Исторически сложилось так, что программирование возникло и развивалось как процедурное программирование, которое предполагает, что основой программы является алгоритм, процедура обработки данных. Объектно-ориентированное программирование - это методика разработки программ, в основе которой лежит понятие объекта как некоторой структуры, описывающей объект реального мира, его поведение. Задача, решаемая с использованием методики объектно-ориентированного программирования, описывается в терминах объектов и операций над ними, а программа при таком подходе представляет собой набор объектов и связей между ними. Другими словами можно сказать, что объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который весьма близко напоминает наше поведение. Оно является естественной эволюцией более ранних нововведений в разработке языков программирования. Объектно-ориентированное программирование является более структурным, чем все предыдущие разработки, касающиеся структурного программирования. Оно также является более модульным и более абстрактным, чем предыдущие попытки абстрагирования данных и переноса деталей программирования на внутренний уровень.

Использование объектно-ориентированного программирования является хорошим решением при разработке крупных программных проектов. Чем проект объемнее и сложнее, тем больше выгоды вы получите при использовании объектно-ориентированной технологии программирования. Одним из наибольших преимуществ объектно-ориентированного программирования является возможность многократного использования программного кода. Если вы, к примеру, создали класс, то можете порождать от него новые классы и изменять их свойства и функциональное назначение.

В качестве примера объектно-ориентированного языка в дальнейшем будем рассматривать Borland Pascal. Языковые расширения Borland Pascal предоставляют все средства объектно-ориентированного программирования: большую структурированность и модульность, большую абстрактность и встроенную непосредственно в язык возможность повторного использования. Все эти характеристики соответствуют коду, который является более структурированным, более гибким и более легким для обслуживания.

Объектно-ориентированное программирование требует оставить в стороне характерные представления о программировании, которые долгие годы рассматривались как стандартные. Однако после того, как это сделано, объектно-ориентированное программирование становится простым, наглядным и превосходным средством разрешения многих проблем, которые доставляют неприятности традиционному программному обеспечению.

1. Основные понятия объектно-ориентированного программирования

В основе объектно-ориентированного язык программирования лежат два основных понятия: объект и класс. Основными характеристическими свойствами этих понятий являются:

Инкапсуляция - комбинирование записей с процедурами и функциями, манипулирующими полями этих записей, формирует новый тип данных - объект (под записью понимается переменная типа "запись").

Наследование - определение объекта и его дальнейшее использование для построения иерархии порожденных объектов с возможностью для каждого порожденного объекта, относящегося к иерархии, доступа к коду и данным всех порождающих объектов.

Полиморфизм - присваивание действию одного имени, которое затем совместно используется вниз и вверх по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, именно ему подходящим.

2. Объект - как базовое понятие в объектно-ориентированном программировании

Понятию “объект” сопоставляют ряд дополняющих друг друга определений. Ниже приведены некоторые из них.

Объект - это осязаемая реальность, характеризующаяся четко определяемым поведением.

Объект - особый опознаваемый предмет, блок или сущность (реальная или абстрактная), имеющая важное функциональное назначение в данной предметной области.

Объект может быть охарактеризован структурой, его состоянием, поведением и индивидуальностью. Состояние объекта определяется перечнем всех возможных (обычно статических) свойств и текущими значениями (обычно динамическими) каждого из этих свойств. Свойства объекта характеризуются значениями его параметров. Поведение объекта описывает, как объект воздействует на другие объекты или как он подвергается воздействию со стороны других объектов с точки зрения изменения его собственного состояния и состояния других объектов. Говорят также, что поведение объекта определяется его действиями. Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называют операцией. В объектно-ориентированных языках программирования операции называют методами.

Можно выделить пять типов операций:

- конструктор, создание и инициализация объекта;

- деструктор, разрушающий объект;

- модификатор, изменяющий состояние объекта;

- селектор для доступа к переменным объекта без их изменения;

- итератор для доступа к содержанию объекта по частям в определенной последовательности.

Известна и другая классификация методов объекта, когда выделяют функции управления, реализации, доступа и вспомогательные функции.

Под индивидуальностью объекта понимают свойство объекта, позволяющее отличать этот объект от всех других объектов.

Объекты могут находиться в определенных отношениях друг к другу. Эти отношения могут быть иерархическими. Основные иерархические отношения - это отношения использования и включения. Отношение использования реализуется посылкой сообщений от объекта A к объекту B. При этом объект A может выступать в роли:

- активного или воздействующего объекта, когда он воздействует на другие объекты, но сам воздействию не подвергается;

- пассивного или исполняющего, когда объект подвергается воздействию, но сам на другие объекты не воздействует;

- посредника, если объект и воздействует и сам подвергается воздействию.

Отношение включения имеет место, когда составной объект содержит другие объекты.

2.1 Инкапсуляция

Объекты моделируют характеристики и поведение элементов мира, в котором мы живем. Они являются окончательной абстракцией данных.

Объекты содержат вместе все свои характеристики и особенности поведения. Отношения частей к целому и взаимоотношения между частями становятся понятнее тогда, когда все содержится вместе в одной упаковке. Это и называется инкапсуляцией.

2.2 Наследование как важнейшее свойство объекта

Не менее важным является и тот факт, что объекты могут наследовать характеристики и поведение того, что мы называем порождающие, родительские объекты (или предки). Здесь происходит качественный скачок: наследование, возможно, является сегодня единственным самым крупным различием между обычным программированием на Паскале и объектно-ориентированным программированием в Borland Pascal.

В терминах Паскаля, объект во многом схож с записью, которая является оболочкой для объединения нескольких связанных элементов под одним именем.

Процесс, с помощью которого один тип наследует характеристики другого типа, называется наследованием. Наследник называется порожденным (дочерним) типом, а тип, которому наследует дочерний тип, называется порождающим (родительским) типом. Ранее известные типы записей Паскаля не могут наследовать. Однако Borland Pascal расширяет язык Паскаля для поддержки наследования. Одним из этих расширений является новая категория структуры данных, связанная с записями, но значительно более мощная. Типы данных в этой новой категории определяются с помощью нового зарезервированного слова object. Тип объекта может быть определен как полный, самостоятельный тип в манере описания записей Паскаля, но он может определяться и как потомок существующего типа объекта путем помещения порождающего (родительского) типа в скобки после зарезервированного слова object.

Большая часть конструирования объектно-ориентированных прикладных программ состоит в построении иерархии объектов, являющейся отражением генеалогического дерева объектов в приложениях.

Как показали данные определения, объекты тесно связаны с записями. Новое зарезервированное слово object является наиболее очевидным различием, но как мы увидим позднее, имеется большое число других различий, некоторые из которых довольно тонкие.

2.3 Экземпляры объектных типов

Экземпляры объектных типов описываются в точности так же, как в Паскале описывается любая переменная, либо статическая, либо указатель, ссылающийся на размещенную в динамической памяти переменную.

2.4 Поля объектов

Мы можем обратиться к полю объекта в точности так же, как к полю обычной записи, либо с помощью оператора with, либо путем уточнения имени с помощью точки.

2.5 Методы

Даже если мы можем обратиться к полям объекта непосредственно, это будет не совсем хорошей идеей. Принципы объектно-ориентированного программирования требуют, чтобы поля объектов были исключены из исходного кода, насколько это возможно. Это ограничение поначалу может показаться спорным и жестким, но оно является только частью огромной картины объектно-ориентированное программирования.

Ответ заключается в том, что при всякой возможности для доступа к полям данных должны использоваться методы объекта. Метод является процедурой или функцией, описанной внутри объекта и жестко ограниченной этим объектом.

Методы являются одними из наиболее примечательных атрибутов объектно-ориентированного программирования и требуют некоторой практики перед использованием.

Метод - это процедура или функция, объединенная с данным типом столь тесно, что метод является как бы окруженным невидимым оператором with, что делает экземпляр данного типа доступными изнутри для метода. Определение типа включает заголовок метода. Полное определение метода квалифицируется в имени типа. Тип объекта и метод объекта являются двумя лицами этой новой разновидности структуры, именуемой методом.

Одним из важнейших принципов объектно-ориентированного программирования является то, что программист во время разработки программы должен думать о коде и о данных совместно. Ни код, ни данные не существуют в вакууме. Данные управляют потоком кода, а код манипулирует образами и значениями данных.

Если наш код и данные являются разделенными элементами, то всегда существует опасность вызова правильной процедуры с неверными данными или ошибочной процедуры с правильными данными. Забота о совпадении этих элементов возлагается на программиста, и хотя строгая типизация Паскаля здесь помогает, самое лучшее, что он может сделать - это указать на несоответствие.

Объект осуществляет синхронизацию кода и данных путем совместного построения их описаний. Реально, чтобы получить значение одного из полей объекта, мы вызываем относящийся к этому объекту метод, который возвращает значение нужного поля. Чтобы присвоить полю значение, мы вызываем метод, который назначает данному полю новое значение.

Однако, Borland Pascal не вынуждает нас делать это. Как всякое структурное программирование, объектно-ориентированное программирование является дисциплиной, которую мы должны навязать себе, используя предоставляемые языком средства. Borland Pascal позволяет нам обращаться к полям объекта непосредственно извне объекта, однако он поощряет нас использовать преимущества объектно-ориентированного программирования и создавать методы для манипулирования полями объекта внутри самого объекта.

Итак, подведем некоторый итог. Что такое объект?

Объект состоит из структуры данных и связанных с ней процедур (которые называются методами), которые работают с данными, записанными в экземплярах структуры данных.

Объект может наследовать характеристики порождающего объекта. Это означает, что структура данных нового объекта включает структуру данных порождающего объекта, а также новые данные. Кроме того, новый объект может вызывать все процедуры порождающего объекта, а также те процедуры методов, которые в нем описываются.

Объект, не имеющий наследования, называется базовым объектом. Объект, наследующий характеристики других объектов, называется порожденным или производным объектом.

2.6. Полиморфизм

Полиморфизм означает, что один и тот же метод выполняется по-разному для различных объектов. Например, метод класса Музыкальный инструмент - PlayMusicForAnOrchestra (играй музыку для оркестра) - может быть определен как общий метод, который может использоваться с любой категорией музыкальных инструментов. Этот метод написан таким образом, что не важно, какой именно инструмент получает задание играть, однако для классов, описывающих конкретные инструменты, данный метод должен быть переопределен (override), что даст возможность определить конкретные действия, учитывающие особенности данного инструмента.

3. Понятие класса

В класс объединяются объекты с одинаковыми свойствами и методами.

Одним из первых действий, предпринимаемых человеком при попытке понять окружающий мир, является применение к нему некоторой структурной формы. При встрече с неизвестным объектом мы пытаемся втиснуть его в нашу существующую структуру: другими словами, классифицировать его. Большинство людей знакомо по крайней мере с несколькими классификационными структурами или иерархиями.

Использование иерархии классов вводит необходимость абстракции. Классы становятся более абстрактными по мере продвижения вверх по иерархии.

Объектно-ориентированные языки используют такой же подход. Иерархии обычно начинаются с нескольких абстрактных классов. Каждый новый класс представляется как подкласс существующего класса (называемого его суперклассом). Он наследует данные и методы от классов, стоящих выше в иерархии. Только те данные и методы, которые являются новыми для этого класса, следует определить и реализовать.

Класс - это абстрактное понятие, сравнимое с понятием категория в его обычном смысле.

По определенным свойствам любого элемента определенной категории можно установить, что он принадлежит к этой категории. Сама категория определяется общими свойствами, которые имеют все экземпляры этой категории.

Это можно пояснить на примере музыкальных инструментов. Музыкальные инструменты делятся на следующие категории: духовые, ударные и струнные.

Все эти категории принадлежат к категории музыкальных инструментов. В свою очередь, категория музыкальных инструментов входит в категорию инструментов. На рис.1 эта структура категорий графически представлена в виде дерева.

Музыкальные инструменты имеют общие свойства, но каждый инструмент сам по себе обладает особыми свойствами, которые определяют его назначение и отличают его от других инструментов. По тому же принципу можно описать и классы в ООП. Определенный музыкальный инструмент некоторой категории, например труба, является объектом. Категория, к которой этот инструмент принадлежит, - это класс.

Класс в объектно-ориентированном программировании - это абстрактный тип данных, который включает не только данные, но и функции и процедуры.

Функции и процедуры класса называются методами и содержат исходный код, предназначенный для обработки внутренних данных объекта данного класса.

Наличие в классах абстрагирования, которое максимально удобно для программистов, работающих с этими классами, имеет первостепенное значение при разработке повторно используемого ПО. Если вы выстроите интерфейс, на который не влияют изменения в реализации, то вашему приложению долгое время не понадобятся никакие модификации. Если вы знакомы с предметной областью задачи, вы без труда определите, какие методы понадобятся пользователям класса. Скажем так: если при проектировании класса вам удается сочетать хорошее знание предметной области с прогнозом относительно дальнейших перспектив использования класса, можно гарантировать, что большая часть интерфейса этого класса останется неизменной, даже в случае возможного совершенствования реализации класса. В результате отстранения пользователя от деталей реализации система в целом становится понятнее, а значит, и удобнее в работе.

Между классами также могут быть установлены отношения:

- отношение разновидности (кошка - вид определенного биологического семейства или кошка - домашнее животное);

- включения или составной части (лапа - часть кошки);

- ассоциативности, когда между классами есть чисто смысловая связь (кошки и собаки - домашние животные).

4. Процесс объектно-ориентированного проектирования

Объектно-ориентированное проектирование (Object-Oriented Design - OOD) - это поступательный итеративный процесс. Граница между объектно-ориентированным анализом и проектированием расплывчата и построение проекта программного изделия состоит из ряда циклов, в которых уточняются описания классов и взаимодействия между ними, разрабатываются реализующие их программы, проводится их отладка и тестирование и по результатам каждого этапа уточняются рабочие документы предыдущих этапов, дорабатываются описания классов и программы. Эти циклы повторяются до получения требуемого результата.

В рассмотренном выше примере были выделены классы “множество данных” и “данное”. Пусть классу “множество данных” присвоено имя TXSet.

С учетом имеющихся инструментальных средств класс TXSet может быть построен на основе класса Array из библиотеки CLASSLIB, т.е. это множество может быть интерпретировано массивом. Массив представляет собой упорядоченную совокупность однотипных элементов, в то же время данные могут принадлежать различным типам и каждому тип соответствует свой набор характеристик. Это противоречие можно преодолеть, если элементами массива TXSet будут указатели на экземпляры данных.

Чтобы использовать указатели на экземпляры данных как элементы массива, все классы, определяющие типы данных, должны быть образованы из общего базового класса.

Пусть требуется обеспечить возможность использования числовых скалярных данных и массивов (векторов и прямоугольных матриц), а также данных типа строк и массива строк. Естественно определить для каждого такого типа свой класс: TDScal, TDArray, TDString, TDStringArray. В каждом из этих классов должно быть поле идентификатора данного ident, поле описания данного head и, возможно, поле flags, представляющее собой набор битов, дополняющих описание данного. Может оказаться удобным иметь и поля, содержащие количество знаков при представлении скаляра или элементов массивов (width) и количество цифр в дробной части для представления чисел (dec). Все эти данные можно объединить в классе TData, базовом для остальных классов данных. Таким образом, вместо одного класса “данное”, выделенного на этапе анализа, появилось пять классов. После этого следует вернуться к этапу анализа и оформить рабочие документы анализа для новых классов.

Аналогичным образом следует уточнить состав и определения остальных классов, выбранных на этапе анализа.

После определение перечня классов следует разработать семантику каждого класса - определить состав и назначение методов класса. При этом также может возникнуть необходимость выделения новых классов и, следовательно, повторение отдельных частей этапа анализа и новое уточнение ранее описанных классов.

Таким образом, процесс объектно-ориентированного проектирования состоит из циклического выполнения четырех основных шагов:

- Определение классов и объектов на определенном уровне абстракции.
- Определение семантики классов.
- Определение (идентификация) связей между классами и объектами.
- Реализация классов.
На каждом повторении этого цикла уточняются описания классов и перерабатываются проектные документы.

5. Объектно-ориентированные языки

Инкапсуляция, наследование и полиморфизм -- фундаментальные свойства, требуемые от языка, претендующего называться объектно-ориентированным. (Языки, не имеющие наследования и полиморфизма, но имеющие только классы, обычно называются основанными на классах.) Различные объектно-ориентированные языки используют совершенно разные подходы. Мы можем различать объектно-ориентированные языки, сравнивая механизм контроля типов, способность поддерживать различные программные модели и то, какие объектные модели они поддерживают. Языки объектного программирования принято делить на объектные, в которых существуют классы и объекты, и объектно-ориентированные, в которых программист может не только пользоваться предопределёнными классами, но и задавать собственные пользовательские классы (либо создавать объекты, устройство которых отличается от устройства прототипов -- в языках прототипного программирования).

Объектное и объектно-ориентированное программирование возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Кроме того, в современном объектно-ориентированном программировании часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование).

Объектно-ориентированное программирование в настоящее время является абсолютным лидером в области прикладного программирования (языки Java, C#, C++, JavaScript, ActionScript и др.). В то же время в области системного программирования до сих пор лидирует парадигма процедурного программирования, и основным языком программирования является язык C. Хотя при взаимодействии системного и прикладного уровней операционных систем заметное влияние стали оказывать языки объектно-ориентированного программирования. Например, мультиплатформенным стандартом стала система Qt, написанная на языке C++.

Си++ - это универсальный язык программирования, задуманный так, чтобы сделать программирование более приятным для серьезного программиста. За исключением второстепенных деталей Си++ является надмножеством языка программирования Cи. Помимо возможностей, которые дает Cи, Си++ предоставляет гибкие и эффективные средства определения новых типов. Используя определения новых типов, точно отвечающих концепциям приложения, программист может разделять разрабатываемую программу на легко поддающиеся контролю части. Такой метод построения программ часто называют абстракцией данных. Информация о типах содержится в некоторых объектах типов, определенных пользователем. Такие объекты просты и надежны в использовании в тех ситуациях, когда их тип нельзя установить на стадии компиляции. При правильном использовании этот метод дает более короткие, проще понимаемые и легче контролируемые программы.

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.

Различаются чистые и гибридные объектно-ориентированные языки. Чистые -- это те, которые позволяют использовать только одну модель программирования -- объектно-ориентированную. Вы можете объявлять классы и методы, но не можете завести глобальные переменные и обычные функции и процедуры старого типа.

Среди трех наших языков, только Java(и его клон C#) является чистым объектно-ориентированным языком (как Eiffel и Smalltalk). На первый взгляд это кажется положительной идеей. Однако она ведет к тому, что вы используете кучу статических методов и статических данных, что не так уж отличается от использования глобальных функций и данных, за исключением более сложного синтаксиса. Чистые объектно-ориентированные языки дают преимущество новичкам в объектно-ориентированном программировании, потому что программист вынужден использовать (и учить) модель объектно-ориентированного программирования. C++ и Object Pascal, наоборот, - типичные примеры гибридных языков, которые позволяют программистам использовать при необходимости традиционный подход C или Pascal.

Smalltalk расширяет эту идею до уровня «обобъекчивания» таких предопределенных типов данных, как целые и символы, а также языковых конструкций (таких как циклы). Это теоретически интересно, но сильно уменьшает эффективность. Java останавливается много раньше, допуская присутствие простых не объектно-ориентированных типов данных (хотя имеются необязательные классы-обертки и для простых типов).

6. Простая объектная модель и ссылочно-объектная модель

Третий элемент, по которому различаются языки объектно-ориентированного программирования - их объектная модель. Некоторые традиционные языки объектно-ориентированного программирования позволяют программистам создавать объекты в стеке, в куче (в хипе - heap) или в статической памяти. В этих языках переменная типа класс соответствует объекту в памяти. Так работает C++.

В последнее время появилась тенденция использовать другую модель, часто называемую ссылочно-объектной моделью. В этой модели каждый объект динамически размещается в куче, а переменная типа класс фактически является ссылкой или хэндлом объекта в памяти (технически это нечто вроде указателя). Java и Object Pascal оба используют эту ссылочную модель. Как мы увидим, вкратце это значит, что вам необходимо не забыть выделить память для объекта.

7. Языки и программное окружение

Хотя мы пытались исследовать эти языки, только сравнивая синтаксические и семантические характеристики, важно рассмотреть их в соответствующем контексте. Языки нацелены на различные потребности, что означает, что они решают разные проблемы разными способами и используются в очень разных средах программирования. Хотя как языки, так и их среда копируют характеристики друг друга, они были сконструированы для разных потребностей, и в этом вы можете убедиться, сравнивая их характеристики.

Цель C++ - мощность и контроль за счет сложности. Целью Delphi является легкое, визуальное программирование (не отказываясь от мощности) и прочная связь с Windows. Цель Java - мобильность, даже за счет некоторого отказа от скорости, и распределённые приложения или исполняемое содержание WWW (хотя это, конечно, - не Microsoft-овский взгляд на Java!).

Можно определить, что успех этих трех языков зависит не от технических характеристик, которые я включил в эту статью. Финансовый статус Borland, операционная система управления Microsoft, популярность Sun в мире Internet, тот факт, что Java рассматривается как anti-Microsoft-овский язык, будущее броузеров Паутины и Win32 API, роль и признание модели ActiveX (из-за связанной с ней проблемой безопасности) и три уровня архитектуры Delphi - вот показатели, которые могли повлиять на ваш выбор сильнее, чем технические элементы. Например, такой хороший язык как Eiffel, у которого Object Pascal и Java взяли не только некоторое вдохновение, никогда не получит реальной доли рынка, хотя он был популярен во многих университетах земного шара.

Просто имейте в виду, что "модный" становится все более частым словом в компьютерном мире. Как пользователи хотят иметь инструменты этого года (вероятно, по этой причине операционные системы называются по тому году, в котором они выпущены), программисты любят работать с последним языком программирования и первыми овладеть им. Можно наверняка утверждать, что Java - не последний из языков объектно-ориентированного программирования, через несколько следующих лет найдется кто-то с новым языком.

Заключение

Объектно-ориентированное программирование является в настоящее время основой всей индустрии прикладного программирования благодаря выигрышу в конкурентной борьбе с альтернативными технологиями программирования. В промышленном программировании только в системном программировании позиции объектно-ориентированного программирования еще не очень сильны. Поэтому, с одной стороны, теоретические рассуждения о непригодности объектно-ориентированного программирования не соответствуют наблюдаемой на практике ситуации. С другой стороны, нельзя считать, что объектно-ориентированное программирование во всех случаях является наилучшей из методик программирования.

Процедурное программирование лучше подходит для случаев, когда важны быстродействие и потребляемые ресурсы, объектное - когда важна управляемость проекта и его модифицируемость, а также безопасность программ. Процедурное программирование обычно лучше подходит для небольших проектов, объектное - для больших.

Список литературы

1. Иан Грэхем Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика = Object-Oriented Methods: Principles & Practice. -- 3-е изд. -- М.: «Вильямс», 2004. -- С. 880.

2. Антони Синтес Освой самостоятельно объектно-ориентированное программирование за 21 день = Sams Teach Yourself Object-Oriented Programming in 21 Days. -- М.: «Вильямс», 2002. -- С. 672.

3. Бертран Мейер Объектно-ориентированное конструирование программных систем + CD . Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, Русская Редакция, 2005

4. Биллиг В.А. Основы программирования на C# . Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2006

5. “Новые языки программирования и тенденции их развития”, Ушкова В., 2005 г.