Построением языка программирования, содержащего как можно больше типов данных, и выбором для каждого класса задач некоторого подмножества этого языка. Такой язык иногда называют языком-оболочкой. На роль языка-оболочки претендовал язык ПЛ/1, оказавшийся настолько сложным, что так и не удалось построить его формализованное описание. Отсутствие формализованного описания, однако, не помешало широкому применению ПЛ/1 как в Западной Европе, так и в СССР.
Построением расширяемого языка, содержащего небольшое ядро и допускающего расширение, дополняющее язык типами данных и операторами, отражающими концептуальную сущность конкретного класса задач. Такой язык называют языком-ядром. Как язык-ядро были разработаны языки Симула и Алгол-68, не получившие широкого распространения, но оказавшие большое влияние на разработку других языков программирования.
Дальнейшим развитием второго пути явился объектно-ориентированный подход к программированию.
Различия функционального и объектно-ориентированного подходов программирования
Есть два принципиально отличающихся подхода к технологии программирования: инженерно-конструкторский и математический. Первый основан на том, что изготовление программного продукта по заданным требованиям суть итеративный процесс последовательной реализации алгоритма решения задачи. Второй подход основан на математическом доказательстве правильности программы и автоматическом (или полуавтоматическом) получении готовой программы по заданным спецификациям.
Объектно-ориентированный подход к технологии программирования – инженерно-конструкторский, в котором внимание концентрируется на самом процессе решения задачи. В данной статье авторами обобщается опыт использования объектно-ориентированной технологии при разработке среды объектно-ориентированного программирования и некоторых прикладных программ, работающих в этой среде.
Оценим преимущества и недостатки наиболее распространенной инженерной технологии – функциональной. Существует три главные проблемы функционального подхода:
Слабая формализация связей между этапами. Специализация этапов приводит к тому, что интерфейсы между ними описываются на различных языках с разной степенью формализации. Слабая формализация уменьшает надежность программы и, что самое неприятное, ее адекватность требованиям заказчика.
Отсутствие гибкости. Поэтапная последовательная схема жестко связана с нисходящим способом создания программы. Однако практика показывает, что процесс. создания. хоть сколько-нибудь сложной программы неизбежно оказывается циклическим, с возвратами для внесения изменений в предыдущие этапы. Такие возвраты связаны с большими затратами, поскольку вовлекают этапы с разными интерфейсами и разными исполнителями.
Плохое использование результатов предыдущих разработок. Нисходящее проектирование вместе со слабой формализацией языков спецификаций приводят к тому, что результаты проектирования, как и готовые программы и их части, практически невозможно использовать для других целей. Исключение составляют библиотеки языков программирования на этапе кодирования.
Принципиальное отличие от функциональной схемы состоит в том, что поэтапный цикл жизни программного продукта заменяется многоуровневым представлением процесса решения задачи, которое получается сочетанием нисходящего и восходящего способов. С одной стороны идет детализация верхних уровней, с другой стороны из нижних уровней собираются недостающие компоненты верхних уровней. Смежные и другие близлежащие уровни могут пересекаться, т.е. иметь общие компоненты. Таким образом, границы между уровнями размываются, их число становится произвольным и даже неопределенным, а сами уровни теряют свою специфику.
Возможность применения вышеуказанной схемы обеспечивают три единые для всех уровней средства: объектно-ориентированный язык, среда программирования, база данных (библиотека классов). Эти средства в явном виде составляют основу любой объектно-ориентированной технологии. Рассмотрим их основные характеристики.
Объектно-ориентированный язык программирования основывается на понятии объекта как замкнутой независимой сущности, взаимодействующей с внешним миром через строго определенный интерфейс в виде перечня сообщений, которые объект может принимать. Объект обладает свойствами, поведением и состоянием. Объекты с одинаковыми свойствами и поведением объединяются в классы. Программа на объектно-ориентированном языке представляет собой совокупность описаний классов. Классы, в свою очередь, представляют собой описания свойств и поведения составляющих их объектов. Свойства представляются другими, как правило, более простыми объектами. Поведение описывается обменивающимися сообщениями объектами.
Объектно-ориентированным языкам присущи следующие характеристики:
абстрактные типы данных;
скрытие реализации внешнего интерфейса (инкапсуляция);
наследование свойств и поведения объектов;
динамическое связывание имени со значением;
полиморфизм имен сообщений;
автоматическое управление памятью.
Чисто объектно-ориентированные языки, такие как Smalltalk, Eiffel, обладают всеми перечисленными здесь свойствами. Широко распространены объектно-ориентированные расширения традиционных языков (Си++, Турбо-Паскаль), в которых присутствуют не все объектно-ориентированные черты.
Объектно-ориентированная база классов представляет собой иерархический набор (библиотеку) классов – строительных блоков для сборки новых уровней создаваемого программного продукта. Здесь хранятся классы «джентльменского набора» библиотек языков программирования, а также классы, описывающие понятия прикладных предметных областей.
Классы представляют собой накопленные знания о ранее изготовленных продуктах. База классов должна обеспечивать легкий поиск классов, их изучение, модификацию, включение новых классов. Язык и база классов объединяются в интегрированную объектно-ориентированную среду программирования, в которой все средства поддержки процесса разработки программ написаны на данном языке и входят на равных правах в состав базы классов. Типичными примерами таких средств являются графический многооконный интерфейс с пользователем, иерархические меню, компилятор, интерпретатор, отладчик, текстовый редактор.
Разработка программ по объектно-ориентированной технологии сводится к созданию новых классов, их тестированию и включению в состав объектно-ориентированной среды разработки.
Каждый отдельный класс, благодаря своей независимости, может разрабатываться и тестироваться отдельно. Проверенный класс включается в библиотеку и становится достоянием текущей и последующих разработок. Особенностью объектно-ориентированной технологии разработки программ является возможность быстрого прототипирования. В этом случае классы решаемой задачи описываются только своими основными свойствами и поведением, что позволяет сразу проверить главную идею решения задачи. Если она неверна, то может быть быстро изменена и проверена снова. При этом экономятся существенные затраты на программирование деталей.
Рассмотрим, каким образом в объектно-ориентированной технологии преодолеваются три перечисленных недостатка функционального подхода.
Формализация связей между этапами. Все этапы (уровни), начиная анализа программы, описываются на едином формализованном языке. Фактически четкой границы между уровнями.
Единственный неформализованный уровень – требования пользователя. Этот уровень вообще трудно формализуем, поскольку конечным пользователем или заказчиком обычно является непрофессионал в области программирования и ему необходимо предложить свободу в изложении требований к задаче. То, что требуется для последующих спецификаций, – перечень объектов, их свойств и взаимных действий – не выходит за рамки обычного описания проблемы на естественном языке. Переход от этого описания к спецификации программы делается вручную, но практически один в один с точностью до простого синтаксиса объектно-ориентированного языка.
Гибкость. Внесение изменений внутри объекта или класса совершенно не затрагивает его клиентов, т.е. тех объектов, которые его используют, разумеется, если внешний интерфейс объекта остается неизменным. Это фундаментальный принцип объектно-ориентированного программирования. Таким образом обеспечивается гибкость при программировании снизу-вверх.
В настоящее время объектно-ориентированный подход является одним из быстро развивающихся направлений в проектировании систем. Примером могут являться объектно-ориентированный анализ – методология разработки систем, предложенная Йорданом, объектно-ориентированное проектирование, объектно-ориентированное программирование, реализованное в многочисленных компиляторах C++, Object Pascal, Borland Pascal, Smalltalk.
Объектно-ориентированный подход
Основные идеи объектно-ориентированного подхода опираются на следующие положения:
программа представляет собой модель некоторого реального процесса, части реального мира;
модель реального мира или его части может быть описана как совокупность взаимодействующих между собой объектов;
объект описывается набором параметров, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций (действий), которые может выполнять объект;