Тема 10. Методология объектно-ориентированного программирования (II)

Инкапсуляция. Полиморфизм. Наследование. Технология ООП. Инструментальная среда ООП для разработки ПО. Визуальное проектирование. Свойства. События

 

В ходе лекции будут рассмотрены важнейшие научные исследования, относящиеся к эволюции подходов к математическому моделированию одной из важнейших для объектно-ориентированного подхода к программированию концепций, а именно, инкапсуляции.

Прежде всего, будет сформулировано определение понятия инкапсуляции. Затем будет представлен сравнительный анализ путей реализации концепции инкапсуляции в языках объектно-ориентированного программирования и в computer science.

Особое внимание будет уделено реализации механизмов инкапсуляции для объектов языка программирования C#, включая классификацию областей видимости объектов, а также особенности их применения.

Рекомендации по использованию областей видимости с примерами программ на языке C# проиллюстрируют практику применения концепции инкапсуляции.

Лекция завершится обзором литературы для более глубокого исследования материала. Прежде всего, попытаемся формализовать понятие инкапсуляции в рамках объектно-ориентированного подхода к программированию.

В неформальной постановке вопроса будем понимать под инкапсуляцией доступность объекта исключительно посредством его свойств и методов.

Другими словами, концепция инкапсуляции призвана обеспечивать безопасность проектирования и реализации программного обеспечения на основе локализации манипулирования объектом в областях его полей и методов.

Иначе говоря, свойствами объекта возможно оперировать исключительно посредством его методов. Это замечание касается как свойств, явно определенных в описании объекта, так и свойств, унаследованных данным объектом от другого (других).

Практическая важность концепции инкапсуляции для современных языков объектно-ориентированного программирования (в том числе и для языка C#) определяется следующими фундаментальными свойствами.

Прежде всего, реализация концепции инкапсуляции обеспечивает совместное хранение данных (или, иначе, полей) и функций (или, иначе, методов) внутри объекта. Как следствие, механизм инкапсуляции приводит к сокрытию информации о внутреннем «устройстве» объекта данных (или, в терминах языков ООП, свойств и методов объекта) от пользователя того или иного объектно-ориентированного приложения.

Таким образом, пользователь, получающий программное обеспечение как сервис, оказывается изолированным от особенностей среды реализации. Обсудив определение понятия инкапсуляции (пока на интуитивном уровне), перейдем к рассмотрению формализаций этой фундаментальной для объектно-ориентированного программирования концепции на основе уже известных нам формальных теорий computer science.

Как оказывается, понятие инкапсуляции вполне адекватно формализуется посредством таких теоретических формальных систем, как ламбда-исчисление А.Черча и комбинаторная логика Х.Карри.

При этом, при интерпретации концепции инкапсуляции в терминах формальной системы ламбда-исчисления, в роли объектов выступают ламбда-термы, в роли свойств – связанные переменные, а в роли методов – свободные переменные.

В случае же интерпретации концепции инкапсуляции в терминах формальной системы комбинаторной логики, в роли объектов выступают комбинаторы, в роли свойств – переменные, а в роли методов – комбинаторы.

Поясним в более детальной форме реализацию механизма сокрытия информации посредством концепции инкапсуляции.

Рассмотрим в достаточно обобщенном виде схему взаимодействия объекта и данных. Вначале представим схему такого рода для традиционного императивного языка программирования (каковыми являются, например, языки C и Pascal). При этом в нашем рассуждении под термином «объект» будем понимать произвольный объект языка программирования, безотносительно к концепции объектно-ориентированного программирования.

В этом случае, объявления данных и процедуры обработки данных отделены друг от друга. Зачастую в ранних языках программирования описания языковых объектов и процедуры манипулирования ими выделены в обособленные разделы.

В этой связи, принципиальным недостатком ранних императивных языков программирования является то обстоятельство, что доступ к данным может быть получен методами, которые изначально не предназначались разработчиками приложений для манипулирования этими данными. Вообще говоря, управление объектом может осуществляться посредством произвольной процедуры или функции, и у среды проектирования и реализации программного обеспечения нет возможности централизованного управления этим процессом. Такой подход к программированию, безусловно, является довольно непоследовательным и весьма небезопасным.

В отличие от предыдущей схемы, при объектно-ориентированном подходе к проектированию и реализации прикладного программного обеспечения взаимодействие объектов языка программирования и конкретизирующих его данных реализуется принципиально иным образом.

По существу, объект и данные составляют единое и неделимое целое.

Прежде всего, определение (или описание свойств классов) и процедуры манипулирования этими свойствами (или методы) для каждого объекта языка программирования при объектно-ориентированном подходе хранятся совместно.

Кроме того, среда проектирования и реализации программного обеспечения (например, Microsoft Visual Studio.NET) не предоставляет иных возможностей доступа к объекту, как посредством методов, изначально предназначенных для манипулирования данным объектом.

Таким образом, концепция инкапсуляции в языках объектно-ориентированного программирования служит целям обеспечения единообразия определения, хранения и манипулирования информацией о языковых объектах.

Заметим, что инкапсуляция является безусловно необходимым требованием для каждого объекта.

В то же время, в практике программирования, степень инкапсуляции объекта (в широком значении этого слова) определяется его описанием, а также описанием порождающих его объектов (в действительности это, как правило, описания базовых и производных классов).

В этой связи в языках объектно-ориентированного программирования вводится понятие области видимости как степени доступности произвольного языкового объекта.

Применительно к языку программирования C# области видимости объектов подразделяются на следующие виды.

Общедоступные объекты описываются с помощью зарезервированного слова public и характеризуются доступностью из произвольного места программы, для которого определено пространство имен с описанием рассматриваемого объекта. При этом элементы интерфейсов и перечислений являются общедоступными (public) объектами по умолчанию.

С другой стороны, типы, описанные в составе пространств имен в форме классов, структур, интерфейсов, перечислений или делегатов являются по умолчанию видимыми из сборки с описанием объекта и описываются с помощью зарезервированного слова internal.

Наконец, элементы классов и структур, в частности, поля, методы, свойства и вложенные типы являются по умолчанию доступными из описаний соответствующих классов или структур и описываются с помощью зарезервированного слова private.

Проиллюстрируем обсуждение использования модификаторов областей видимости объектов (public и private) следующим содержательным примером фрагмента

программы на языке C#:

public class Stack

{

private int[] val;

// private используется и по умолчанию

private int top;

// private используется и по умолчанию

public Stack() {...}

public void Push(int x) {...}

public int Pop() {...}

}

Как видно из приведенного примера, фрагмент программы на языке C# содержит описание класса стека Stack, реализованного на основе массива целочисленных элементов (поле val). Голова стека представляет собой целочисленное значение (поле top). Над стеком определены операции инициализации (метод Stack), а также вставки (метод Push) и удаления (метод Pop) элемента.

Как явствует из примера, класс Stack и все манипулирующие его объектами методы (Stack, Push и Pop) являются общедоступными (public), тогда как поля являются доступными локально (private), т.е. только из описания данного класса.

Заметим, что в приведенном выше примере фрагмента программы с описанием областей видимости использовались только базовые возможности модификаторов видимости языка программирования C#.

Оказывается, что язык программирования C# располагает механизмами реализации дополнительных (или расширенных) по сравнению с базовыми областей видимости объектов.

Рассмотрим более подробно особенности основных типов расширенных областей видимости объектов в языке программирования C#.

К числу расширенных областей видимости следует отнести доступность языковых объектов как непосредственно из класса с описанием объекта, так и из его производных классов. В данном случае для описания языкового объекта используется зарезервированное слово protected.

Кроме того, для описания доступности языкового объекта лишь из сборки с его описанием используется зарезервированное слово internal.

Наконец, для описания доступности языкового объекта непосредственно из класса с описанием данного объекта, его производных классов, а также из сборки с описанием данного объекта используется зарезервированное слово protected internal.

После обсуждения использования (степеней) инкапсуляции применительно к классам в целом, рассмотрим особенности приложения данной концепции к таким фундаментальным объектам языка программирования C# как поля и константы.

Инициализация не является безусловно необходимой для полей в языке программирования C#. Тем не менее, доступ к полям и методам изначально запрещен (что соответствует использованию по умолчанию модификатора доступа private). В случае структуры поля инициализации не подлежат.

Простейшей иллюстрацией описания поля в языке программирования C# является следующий пример, содержащий определение класса C с целочисленным полем value:

class C {

int value = 0;

}

В случае константы инициализация также не является необходимым требованием. Тем не менее, значение константы должно быть вычислимо в процессе компиляции.

Простейшей иллюстрацией описания константы в языке программирования C# является следующий пример, содержащий определение константы size, представляющей собой целочисленное значение двойной длины (long):

const long size = ((long)int.MaxValue + 1) / 4;

Заметим, что фрагмент …(long) … в правой части присваивания представляет собой явное преобразование типов языковых объектов.

По результатам исследования концепции инкапсуляции и ее применения в языках объектно-ориентированного программирования можно сделать следующие выводы о принципиальных преимуществах рассмотренной концепции.

Прежде всего, реализация концепции инкапсуляции приводит к унификации представления, а, следовательно, и моделирования сколь угодно сложных предметных областей.

.Кроме того, механизм инкапсуляции обеспечивает четкий, недвусмысленный, прямолинейный подход к моделированию предметной области за счет объединения объектов с данными.

Именно в силу последнего обстоятельства становится принципиально возможной реализация гибкого управления уровнем абстракции как для данных, так и для метаданных.

Наконец, концепция инкапсуляции гарантирует более высокую степень безопасности результирующего кода и его защищенности от несанкционированных или нецеленаправленных действий пользователя.