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.

---

Заметьте, как тщательно был спроектирован механизм, дающий разработчикам шанс забыть об устаревшем стиле разбора вариантов (case-by-case). Если вы действительно хотите перехитрить динамическое связывание и отдельно проверять каждый вариант типа, вы можете это сделать, хотя вам и придется немало потрудиться. Так, вместо обычного f.display, использующего ОО-механизмы полиморфизма и динамического связывания, можно, - но не рекомендуется, - писать:

display (f: FIGURE) is

-- Отобразить f, используя алгоритм,

-- адаптируемый к истинной природе объекта.

local

r: RECTANGLE; t: TRIANGLE; p: POLYGON; s: SQUARE

sg: SEGMENT; e: ELLIPSE; c: CIRCLE;?

do

r ?= f; if r /= Void then "Использовать алгоритм вывода прямоугольника" end

t ?= f; if t /= Void then "Использовать алгоритм вывода треугольника" end

c ?= f; if c /= Void then "Использовать алгоритм вывода окружности" end

... и т.д. ...

end

На практике такая схема даже хуже, чем кажется, так как структура наследования имеет несколько уровней, а значит, усложнения управляющих конструкций не избежать.

Из-за трудностей написания таких закрученных конструкций попытки присваивания новичкам вряд ли придет в голову использовать их вместо привычной ОО-схемы. Однако и опытные специалисты должны помнить о возможности неправильного использования конструкции.

Немного похожий на попытку присваивания механизм "сужения" (narrowing) есть в языке Java. В случае несоответствия типов он выдает исключение. Это похоже на самоубийство, неуспех присваивания вовсе не является чем-то ненормальным, это ожидаемый результат. Оператор instanceof в языке Java выполняет проверку типов на совместимость.

Из-за отсутствия в языке универсальности Java активно использует оба механизма. Отчасти это связано с тем, что в отсутствие множественного наследования Java не содержит класса NONE, а потому не может выделить эквиваленту Void надежное место в собственной системе типов.

Типизация и повторное объявление

Повторное объявление компонентов не требует сохранения сигнатуры. Пока оно виделось нам как замена одного алгоритма другим или - для отложенного компонента - запись алгоритма, соответствующего ранее заданной спецификации.

Но, воплощая идею о том, что класс способен предложить более специализированную версию элемента, описанного его предком, мы вынуждены иногда изменять типы данных. Приведем два характерных примера.

Устройства и принтеры

Вот простой пример переопределения типа. Рассмотрим понятие устройства, включив предположение о том, что для любого устройства есть альтернатива, так что устройство можно заменить, если оно по каким-либо причинам недоступно:

class DEVICE feature

alternate: DEVICE

set_alternate (a: DEVICE) is

-- Пусть a - альтернативное устройство.

do

alternate := a

end

... Прочие компоненты ...

end

Принтер является устройством, так что использование наследования оправдано. Но альтернативой принтера может быть только принтер, но не дисковод для компакт-дисков или сетевая карта, - поэтому мы должны переопределить тип:

Рис. 16.6.  Устройства и принтеры

class PRINTER inherit

DEVICE

redefine alternate, set_alternate

feature

alternate: PRINTER

set_alternate (a: PRINTER) is

-- Пусть a - альтернативное устройство.

... Тело как у класса DEVICE ...

... Прочие компоненты ...

end

В этом и проявляется специализирующая природа наследования.

Одно- и двусвязные элементы

В следующем примере мы обратимся к базовым структурам данных. Рассмотрим библиотечный класс LINKABLE, описывающий односвязные элементы, используемые в LINKED_LIST - одной из реализаций списков. Вот частичное описание класса:

indexing

description: "Односвязные элементы списка"

class LINKABLE [G] feature

item: G

right: LINKABLE [G]

put_right (other: LINKABLE [G]) is

-- Поместить other справа от текущего элемента.

do right := other end

... Прочие компоненты ...

end

Рис. 16.7.  Односвязный элемент списка

Ряд приложений требуют двунаправленных списков. Класс TWO_WAY_LIST - наследник LINKED_LIST должен быть также наследником класса BI_LINKABLE, являющегося наследником класса LINKABLE.

Рис. 16.8.  Параллельные иерархии

Двусвязный элемент списка имеет еще одно поле:

Рис. 16.9.  Двусвязный элемент списка

В состав двунаправленных списков должны входить лишь двусвязные элементы (хотя последние, в силу полиморфизма, вполне можно внедрять и в однонаправленные структуры). Переопределив right и put_right, мы гарантируем однородность двусвязных списков.

indexing

description: "Элементы двусвязного списка"

class BI_LINKABLE [G] inherit

LINKABLE [G]

redefine right, put_right end

feature

left, right: BI_LINKABLE [G]

put_right (other: BI_LINKABLE [G]) is

-- Поместить other справа от текущего элемента.

do

right := other

if other /= Void then other.put_left (Current) end

end

put_left (other: BI_LINKABLE [G]) is

-- Поместить other слева от текущего элемента.

... Упражнение для читателя ...

... Прочие компоненты ...

invariant

right = Void or else right.left = Current

left = Void or else left.right = Current

end

(Попробуйте написать put_left. Здесь скрыта ловушка! См. приложение A.)

Правило повторного объявления типов

Примеры, рассмотренные выше, несмотря на все их различия, объединяет необходимость повторного объявления типов. Спуск по иерархии наследования означает специализацию классов, и в соответствии со специализацией изменяются типы функций и типы аргументов подпрограмм, как, например, a в set_alternate и other в put_right; изменяются типы запросов - alternate и right.

Этот аспект повторного объявления выражает следующее правило:

Правило повторного объявления типов

При повторном объявлении компонента можно заменить тип компонента (для атрибутов и функций) или тип формального параметра (для подпрограмм) любым совместимым типом.

Правило использует понятие совместимости типов. Связка "или", стоящая в тексте правила, не исключает того, что при повторном объявлении функции мы можем одновременно изменить как тип результата функции, так и тип одного или нескольких ее аргументов.

Любое повторное объявление ведет к специализации, а, следовательно, к изменению типов. Так, с переходом к двунаправленным спискам параметры и результаты функций сменили свой тип на BI_LINKABLE. Отсюда становится понятен тот термин, которым часто описывают политику редекларации типов, - ковариантная типизация (covariant typing), где приставка "ко" указывает на параллельное изменение типов при спуске по диаграмме наследования.

Ковариантная типизация таит в себе немало проблем, которые возникают у создателей компиляторов, нередко перекладывающих их решение на плечи разработчиков приложений.

Закрепленные объявления

Правило повторного объявления типов способно свести на нет целый ряд преимуществ наследования. Почему это происходит и каково решение данной проблемы?

Несогласованность типов

Рассмотрим пример с участием класса LINKED_LIST. Пусть мы имеем процедуру добавления в список нового элемента с заданным значением, который вставляется справа от текущего элемента. В деталях процедуры нет ничего необычного, но все же обратим внимание на потребность создания локальной сущности new типа LINKABLE, представляющей элемент списка, который будет создан и включен в список.

Рис. 16.10.  Добавление элемента

put_right (v: G) is

-- Вставить элемент v справа от курсора.

-- Не передвигать курсор.