Бертран Мейер - Основы объектно-ориентированного программирования

• Название: Основы объектно-ориентированного программирования
• Автор: Бертран Мейер
• Жанр: Прочая околокомпьтерная литература

Фундаментальный учебник по основам объектно-ориентированного программирования и инженерии программ. В книге подробно излагаются основные понятия объектной технологии – классы, объекты, управление памятью, типизация, наследование, универсализация. Большое внимание уделяется проектированию по контракту и обработке исключений, как механизмам, обеспечивающим корректность и устойчивость программных систем.

В книге Бертрана Мейера рассматриваются основы объектно-ориентированного программирования. Изложение начинается с рассмотрения критериев качества программных систем и обоснования того, как объектная технология разработки может обеспечить требуемое качество. Основные понятия объектной технологии и соответствующая нотация появляются как результат тщательного анализа и обсуждений. Подробно рассматривается понятие класса - центральное понятие объектной технологии. Рассматривается абстрактный тип данных, лежащий в основе класса, совмещение классом роли типа данных и модуля и другие аспекты построения класса. Столь же подробно рассматриваются объекты и проблемы управления памятью. Большая часть книги уделена отношениям между классами – наследованию, универсализации и их роли в построении программных систем. Важную часть книги составляет введение понятия контракта, описание технологии проектирования по контракту, как механизма, обеспечивающего корректность создаваемых программ. Не обойдены вниманием и другие важные темы объектного программирования – скрытие информации, статическая типизация, динамическое связывание и обработка исключений. Глубина охвата рассматриваемых тем делает книгу Бертрана Мейера незаменимой для понимания основ объектного программирования.

---

Рассмотрим реализацию стека, заданную массивом. У нас уже есть классы для поддержки стеков и массивов в отдельности (абстрактный STACK и эффективный ARRAY, см. предыдущие лекции). Лучший способ реализации класса ARRAYED_STACK (стек, заданный массивом) - описать его как наследника классов STACK и ARRAY. Это концептуально верно: стек-массив одновременно является стеком (с точки зрения клиента) и массивом (с позиций поставщика). Вот описание класса:

indexing

description: "Стек, реализованный массивом"

class ARRAYED_STACK [G] inherit

STACK [G]

ARRAY [G]

... Здесь будут добавлены предложения переименования ...

feature

...Реализация отложенных подпрограмм класса STACK

в терминах операций класса ARRAY (см. ниже)...

end

ARRAYED_STACK предлагает ту же функциональность, что и STACK, делая эффективными отложенные компоненты: full, put, count ..., реализуя их как операции над массивом.

Вот схема некоторых типичных компонентов: full, count и put. Так, условие, при котором стек полон, имеет вид:

full: BOOLEAN is

-- Является ли стек (его представление) заполненным?

do

Result := (count = capacity)

end

Компонент capacity унаследован от класса ARRAY и задает емкость стека, равную числу элементов массива. Для count потребуется ввести атрибут:

count: INTEGER

Это пример эффективной реализации отложенного компонента как атрибута. Наконец,

put (x: G) is

-- Втолкнуть x на вершину.

require

not full

do

count := count + 1

array_put (x, count)

end

Процедура array_put унаследована от класса ARRAY. Ее цель - записать новое значение в указанный элемент массива.

Компоненты capacity и array_put имели в классе ARRAY имена count и put. Смену прежних имен мы поясним позднее.

Класс ARRAYED_STACK типичен как вариант наследования, образно именуемый "брак по расчету". Оба класса, - абстрактный и эффективный, - дополняя друг друга, создают достойную пару.

Помимо эффективной реализации методов, отложенных (deferred) в классе STACK, класс ARRAYED_STACK способен переопределять реализованные. Компонент change_top, реализованный в STACK в виде последовательности вызовов remove и put, можно переписать более эффективно:

array_put (x, count)

Указание на переопределение компонента следует ввести в предложение наследования:

class ARRAYED_STACK [G] inherit

STACK [G]

redefine change_top end

... Остальное, как прежде ...

Инвариант этого класса может иметь вид

invariant

non_negative_count: count >= 0

bounded: count <= capacity

Первое утверждение выражает свойство АТД. Фактически оно присутствует в родительском классе STACK и потому является избыточным. Здесь оно приводится в педагогических целях. Из окончательной версии класса его нужно изъять. Второе утверждение включает емкость массива - capacity. Это - инвариант реализации.

Сравнив ARRAYED_STACK с представленным ранее классом STACK2, вы увидите, как сильно он упростился благодаря наследованию. Это сравнение мы продолжим при обсуждении методологии наследования, в ходе которого ответим на критику, звучащую иногда в адрес наследования "по расчету" и так называемого наследования реализаций.

Структурное наследование

Множественное наследование просто необходимо, когда необходимо задать для класса ряд дополнительных свойств, помимо свойств, заданных базовой абстракцией.

Рассмотрим механизм создания объектов с постоянной структурой (способных сохраняться на долговременных носителях). Поскольку объект является "сохраняемым", то у него должны быть свойства, позволяющие его чтение и запись. В библиотеке Kernel за эти свойства отвечает класс STORABLE, который может быть родителем любого класса. Очевидно, такой класс, помимо STORABLE, должен иметь и других родителей, а значит, схема не сможет работать, не будь множественного наследования. Примером может служить изученное выше наследование с родителями COMPARABLE и NUMERIC. Форма наследования, при которой родитель задает общее структурное свойство, и, чаще всего, имеет имя, заканчивающееся на - ABLE, называется схемой наследования структурного вида.

Без множественного наследования нет способа указать, что некоторая абстракция обладает двумя структурными свойствами - числовыми и сохранения, сравнения и хеширования. Выбор только одного из родителей подобен выбору между отцом и матерью.

Наследование функциональных возможностей

Вот еще одна типичная ситуация. Многие программные инструменты должны сохранять "историю", что позволяет пользователям:

[x]. просмотреть список последних команд;

[x]. вторично выполнить последнюю команду;

[x]. выполнить новую команду, отредактировав для этого предыдущую;

[x]. аннулировать действие последней команды, которая не сумела закончить свою работу.

Такой механизм привлекателен для любой интерактивной среды, однако его создание требует больших усилий. Поэтому историю поддерживают лишь немногие инструменты (к примеру, ряд "командных оболочек" Unix и Windows), да и те нередко частично. Универсальные же решения не зависят от конкретного инструмента. Их можно инкапсулировать в класс, а от него - породить другой класс для управления рабочей сессией любого инструмента. (Решение с применением классов-клиентов допустимо, но не так привлекательно.) И снова без множественного наследования не обойтись, так как недостаточно иметь родителя, знающего только историю.

Набор полезных возможностей предоставляет класс TEST, инкапсулирующий ряд механизмов тестирования класса: прием и хранение данных от пользователя, вывод и хранение результата, сравнение, регрессное тестирование и т.д. Хотя решение с использованием вложения может быть предпочтительным, неплохо иметь возможность при тестировании класса X определять класс X_TEST, порожденный от X и TEST.

Далее мы будем встречать и другие примеры наследования функциональных возможностей, при котором один класс F инкапсулирует набор, например констант или методов математической библиотеки, а другой, объявляя себя потомком F, может ими воспользоваться.

Лунка и кнопка

Вот пример, в котором, как и раньше, без множественного наследования не обойтись. Идейно он близок к примеру с корпоративным самолетом, спальным вагоном и другими типами, полученными в результате объединения абстракций. Впрочем, теперь мы будем работать с понятиями из практики программирования.

Среда разработки ISE, описанная в лекции 19 курса "Основы объектно-ориентированного проектирования", подобно другим графическим приложениям, содержит "кнопки" для выполнения определенных действий. В среду встроен механизм "выбрать и перетащить" (pick and throw), аналог традиционного механизма буксировки drag-and-drop. С его помощью можно выбрать объект на экране; при этом курсор мыши превращается в "камешек", форма которого указывает тип выбранного объекта. Камешек можно перетащить и опустить в лунку, форма которой соответствует камешку, инициируя тем самым определенное действие. Например, инструментарий Class Tool, позволяющий исследовать свойства класса, имеет "классную лунку", опустив в которую камешек нового класса, вы перенастроите инструмент на показ его свойств.

Рис. 15.12.  Pick and throw (Выбрать и перетащить)

Обратите внимание на нижнюю строку с кнопками форматирования. Нажатие каждой из них позволяет получить разнообразную информацию о классе ARRAY, например краткую форму класса. Как показано на рисунке, пользователь, работая в окне Feature Tool, выбрал щелчком правой кнопки класс INTEGER. Он передвигает его в направлении "лунки" класса в окне Class Tool, настроенного сейчас на ARRAY. Перетаскивание завершается щелчком правой кнопки на "лунке" класса, форма которой соответствует форме камешка. Тем самым Class Tool будет перенастроен на работу с выбранным классом INTEGER.