Основные принципы объектного программирования

Объектно-ориентированное программирование - это подход к разработке программного обеспечения, основанный на объектах, а не на процедурах. Этот подход позволяет максимизировать принципы модульности и "сокрытия информации". Объектно-ориентированное программирование базируется на связывании или инкапсуляции структур данных и процедуры, которая работает с данными в структуре, с модулем.

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что объектно-ориентированный принцип разработки дает много преимуществ и используется многими разработчиками. Например, каждый объект инкапсулирует его структуру данных с процедурой, используемой для работы с экземплярами структуры данных. Это позволяет устранить в коде программы внутренние зависимости, которые могут быстро привести к тому, что этот код будет трудно обслуживать. Объекты могут также наследовать из порождающего объекта структуры данных и другие характеристики, что позволяет сэкономить усилия и обеспечить прозрачное использование для многих целей больших фрагментов кода.

Целью курсовой работы является: изучение основных принципов объектно-ориентированного программирования и написание программного продукта на основании полученных знаний.

В соответствии с поставленной целью при выполнении работы возникают следующие задачи:

Изучение теоретических основ объектно-ориентированного программирования,

Рассмотрение принципов объектно-ориентированного программирования,

Применение на практике принципов объектно-ориентированного программирования,

Создание приложения на языке С++: класс «Учет успеваемости студентов»,

Отладка разработанного класса.

Объектом работы является объектно-ориентированное программирование. Предметом работы является применение принципов объектно-ориентированного программирования на практике.

При написании работы автор опирался на труды отечественных и зарубежных ученых Ахо А., Ульман Дж., Братчиков И.Л., Гулидов А.И., Наберухин Ю.И., Дейкстра Э., Ершов А.П., Кнут Д., Майерс Г., Мендельсон Э., Рудаков А. В., Тыугу, Э.Х., Хьюз Дж., Мичтом Дж. Достаточно полезной книгой при изучении объектно-ориентированного программирования оказалась книга Ахо А. В этой книге были изложены различные структуры данных, рассмотрены принципы работы с различными структурами.

Предполагаемая практическая значимость курсовой работы заключается в том, что ее можно будет использовать в качестве источника получения теоретического материала по теме «основы и принципы объектно-ориентированного программирования», а также как руководство по проектированию класса с использованием принципов объектно-ориентированного программирования.

1. Теоретическая часть

1.1 Сущность и история развития объектно-ориентированного
программирования

Объектно-ориентированное или объектное программирование (в дальнейшем ООП) - парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов (либо, в менее известном варианте языков с прототипированием, - прототипов).

ООП 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++.

1.2 Главные понятия и разновидности

Структура данных «класс», представляющая собой объектный тип данных, внешне похожа на типы данных процедурно-ориентированных языков, такие как структура в языке Си или запись в Паскале или QuickBasic. При этом элементы такой структуры (члены класса) могут сами быть не только данными, но и методами (то есть процедурами или функциями). Такое объединение называется инкапсуляцией.

Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности - для этого требуется наличие наследования.

Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм.

Язык Self, соблюдая многие исходные положения объектно-ориентированного программирования, ввёл альтернативное классам понятие прототипа, положив начало прототипному программированию, считающемуся подвидом объектного. В таблице 1.1 представлены основные понятия

Таблица 1.1 - Основные понятия в ООП

1.3 Основные принципы 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 Критика ООП

Несмотря на отдельные критические замечания в адрес ООП, в настоящее время именно эта парадигма используется в подавляющем большинстве промышленных проектов. Однако, нельзя считать, что ООП является наилучшей из методик программирования во всех случаях.

Обычно сравнивают объектное и процедурное программирование:

Процедурное программирование лучше подходит для случаев, когда важны быстродействие и используемые программой ресурсы, но требует большего времени для разработки.

Объектное - когда важна управляемость проекта и его модифицируемость, а также скорость разработки.

Критические высказывания в адрес ООП:

Исследование Thomas E. Potok, Mladen Vouk и Andy Rindos показало отсутствие значимой разницы в продуктивности разработки программного обеспечения между ООП и процедурным подходом.

Кристофер Дэйт указывает на невозможность сравнения ООП и других технологий во многом из-за отсутствия строгого и общепризнанного определения ООП.

Александр Степанов, в одном из своих интервью, указывал на то, что ООП «методологически неправильно» и что «… ООП практически такая же мистификация как и искусственный интеллект…».

Фредерик Брукс (Frederick P. Brooks, Jr.) в своей статье «No Silver Bullet. Essence and Accidents of Software Engineering» (Computer Magazine; April 1987) указывает на то, что наиболее сложной частью создания программного обеспечения является « … спецификация, дизайн и тестирование концептуальных конструкций, а отнюдь не работа по выражению этих концептуальных конструкций…». ООП (наряду с такими технологиями как искусственный интеллект, верификация программ, автоматическое программирование, графическое программирование, экспертные системы и др.), по его мнению, не является «серебряной пулей», которая могла бы на порядок величины (то есть примерно в 10 раз, как говорится в статье) снизить сложность разработки программных систем. Согласно Бруксу, «…ООП позволяет сократить только привнесённую сложность в выражение дизайна. Дизайн остаётся сложным по своей природе…».

Эдсгер Дейкстра указывал: «… то о чём общество в большинстве случаев просит - это змеиное масло. Естественно, „змеиное масло“ имеет очень впечатляющие имена, иначе будет очень трудно что-то продать: „Структурный анализ и Дизайн“, „Программная инженерия“, „Модели зрелости“, „Управляющие информационные системы“ (Management Information Systems), „Интегрированные среды поддержки проектов“, „Объектная ориентированность“, „Реинжиниринг бизнес-процессов“…».

Никлаус Вирт считает, что ООП - не более чем тривиальная надстройка над структурным программированием, и преувеличение её значимости, выражающееся, в том числе, во включении в языки программирования всё новых модных «объектно-ориентированных» средств, вредит качеству разрабатываемого программного обеспечения.

Патрик Киллелиа в своей книге «Тюнинг веб-сервера» писал: «… ООП предоставляет вам множество способов замедлить работу ваших программ …»

Известная обзорная статья проблем современного ООП-программирования перечисляет некоторые типичные проблемы ООП - Почему объектно-ориентированное программирование провалилось.

2.2 Аспекты критики

Если попытаться классифицировать критические высказывания в адрес ООП, можно выделить несколько аспектов критики данного подхода к программированию.

1. Критика рекламы ООП.

Критикуется явно высказываемое или подразумеваемое в работах некоторых пропагандистов ООП, а также в рекламных материалах «объектно-ориентированных» средств разработки представление об объектном программировании как о некоем всемогущем подходе, который магическим образом устраняет сложность программирования. Как замечали многие, в том числе упомянутые выше Брукс и Дейкстра, «серебряной пули не существует» - независимо от того, какой парадигмы программирования придерживается разработчик, создание нетривиальной сложной программной системы всегда сопряжено со значительными затратами интеллектуальных ресурсов и времени. Из наиболее квалифицированных специалистов в области ООП никто, как правило, не отрицает справедливость критики этого типа.

2. Оспаривание эффективности разработки методами ООП.

Критики оспаривают тезис о том, что разработка объектно-ориентированных программ требует меньше ресурсов или приводит к созданию более качественного ПО. Проводится сравнение затрат на разработку разными методами, на основании которого делается вывод об отсутствии у ООП преимуществ в данном направлении. Учитывая крайнюю сложность объективного сравнения различных разработок, подобные сопоставления, как минимум, спорны.

3. Производительность объектно-ориентированных программ.

Указывается на то, что целый ряд «врождённых особенностей» ООП-технологии делает построенные на её основе программы технически менее эффективными, по сравнению с аналогичными необъектными программами. Не отрицая действительно имеющихся дополнительных накладных расходов на организацию работы ООП-программ (см. раздел «Производительность» выше), нужно, однако, отметить, что значение снижения производительности часто преувеличивается критиками. В современных условиях, когда технические возможности компьютеров чрезвычайно велики и постоянно растут, для большинства прикладных программ техническая эффективность оказывается менее существенна, чем функциональность, скорость разработки и сопровождаемость. Лишь для некоторого, очень ограниченного класса программ (ПО встроенных систем, драйверы устройств, низкоуровневая часть системного ПО, научное ПО) производительность остаётся критическим фактором.

4. Критика отдельных технологических решений в ООП-языках и библиотеках.

Эта критика многочисленна, но затрагивает она не ООП как таковое, а приемлемость и применимость в конкретных случаях тех или иных реализаций её механизмов. Одним из излюбленных объектов критики является язык C++, входящий в число наиболее распространённых промышленных ООП-языков.

3.1 Описание предметной области

Перейдем к разработке класса «Учет успеваемости студентов».

Для этого первоначально опишем предметную область.

Каждый студент имеет фамилию и имя, личные данные и средний балл.

Пусть в нашей группе учится 20 студентов.

Каждый из студентов может сменить фамилию, личные данные, а также средний балл тоже может измениться.

Необходимо иметь возможность находить студентов с самым большим средним баллом, самым меньшим среднем баллом и баллом определенной величины.

3.2 Проектирование класса

Для представления предметной области необходим класс student. Опишем его подробно.

class student{

int id,

char* soname,

char* name,

char* phone,

float bal,

}

Подробно опишем каждое из полей класса student.

id - идентификатор студента. У каждого студента свой личный идентификатор. Данное поле меняться не должно. Поэтому достаточно функции, которая будет только устанавливать идентификатор студента.

soname - фамилия студента. Данное поле может меняться, следовательно, необходимо создать специальные функции, которое будут изменять содержимое этого поля.

name - имя студента. Данное поле меняться не должно. Поэтому достаточно функции, которая будет устанавливать имя студента.

phone - номер телефона студента. В любой момент времени предполагается, что студент будет иметь ровно 1 номер телефона. Данное поле может меняться, следовательно, необходимо создать специальные функции, которое будут изменять содержимое этого поля.

bal - средний балл студента. Данное поле может меняться, следовательно, необходимо создать специальные функции, которое будут изменять содержимое этого поля.

Все поля: soname, name, phone, bal являются внутренними переменными класса - private. Эти переменные доступны только внутри самого класса. К этим переменным нельзя обратиться.

3.3 Проектирование методов класса

Дополним разработанный класс всеми необходимыми методами для работы с внутренними переменными класса.

Спроектируем конструктор класса. В объектно-ориентированном программировании конструктор класса специальный блок инструкций, вызываемый при создании объекта.

Конструктор схож с методом, но отличается от метода тем, что не имеет явным образом определённого типа возвращаемых данных, не наследуется, и обычно имеет различные правила для рассматриваемых модификаторов. Конструкторы часто выделяются наличием одинакового имени с именем класса, в котором объявляется. Их задача - инициализировать члены объекта и определить инвариант класса, сообщив в случае некорректности инварианта. Корректно написанный конструктор оставит объект в «правильном» состоянии. Неизменяемые объекты тоже должны быть проинициализированы конструктором.

Имя класса всегда совпадает с конструктором. Конструктор ничего не возвращает. В нашем случае конструктор только инициализирует внутренние переменные класса.

student (int id, char* s, char* n, char* p, float b = 0) {

this->id = id;

this-> soname = s;

this-> name = n;

this-> phone = p;

this-> bal = b;

}

Добавим в класс все необходимые методы.

Это методы, которые устанавливают значение внутренним переменных и извлекают их из класса.

/*функция возвращает фамилию студента*/

char* getSoname (){

return this-> soname;

}

/*функция возвращает имя студента*/

char* getName (){

return this-> name;

}

/*функция возвращает телефон студента*/

char* getPhone (){

return this-> phone;

}

/*функция возвращает идентификатор студента*/

int getId (){

return this-> id;

}

/*функция возвращает средний балл студента*/

float getBal (){

return this-> bal;

}

/*функция устанавливает фамилию студента*/

void setSoname (char* s){

this-> soname = s;

}

/*функция устанавливает имя студента*/

void setName (char* n){

this-> name = n;

}

/*функция устанавливает идентификатор студента*/

void setId (int id){

this-> id = id;

}

/*функция устанавливает средний балл студента*/

void setBal (float b){

this-> bal = b;

}

Заключение