В текстах лекций рассмотрены основные принципы и средства объектно-ориентированного программирования с применением языка С++ и системы программирования Borland C++. В приложении приведены задачи для самостоятельного решения. Предполагается, что читатель уже знаком с основами универсальных языков программирования. Пособие предназначено для студентов специальности "Прикладная математика" и может быть использовано студентами других специальностей для самостоятельного изучения С++.
Технология программирования - это совокупность методов и средств разработки (написания) программ и порядок применения этих методов и средств.
На ранних этапах развития программирования, когда программы писались в виде последовательностей машинных команд, какая-либо технология программирования отсутствовала. Первые шаги в разработке технологии состояли в представлении программы в виде последовательности операторов. Написанию последовательности машинных команд предшествовало составление операторной схемы, отражающей последовательность операторов и переходы между ними. Операторный подход позволил разработать первые программы для автоматизации составления программ - так называемые составляющие программы.
С увеличением размеров программ стали выделять их обособленные части и оформлять их как подпрограммы. Часть таких подпрограмм объединялась в библиотеки, из которых подпрошраммы можно было включать в рабочие программы и затем вызывать из рабочих программ. Это положило начало процедурному программированию - большая программа представлялась совокупностью процедур-подпрограмм. Одна из подпрограмм являлась главной, и с нее начиналось выполнение программы.
В 1958 году были разработаны первые языки программирования, Фортран и Алгол-58. Программа на Фортране состояла из главной программы и некоторого количества процедур - подпрограмм и функций. Программа на Алголе-58 и его последующей версии Алголе-60 представляла собой единое целое, но имела блочную структуру, включающую главный блок и вложенные блоки подпрограмм и функций. Компиляторы для Фортрана обеспечивали раздельную трансляцию процедур и последующее их объединение в рабочую программу, первые компиляторы для Алгола предполагали, что транслируется сразу вся программа, раздельная трансляция процедур не обеспечивалась.
Процедурный подход потребовал структурирования будущей программы, разделения ее на отдельные процедуры. При разработке отдельной процедуры о других процедурах требовалось знать только их назначение и способ вызова. Появилась возможность перерабатывать отдельные процедуры, не затрагивая остальной части программы, сокращая при этом затраты труда и машинного времени на разработку и модернизацию программ.
Следующим шагом в углублении структурирования программ стало так называемое структурное программирование, при котором программа в целом и отдельные процедуры рассматривались как последовательности канонических структур: линейных участков, циклов и разветвлений. Появилась возможность читать и проверять программу как последовательный текст, что повысило производительность труда программистов при разработке и отладке программ. С целью повышения структурности программы были выдвинуты требования к большей независимости подпрограмм, подпрограммы должны связываться с вызывающими их программами только путем передачи им аргументов, использование в подпрограммах переменных, принадлежащих другим процедурам или главной программе, стало считаться нежелательным.
Процедурное и структурное программирование затронули, прежде всего, процесс описания алгоритма как последовательности шагов, ведущих от варьируемых исходных данных к искомому результату. Для решения специальных задач стали разрабатываться языки программирования, ориентированные на конкретный класс задач: на системы управления базами данных, имитационное моделирование и т.д.
При разработке трансляторов все больше внимания стало уделяться обнаружению ошибок в исходных текстах программ, обеспечивая этим сокращение затрат времени на отладку программ.
Применение программ в самых разных областях человеческой деятельности привело к необходимости повышения надежности всего программного обеспечения. Одним из направлений совершенствования языков программирования стало повышения уровня типизации данных. Теория типов данных исходит из того, что каждое используемое в программе данное принадлежит одному и только одному типу данных. Тип данного определяет множество возможных значений данного и набор операций, допустимых над этим данным. Данное конкретного типа в ряде случаев может быть преобразовано в данное другого типа, но такое преобразование должно быть явно представлено в программе. В зависимости от степени выполнения перечисленных требований можно говорить об уровне типизации того или иного языка программирования. Стремление повысить уровень типизации языка программирования привело к появлению языка Паскаль, который считается строго типизированным языком, хотя и в нем разрешены некоторые неявные преобразования типов, например, целого в вещественное. Применение строго типизированного языка при написании программы позволяет еще при трансляции исходного текста выявить многие ошибки использования данных и этим повысить надежность программы. Вместе с тем строгая типизация сковывала свободу программиста, затрудняла применение некоторых приемов преобразования данных, часто используемых в системном программировании. Практически одновременно с Паскалем был разработан язык Си, в большей степени ориентированный на системное программирование и относящийся к слабо типизированным языкам.
Все универсальные языки программирования, несмотря на различия в синтаксисе и используемых ключевых словах, реализуют одни и те же канонические структуры: операторы присваивания, циклы и разветвления. Во всех современных языках присутствуют предопределенные (базовые) типы данных (целые и вещественные арифметические типы, символьный и, возможно, строковый тип), имеется возможность использования агрегатов данных, в том числе массивов и структур (записей). Для арифметических данных разрешены обычные арифметические операции, для агрегатов данных обычно предусмотрена только операция присваивания и возможность обращения к элементам агрегата. Вместе с тем при разработке программы для решения конкретной прикладной задачи желательна возможно большая концептуальная близость текста программы к описанию задачи. Например, если решение задачи требует выполнения операций над комплексными числами или квадратными матрицами, желательно, чтобы в программе явно присутствовали операторы сложения, вычитания, умножения и деления данных типа комплексного числа, сложения, вычитания, умножения и обращения данных типа квадратной матрицы. Решение этой проблемы возможно несколькими путями:
- 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, рассматриваемый в следующем параграфе.
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.
- Взаимодействие между объектами осуществляется посылкой специальных сообщений от одного объекта к другому. Сообщение, полученное объектом, может потребовать выполнения определенных действий, например, изменения состояния объекта.
- Объекты, описанные одним и тем же набором параметров и способные выполнять один и тот же набор действий представляют собой класс однотипных объектов.
С точки зрения языка программирования класс объектов можно рассматривать как тип данного, а отдельный объект - как данное этого типа. Определение программистом собственных классов объектов для конкретного набора задач должно позволить описывать отдельные задачи в терминах самого класса задач (при соответствующем выборе имен типов и имен объектов, их параметров и выполняемых действий).
Таким образом, объектно-ориентированный подход предполагает, что при разработке программы должны быть определены классы используемых в программе объектов и построены их описания, затем созданы экземпляры необходимых объектов и определено взаимодействие между ними.
Классы объектов часто удобно строить так, чтобы они образовывали иерархическую структуру. Например, класс “Студент”, описывающий абстрактного студента, может служить основой для построения классов “Студент 1 курса”, “Студент 2 курса” и т.д., которые обладают всеми свойствами студента вообще и некоторыми дополнительными свойствами, характеризующими студента конкретного курса. При разработке интерфейса с пользователем программы могут использовать объекты общего класса “Окно” и объекты классов специальных окон, например, окон информационных сообщений, окон ввода данных и т.п. В таких иерархических структурах один класс может рассматриваться как базовый для других, производных от него классов. Объект производного класса обладает всеми свойствами базового класса и некоторыми собственными свойствами, он может реагировать на те же типы сообщений от других объектов, что и объект базового класса и на сообщения, имеющие смысл только для производного класса. Обычно говорят, что объект производного класса наследует все свойства своего базового класса.