1 (дополн)_ООП-базовые принципы

1. Объектно-ориентированное программирование

Объектноориентированное
программирование
Что такое ООП?
Объекты и классы
Скрытие внутреннего
устройства объектов
Иерархия классов
К. Поляков, 2011
http://kpolyakov.narod.ru
1

2. Объектно-ориентированное программирование

2
Объектноориентированное
программирование
Что такое ООП?
К. Поляков, 2011
http://kpolyakov.narod.ru

3. Направления развития ПО

Объектно-ориентированное программирование
Направления развития ПО
• переход от расчетов по формулам к сложным
задачам моделирования систем
• увеличение объемов обрабатываемых данных
• повышение сложности программ, увеличение их
длины (до миллионов строк!)
! Сложность программ превышает возможности
одного человека.
В итоге:
• коллективная разработка
• каждый делает свою часть независимо от других
• части программы легко «собрать» вместе
? Как?
3

4. Борьба со сложностью

Объектно-ориентированное программирование
4
Борьба со сложностью
«Техника борьбы со сложностью известна с античных
времен: “Divide et impera” (разделяй и властвуй)».
Э. Дейкстра
Алгоритмическая
декомпозиция
задача
> 100 000 строк???
подзадача 1
подзадача 2
подзадача 3
подзадача 2.1
подзадача 2.2
подзадача 2.3
Декомпозиция – это разбиение системы на
подсистемы, каждая из которых может изучаться
отдельно.

5. Объектный подход

Объектно-ориентированное программирование
Объектный подход
Люди воспринимают мир, состоящий из объектов
(Р. Декарт).
5

6. Абстракция

Объектно-ориентированное программирование
Абстракция
Абстракция – это выделение существенных
характеристик объекта, отличающих его от
других объектов.
Иллюстрация из книги Г. Буч, Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++.
6

7. Абстракция в программировании

Объектно-ориентированное программирование
7
Абстракция в программировании
• программа – это множество
взаимодействующих объектов (моделей)
• объекты имеют свойства и поведение
• объекты не «знают» внутреннее устройство
других объектов
А
Б
Б1
Б2
В1
В
В2
В3
Б3
Г
Г2
Г1
Объектная
декомпозиция

8. Абстракция в программировании

Объектно-ориентированное программирование
8
Абстракция в программировании
Верхний уровень:
• определить, ЧТО делает каждый объект
• определить ИНТЕРФЕЙС – способ обмена
данными между объектами
Б
интерфейс
В
Нижний уровень:
• определить, КАК работают объекты
Б
Б1
Б2
Б3
интерфейс
интерфейс
В1
В
В3
В2

9. Что такое ООП?

Объектно-ориентированное программирование
Что такое ООП?
Программирование, основанное на моделировании задачи
реального мира как множества взаимодействующих
объектов, принято называть объектно-ориентированным
программированием (ООП).
уточнение следует…
9

10. Объектно-ориентированное программирование

10
Объектноориентированное
программирование
Объекты и классы
К. Поляков, 2011
http://kpolyakov.narod.ru

11. Объектно-ориентированный анализ (ООА)

Объектно-ориентированное программирование
Объектно-ориентированный анализ (ООА)
Задачи:
• выделить взаимодействующие объекты
• определить их существенные свойства
? Какие свойства существенные?
• описать команды, которые объекты могут
выполнить (поведение)
11

12. Что такое объект?

Объектно-ориентированное программирование
12
Что такое объект?
Объектом можно назвать то, что имеет четкие
границы и обладает состоянием и
поведением.
! Состояние объекта определяет его поведение!
Примеры:
«Подпрыгни!»
«Пли!»

13. Объектная модель: пример

Объектно-ориентированное программирование
Объектная модель: пример
Объекты:
• дорога
• машины
• светофоры
• …
? Описывать каждую машину отдельно?
Класс – это множество объектов, имеющих
общую структуру и общее поведение.
Классы объектов: Дорога, Машина
13

14. Объектная модель: класс Дорога

Объектно-ориентированное программирование
14
Объектная модель: класс Дорога
ширина
длина
название класса
свойства
Дорога
длина
ширина
поведение
(команды, методы)
? Какое «поведение» могло
бы быть у дороги?

15. Объектная модель: класс Машина

Объектно-ориентированное программирование
15
Объектная модель: класс Машина
Y
V
X
метод
Машина
X (координата)
Y (полоса)
V (скорость)
двигаться
узнать длину
Дорога
длина
ширина
Метод – это процедура или функция,
принадлежащая классу объектов.

16. Класс Дорога в программе

Объектно-ориентированное программирование
16
Класс Дорога в программе
Объявление (описание) класса:
от type
type TRoad = class
Length: real;
Width: integer;
end;
поля
Поле – это переменная, принадлежащая объекту.
! Объект в памяти не создается!
Аналогия: чертёж детали.

17. Класс Дорога в программе

Объектно-ориентированное программирование
17
Класс Дорога в программе
Переменная для работы с объектом:
var road: TRoad;
road
12345
?
! Объект в памяти не создается!
Ссылка – это переменная, в которую можно
записать адрес объекта заданного типа.
адрес 12345
road := TRoad.Create;
Length
0
Width
0
Конструктор – это метод класса, который
вызывается для создания объектов этого класса.
! Конструктор не нужно объявлять!

18. Создание объекта

Объектно-ориентированное программирование
18
Создание объекта
type TRoad = class
Length: real;
Width: integer;
end;
var road: TRoad;
begin
road := TRoad.Create;
road.Length := 60;
road.Width := 3;
end.
описание класса
переменная-ссылка
вызов конструктора
значения полей

19. Новый конструктор

Объектно-ориентированное программирование
Новый конструктор
Цель – определить начальные значения при
создании объекта. длина ширина
road := TRoad.Create (60, 3);
Описание класса:
type TRoad = class
Length: real;
Width: integer;
constructor Create(length0: real;
width0: integer);
end;
19

20. Новый конструктор

Объектно-ориентированное программирование
Новый конструктор
Реализация (программа) конструктора:
метод класса TRoad
constructor TRoad. Create(length0: real;
width0: integer);
begin
if
length0
> 0 then
Length
:= length0;
:= length0
WidthLength
:= width0;
else Length := 1;
if width0 > 0 then
Width := width0
else Width := 1;
end;
? Что плохо?
! Можно обрабатывать ошибки!
20

21. Класс Машина в программе

Объектно-ориентированное программирование
21
Класс Машина в программе
Машина
X (координата)
Y (полоса)
V (скорость)
двигаться
узнать длину
Дорога
длина
ширина
type TCar = class
X, V: real; { координата, скорость }
Y: integer; { номер полосы }
road: TRoad; { ссылка на дорогу }
procedure move; { двигаться вперед }
end;
адрес объекта
класса
Дорога
Как машина
сможет
узнать длину дороги?
?

22. Класс Машина в программе

Объектно-ориентированное программирование
Класс Машина в программе
Равномерное движение: X X 0 V t
V – перемещение за 1 интервал.
procedure TCar.move;
begin
X := X + V; { при Δt = 1 }
if X > road.Length then
X := 0;
{ «перескочить» в начало }
end;
длина дороги, по
которой едет машина
22

23. Класс Машина в программе

Объектно-ориентированное программирование
23
Класс Машина в программе
Добавление конструктора:
адрес дороги
type TCar = class
...
constructor Create(road: TRoad;
y0: integer; v0: real);
end;
полоса
скорость
? Чему будет равна координата X?

24. Основная программа моделирования

Объектно-ориентированное программирование
Основная программа моделирования
const N = 3;
var road: TRoad;
cars: array [1..N] of TCar;
i: integer;
begin
road := TRoad.Create(60, N);
for i:=1 to N do
cars[i] := TCar.Create(road, i, 2.0*i);
repeat
for i:=1 to N do cars[i].move;
{ вывод расположения машин }
until keypressed;
end.
? Важен ли порядок создания объектов?
24

25. Плюсы и минусы ООП

Объектно-ориентированное программирование
Плюсы и минусы ООП
основная программа простая и понятная
каждый класс может разрабатывать
отдельный программист независимо
можно использовать готовые классы в
других программах
увеличение длины полной программы (с
учетом описания классов)
замедление работы
25

26. Объектно-ориентированное программирование

26
Объектноориентированное
программирование
Скрытие внутреннего
устройства объектов
К. Поляков, 2011
http://kpolyakov.narod.ru

27. Зачем скрывать внутреннее устройство?

Объектно-ориентированное программирование
Зачем скрывать внутреннее устройство?
борьба со сложностью
безопасность внутренних данных
возможность изменять «внутренности», не
меняя интерфейс
Иллюстрация из книги Г. Буч, Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++.
27

28. Инкапсуляция

Объектно-ориентированное программирование
28
Инкапсуляция
Инкапсуляция («помещение в капсулу») – это
скрытие внутреннего устройства объектов от
других объектов.
Класс Перо (цвет и стиль линий):
type TPen = class
color: string;
end;
'FF00FF'
! По умолчанию все поля
var pen: TPen;
...
pen := TPen.Create;
pen.color := '#%';
writeln(pen.color);
общедоступные!
доступно всем!

29. Инкапсуляция

Объектно-ориентированное программирование
Инкапсуляция
Скрытие полей:
type TPen = class
private
частный,
FFColor: string;
закрытый
end;
от Field – «поле»
Проблема – нет доступа к полю!
!
pen.color := 'FFFF00';
writeln(pen.color);
! Для доступа к закрытому полю нужны
методы чтения и записи!
29

30. Методы доступа к полю

Объектно-ориентированное программирование
Методы доступа к полю
type TPen = class
общедоступный
private
метод чтения
FColor: string;
public
function getColor: string;
procedure setColor(newColor: string);
end;
метод записи
Метод чтения:
• функция без параметров
• возвращает значение того же типа, что и поле
Метод записи:
• процедура
• принимает значение того же типа, что и поле
30

31. Методы доступа к полю

Объектно-ориентированное программирование
31
Методы доступа к полю
function TPen.getColor: string;
begin
Result := FСolor;
end;
procedure TPen.setColor(newColor: integer);
begin
FColor := newColor;
end;
поле
методы
getColor
FColor
setColor
TPen
другой
объект
? Стало ли лучше?

32. Проверка при изменении поля

Объектно-ориентированное программирование
Проверка при изменении поля
В случае ошибочного значения установить черный цвет:
procedure TPen.setColor(newColor: integer);
begin
if Length(newColor)
{ ошибочное значение
<> 6} then
FColor := '000000' { чёрный цвет }
else FColor := newColor;
end;
Использование:
pen.setColor('FF00');
{ ошибка: черный }
pen.setColor('FFFF00'); { запись }
writeln(pen.getColor); { чтение }
? Какие ошибки не обработаны?
32

33. Свойство

Объектно-ориентированное программирование
33
Свойство
pen.сolor := 'FFFF00'; { запись }
writeln(pen.color);
{ чтение }
Свойство – это способ доступа к внутреннему
состоянию объекта, имитирующий обращение к
его внутренней переменной.
поле
методы
свойство
getColor
FColor
TPen
color
setColor
другой
объект

34. Свойство

Объектно-ориентированное программирование
34
Свойство
type TPen = class
private
FColor: string;
function getColor
getColor: string ;
procedure setColor
setColor(newColor: string );
public
property сolor: string
read getColor write setColor
setColor;
end;
свойство
тип свойства
метод чтения
метод записи
pen.сolor := 'FFFF00'; { запись }
writeln(pen.color);
{ чтение }

35. Изменяем способ хранения данных

Объектно-ориентированное программирование
35
Изменяем способ хранения данных
FColor: string;
'FF00FF'
'001234'
'0000A5'
методы
поле
FColor: integer;
FF00FF16 = 16711935
123416 = 4460
A516 = 165
свойство
getColor
FColor
TPen
color
setColor
реализация
другой
объект
интерфейс
! Можно менять реализацию, не меняя интерфейс!

36. Изменяем способ хранения данных

Объектно-ориентированное программирование
36
Изменяем способ хранения данных
function TPen.getColor: string;
begin
Result := IntToHex (FColor,6);
end;
6 знаков: '0000FF'
X10 X16 (строка)
procedure TPen.setColor(newColor: string);
begin
if Length(newColor) <> 6 then
FColor := 0 { чёрный цвет }
else
FColor := StrToInt ('$' + newColor);
end;
строка число
шестнадцатеричное

37. Свойства «только для чтения»

Объектно-ориентированное программирование
Свойства «только для чтения»
Машина
…
V (скорость)
двигаться
? Могут ли другие объекты менять
скорость автомобиля?
type TCar = class
private
Fv: real;
свойство «только для чтения»
...
public
property v: real read Fv;
...
end;
37

38. Скрытие внутреннего устройства: итог

Объектно-ориентированное программирование
Скрытие внутреннего устройства: итог
свойства
методы
защита данных объекта
изменение внутреннего
устройства не требует
изменения других
объектов, если сохранить
интерфейс
длина программы
замедление работы
! Выгодно для больших программ, где
требуется надежность!
38

39. Контрольные вопросы

39
Контрольные вопросы
1. Что такое “интерфейс объекта”?
2. Что такое инкапсуляция? Каковы ее цели?
3. Чем отличаются секции public и private в описании классов? Как
определить, в какую из них поместить свойство или метод?
4. Почему рекомендуют делать доступ к полям объекта только с помощью
методов?
5. Что такое свойство? Зачем во многие языки программирования введено
это понятие?
6. Можно ли с помощью свойства обращаться напрямую к полю объекта,
не используя метод?
7. Почему методы доступа, которые использует свойство, делают
закрытыми?
8. Зачем нужны свойства “только для чтения”? Приведите примеры.
9. Подумайте, в каких ситуациях может быть нужно свойство “только для
записи” (которое нельзя прочитать). Как ввести такое свойство в описание
класса?

40. Объектно-ориентированное программирование

40
Объектноориентированное
программирование
Иерархия классов
К. Поляков, 2011
http://kpolyakov.narod.ru

41. Классификации

Объектно-ориентированное программирование
41
Классификации
базовый
класс
Фрукт
сочный съедобный плод
дерева или кустарника
? Как выглядит фрукт?
классы-наследники
Яблоко – это разновидность фруктов.
Яблоко наследует все свойства фруктов.
Фото: www.statesymbolsusa.org, xenianova.files.wordpress.com, spoon.com.ua, gerbl.ru

42. Примеры наследования свойств

Объектно-ориентированное программирование
42
Примеры наследования свойств
базовый
класс
Человек
Работник школы
Администратор
Директор
Завуч
Ученик
Учитель
Уборщик
Родитель
Технический работник
Слесарь
Электрик

43. Что такое наследник?

Объектно-ориентированное программирование
43
Что такое наследник?
Класс Б является наследником класса А, если можно
сказать, что Б – это разновидность А.
водоем
осёл
озеро
цветок
животное
ромашка
автомобиль
двигатель
! Двигатель – это часть автомобиля, а
не разновидность!
автомобиль
косточка
грузовик
ягода

44. Иерархия логических элементов

Объектно-ориентированное программирование
44
Иерархия логических элементов
Логический элемент
с одним входом
НЕ
с двумя входами
И
ИЛИ

45. Определение ООП

Объектно-ориентированное программирование
Определение ООП
Объектно-ориентированное
программирование – это такой подход к
программированию, при котором
1) программа представляет собой множество
взаимодействующих объектов,
2) … каждый из которых является экземпляром
определенного класса, и …
3) классы образуют иерархию наследования.
45

46. Класс «Логический элемент»

Объектно-ориентированное программирование
46
Класс «Логический элемент»
ЛогЭлемент
In1 (вход 1)
In2 (вход 2)
Res (результат)
сalc (вычислить)
type
TLogElement = class
In1, In2: boolean;
Res: boolean;
procedure calc;
end;
Сравните (плюсы, минусы):
вычислить результат
при изменении входов
type
TLogElement = class
In1, In2: boolean;
function res: boolean;
end;
вычислить результат по
известным входам

47. Скрываем данные (инкапсуляция)

Объектно-ориентированное программирование
Скрываем данные (инкапсуляция)
type
TLogElement = class
private
FIn1, FIn2: boolean;
FRes: boolean;
procedure calc;
procedure setIn1(newIn1: boolean);
procedure setIn2(newIn2: boolean);
public
property In1: boolean read FIn1 write setIn1;
property In2: boolean read FIn2 write setIn2;
property Res: boolean read FRes;
читать прямо из поля
end;
свойство «только для чтения»
47

48. Процедура изменения входа

Объектно-ориентированное программирование
Процедура изменения входа
procedure TLogElement.setIn1(newIn1: boolean);
begin
FIn1 := newIn1;
calc;
end;
! Сразу после изменения входа нужно
пересчитать значение выхода!
Проблемы:
как написать метод calc?
для элемента «НЕ» доступ ко второму
входу не нужен!
48

49. Метод calc

Объектно-ориентированное программирование
Метод calc
• невозможно написать для базового класса
Абстрактный метод – это метод, который
объявляется, но не реализуется в классе.
• разный у всех логических элементов
• наследники должны его переопределять!
Виртуальный метод – это метод, который
могут переопределять классы-наследники.
• недоступен для других объектов
! Calc – это виртуальный (virtual) и
абстрактный (abstract) метод!
49

50. Метод calc

Объектно-ориентированное программирование
Метод calc
type
TLogElement = class
private
защищенный
виртуальный
абстрактный
...
protected
procedure calc; virtual; abstract;
public
...
end;
! protected – доступно только наследникам!
Абстрактный класс – это класс, содержащий
абстрактный метод. Создать объект этого
класса НЕЛЬЗЯ!!!
50

51. Как «скрыть» свойство In2?

Объектно-ориентированное программирование
Как «скрыть» свойство In2?
type
TLogElement = class
private
...
protected
property In2: boolean read FIn2 write setIn2;
procedure calc; virtual; abstract;
public
...
end;
! Наследники могут «открыть» защищенное
свойство (перевести в public)!
51

52. Классы-наследники: TNot

Объектно-ориентированное программирование
52
Классы-наследники: TNot
наследник от …
type
переопределить
TNot = class(TLogElement)
procedure calc; override;
end;
procedure TNot.calc;
begin
FRes := not FIn1;
end;
! TNot – не абстрактный класс!
ПОЛИМОРФИЗМ

53. Классы-наследники: TLog2In

Объектно-ориентированное программирование
Классы-наследники: TLog2In
наследник от …
TLog2In = class(TLogElement)
public
свойство становится
property In2;
общедоступным
end;
? TLog2In – абстрактный класс?
53

54. Классы-наследники: TAnd

Объектно-ориентированное программирование
Классы-наследники: TAnd
наследник от …
type
переопределить
TAnd = class(TLog2In)
procedure calc; override;
end;
procedure TAnd.calc;
begin
FRes := FIn1 and FIn2;
end;
? TAnd – абстрактный класс?
54

55. Вернемся к setIn1…

Объектно-ориентированное программирование
Вернемся к setIn1…
procedure
TLogElement.setIn1 (newIn1: boolean);
begin
FIn1 := newIn1;
calc;
какой метод
end;
вызывается?
• вызвать процедуру = перейти по заданному
адресу памяти
• в классе TLogElement метод calc не
реализован (нет кода, нет адреса)
• каждый наследник имеет свой метод calc
55

56. Обычный вызов процедуры

Объектно-ориентированное программирование
56
Обычный вызов процедуры
Паскаль
Ассемблер
процедура
...
calc;
...
...
call AB12
...
AB12 ...
AB14 ...
AB16 ...
...
Статическое связывание: адрес процедуры
известен и сразу записывается в машинный
код!

57. Динамическое связывание (при выполнении)

Объектно-ориентированное программирование
57
Динамическое связывание (при выполнении)
методы классов
Паскаль
...
calc;
...
виртуальный
метод
? Каков класс
объекта?
TNot.calc
TAnd.calc
TOr.calc
Виртуальный метод – это метод базового
класса, который могут переопределить классынаследники так, что конкретный адрес
вызываемого метода определяется только при
выполнении программы.

58. Основная программа («И-НЕ»)

Объектно-ориентированное программирование
58
Основная программа («И-НЕ») | A | B | not(A&B)
-----------------| 0 | 0 | 1
| 0 | 1 | 1
| 1 | 0 | 1
| 1 | 1 | 0
var elNot: TNot;
{ ссылки }
elAnd: TAnd;
A, B: boolean;
begin
elNot := TNot.Create; { создание объектов }
elAnd := TAnd.Create;
writeln('| A | B | not(A&B) ');
writeln('-------------------');
for A:=False to True do begin { перебор вариантов }
elAnd.In1 := A;
for B:=false to True do begin
elAnd.In2 := B;
elNot.In1 := elAnd.res;
{ связь элементов }
writeln('| ', integer(A), ' | ', integer(B),
' | ', integer(elNot.res));
end;
integer(False) = 0
end;
end.
integer(True) = 1
!

59. Классы – в модуль!

Объектно-ориентированное программирование
Классы – в модуль!
unit log_elem;
режим работы с объектами
{$mode objfpc}
interface
{ доступно другим модулям }
type
TLogElement = class
...
end;
... { объявление всех классов }
implementation
{ скрыто от других модулей }
procedure TLogElement.setIn1(newIn1: boolean);
begin
FIn1 := newIn1; calc;
end;
...
end.
59

60. Основная программа

Объектно-ориентированное программирование
Основная программа
program logic;
{$mode objfpc}
uses log_elem ;
var elNot: TNot;
elAnd: TAnd;
...
begin
elNot := TNot.Create;
elAnd := TAnd.Create;
...
end.
unit log_elem ;
{$mode objfpc}
interface
{ доступно другим модулям }
...
implementation
{ скрыто от других модулей }
...
end.
60

61. Обмен данными между объектами

Объектно-ориентированное программирование
61
Обмен данными между объектами
«И»
«НЕ»
&
1
? Как может один объект
передать данные другому?
2
• объект 1 должен «знать» адрес объекта 2
• у объекта 1 должен быть метод, доступный
объекту 2, с помощью которого он может
передать данные

62. Обмен данными между объектами

Объектно-ориентированное программирование
Обмен данными между объектами
TLogElement = class
private
FNextEl: TLogElement; { адрес объект 2 }
FNextIn: integer;
{ номер входа объекта 2 }
...
public
procedure Link(nextElement: TLogElement;
nextIn: integer);
...
end;
метод для установки связи выхода
с входом другого элемента
62

63. Обмен данными между объектами

Объектно-ориентированное программирование
Обмен данными между объектами
procedure TLogElement.Link
(nextElement: TLogElement;
nextIn: integer);
begin
запомнить адрес и
FNextEl := nextElement;
номер входа
FNextIn := nextIn;
следующего элемента
end;
? Когда нужно передать данные «следующему»?
63

64. Обмен данными между объектами

Объектно-ориентированное программирование
Обмен данными между объектами
procedure TLogElement.setIn1(newIn1: boolean);
begin
FIn1 := newIn1;
если связь
calc;
установлена…
if FNextEl <> nil then
case FNextIn of
1: FNextEl.In1 := res;
передать новые
2: FNextEl.In2 := res;
данные
end;
end;
аналогично для setIn2…
? Почему не включить передачу в метод calc?
64

65. Обмен данными между объектами

Объектно-ориентированное программирование
Обмен данными между объектами
elNot := TNot.Create;
установить
elAnd := TAnd.Create;
связь
elAnd.Link(elNot, 1);
...
for A:=False to True do begin
elAnd.In1 := A;
for B:=False to True do begin
elAnd.In2 := B;
...
end;
объект elAnd САМ сообщает объекту
end;
elNot, что его выход изменился
65