отношение, при котором класс-приемник обеспечивает свою собственную реализацию интерфейса другого класса-источника. Иными словами, здесь идет речь о наследовании интерфейса. Семантически реализация — это «скрещивание» отношений зависимости и обобщения-специализации.

Ассоциации классов

Ассоциация обозначает семантическое соединение классов.

Пример:в системе обслуживания читателей имеются две ключевые абстракции — Книга и Библиотека. Класс Книга играет роль элемента, хранимого в библиотеке. Класс Библиотека играет роль хранилища для книг.

Рис. 9.10. Ассоциация

Отношение ассоциации между классами изображено на рис. 9.10. Очевидно, что ассоциация предполагает двухсторонние отношения:

q для данного экземпляра Книги выделяется экземпляр Библиотеки, обеспечивающий ее хранение;

q для данного экземпляра Библиотеки выделяются все хранимые Книги.

Здесь показана ассоциация один-ко-многим. Каждый экземпляр Книги имеет указатель на экземпляр Библиотеки. Каждый экземпляр Библиотеки имеет набор указателей на несколько экземпляров Книги.

Ассоциация обозначает только семантическую связь. Она не указывает направление и точную реализацию отношения. Ассоциация пригодна для анализа проблемы, когда нам требуется лишь идентифицировать связи. С помощью создания ассоциаций мы приводим к пониманию участников семантических связей, их ролей, мощности (количества элементов).

Ассоциация один-ко-многим, введенная в примере, означает, что для каждого экземпляра класса Библиотека есть 0 или более экземпляров класса Книга, а для каждого экземпляра класса Книга есть один экземпляр Библиотеки. Эту множественность обозначает мощность ассоциации. Мощность ассоциации бывает одного из трех типов:

q один-к-одному;

q один-ко-многим;

q многие-ко-многим.

Примеры ассоциаций с различными типами мощности приведены на рис. 9.11, они имеют следующий смысл:

q у европейской жены один муж, а у европейского мужа одна жена;

q у восточной жены один муж, а у восточного мужа сколько угодно жен;

q у заказа один клиент, а у клиента сколько угодно заказов;

q человек может посещать сколько угодно зданий, а в здании может находиться сколько угодно людей.

Рис. 9.11.Ассоциации с различными типами мощности

Наследование

Наследование — это отношение, при котором один класс разделяет структуру и поведение, определенные в одном другом (простое наследование) или во многих других (множественное наследование) классах.

Между п классами наследование определяет иерархию «является» («is а»), при которой подкласс наследует от одного или нескольких более общих суперклассов. Говорят, что подкласс является специализацией его суперкласса (за счет дополнения или переопределения существующей структуры или поведения).

Полиморфизм

Полиморфизм — возможность с помощью одного имени обозначать операции из различных классов (но относящихся к общему суперклассу). Вызов обслуживания по полиморфному имени приводит к исполнению одной из некоторого набора операций.

Агрегация

Отношения агрегации между классами аналогичны отношениям агрегации между объектами.

Зависимость

Зависимость — это отношение, которое показывает, что изменение в одном классе (независимом) может влиять на другой класс (зависимый), который использует его. Графически зависимость изображается как пунктирная стрелка, направленная на класс, от которого зависят. С помощью зависимости уточняют, какая абстракция является клиентом, а какая — поставщиком определенной услуги. Пунктирная стрелка зависимости направлена от клиента к поставщику.

Наиболее часто зависимости показывают, что один класс использует другой класс как аргумент в сигнатуре своей операции. В предыдущем примере (на языке Ada 95) класс ГрафикРазворота появляется как аргумент в методах Обрабатывать и Запланировано класса КонтроллерУгла. Поэтому, как показано на рис. 9.16, КонтроллерУгла зависит от класса ГрафикРазворота.

Рис. 9.16.Отношение зависимости

Конкретизация

Г. Буч определяет конкретизацию как процесс наполнения шаблона (родового или параметризованного класса). Целью является получение класса, от которого возможно создание экземпляров [22].

Родовой класс служит заготовкой, шаблоном, параметры которого могут наполняться (настраиваться) другими классами, типами, объектами, операциями. Он может быть родоначальником большого количества обычных (конкретных) классов. Возможности настройки родового класса представляются списком формальных родовых параметров. Эти параметры в процессе настройки должны заменяться фактическими родовыми параметрами. Процесс настройки родового класса называют конкретизацией.

Графическая иллюстрация отношений конкретизации приведена на рис. 9.17. Отметим, что отношение конкретизации отображается с помощью подписанной стрелки отношения зависимости. Это логично, поскольку конкретизированный класс зависит от родового класса (класса-шаблона).

Рис. 9.17.Отношения конкретизации родового класса