Как называется способность объекта скрывать свои данные и реализацию от других объектов системы

ООП в картинках

ООП (Объектно-Ориентированное Программирование) стало неотъемлемой частью разработки многих современных проектов, но, не смотря на популярность, эта парадигма является далеко не единственной. Если вы уже умеете работать с другими парадигмами и хотели бы ознакомиться с оккультизмом ООП, то впереди вас ждет немного лонгрид и два мегабайта картинок и анимаций. В качестве примеров будут выступать трансформеры.

Прежде всего стоит ответить, зачем? Объектно-ориентированная идеология разрабатывалась как попытка связать поведение сущности с её данными и спроецировать объекты реального мира и бизнес-процессов в программный код. Задумывалось, что такой код проще читать и понимать человеком, т. к. людям свойственно воспринимать окружающий мир как множество взаимодействующих между собой объектов, поддающихся определенной классификации. Удалось ли идеологам достичь цели, однозначно ответить сложно, но де-факто мы имеем массу проектов, в которых с программиста будут требовать ООП.

Не следует думать, что ООП каким-то чудным образом ускорит написание программ, и ожидать ситуацию, когда жители Вилларибо уже выкатили ООП-проект в работу, а жители Виллабаджо все еще отмывают жирный спагетти-код. В большинстве случаев это не так, и время экономится не на стадии разработки, а на этапах поддержки (расширение, модификация, отладка и тестирование), то бишь в долгосрочной перспективе. Если вам требуется написать одноразовый скрипт, который не нуждается в последующей поддержке, то и ООП в этой задаче, вероятнее всего, не пригодится. Однако, значительную часть жизненного цикла большинства современных проектов составляют именно поддержка и расширение. Само по себе наличие ООП не делает вашу архитектуру безупречной, и может наоборот привести к излишним усложнениям.

Иногда можно столкнуться с критикой в адрес быстродействия ООП-программ. Это правда, незначительный оверхед присутствует, но настолько незначительный, что в большинстве случаев им можно пренебречь в пользу преимуществ. Тем не менее, в узких местах, где в одном потоке должны создаваться или обрабатываться миллионы объектов в секунду, стоит как минимум пересмотреть необходимость ООП, ибо даже минимальный оверхед в таких количествах может ощутимо повлиять на производительность. Профилирование поможет вам зафиксировать разницу и принять решение. В остальных же случаях, скажем, где львиная доля быстродействия упирается в IO, отказ от объектов будет преждевременной оптимизацией.

В силу своей природы, объектно-ориентированное программирование лучше всего объяснять на примерах. Как и обещал, нашими пациентами будут трансформеры. Я не трансформеролог, и комиксов не читал, посему в примерах буду руководствоваться википедией и фантазией.

Классы и объекты

Сразу лирическое отступление: объектно-ориентированный подход возможен и без классов, но мы будем рассматривать, извиняюсь за каламбур, классическую схему, где классы — наше всё.

Самое простое объяснение: класс — это чертеж трансформера, а экземпляры этого класса — конкретные трансформеры, например, Оптимус Прайм или Олег. И хотя они и собраны по одному чертежу, умеют одинаково ходить, трансформироваться и стрелять, они оба обладают собственным уникальным состоянием. Состояние — это ряд меняющихся свойств. Поэтому у двух разных объектов одного класса мы можем наблюдать разное имя, возраст, местоположение, уровень заряда, количество боеприпасов и т. д. Само наличие этих свойств и их типы описываются в классе.

Таким образом, класс — это описание того, какими свойствами и поведением будет обладать объект. А объект — это экземпляр с собственным состоянием этих свойств.

Мы говорим «свойства и поведение», но звучит это как-то абстрактно и непонятно. Привычнее для программиста будет звучать так: «переменные и функции». На самом деле «свойства» — это такие же обычные переменные, просто они являются атрибутами какого-то объекта (их называют полями объекта). Аналогично «поведение» — это функции объекта (их называют методами), которые тоже являются атрибутами объекта. Разница между методом объекта и обычной функцией лишь в том, что метод имеет доступ к собственному состоянию через поля.

Итого, имеем методы и свойства, которые являются атрибутами. Как работать с атрибутами? В большинстве ЯП оператор обращения к атрибуту — это точка (кроме PHP и Perl). Выглядит это примерно вот так (псевдокод):

// объявление класса с помощью ключевого слова class class Transformer() < // объявление поля x int x // объявление метода конструктора (сюда нам чуть ниже передадут 0) function constructor(int x)< // инициализация поля x // (переданный конструктору 0 превращается в свойство объекта) this.x = x >// объявление метода run function run() < // обращение к собственному атрибуту через this this.x += 1 >> // а теперь клиентский код: // создаем новый экземпляр трансформера с начальной позицией 0 optimus = new Transformer(0) optimus.run() // приказываем Оптимусу бежать print optimus.x // выведет 1 optimus.run() // приказывает Оптимусу еще раз бежать print optimus.x // выведет 2

В картинках я буду использовать такие обозначения:

Я не стал использовать UML-диаграммы, посчитав их недостаточно наглядными, хоть и более гибкими.

Что мы видим из кода?

1. this — это специальная локальная переменная (внутри методов), которая позволяет объекту обращаться из своих методов к собственным атрибутам. Обращаю внимание, что только к собственным, то бишь, когда трансформер вызывает свой метод, либо меняет собственное состояние. Если снаружи обращение будет выглядеть так: optimus.x, то изнутри, если Оптимус захочет сам обратиться к своему полю x, в его методе обращение будет звучать так: this.x, то есть «я (Оптимус) обращаюсь к своему атрибуту x«. В большинстве языков эта переменная называется this, но встречаются и исключения (например, self)

2. constructor — это специальный метод, который автоматически вызывается при создании объекта. Конструктор может принимать любые аргументы, как и любой другой метод. В каждом языке конструктор обозначается своим именем. Где-то это специально зарезервированные имена типа __construct или __init__, а где-то имя конструктора должно совпадать с именем класса. Назначение конструкторов — произвести первоначальную инициализацию объекта, заполнить нужные поля.

3. new — это ключевое слово, которое необходимо использовать для создания нового экземпляра какого-либо класса. В этот момент создается объект и вызывается конструктор. В нашем примере, конструктору передается 0 в качестве стартовой позиции трансформера (это и есть вышеупомянутая инициализация). Ключевое слово new в некоторых языках отсутствует, и конструктор вызывается автоматически при попытке вызвать класс как функцию, например так: Transformer().

4. Методы constructor и run работают с внутренним состоянием, а во всем остальном не отличаются от обычных функций. Даже синтаксис объявления совпадает.

5. Классы могут обладать методами, которым не нужно состояние и, как следствие, создание объекта. В этом случае метод делают статическим.

SRP

(Single Responsibility Principle / Принцип единственной ответственности / Первый принцип SOLID). С ним вы, наверняка, уже знакомы из других парадигм: «одна функция должна выполнять только одно законченное действие». Этот принцип справедлив и для классов: «Один класс должен отвечать за какую-то одну задачу». К сожалению с классами сложнее определить грань, которую нужно пересечь, чтобы принцип нарушался.

Существуют попытки формализовать данный принцип с помощью описания назначения класса одним предложением без союзов, но это очень спорная методика, поэтому доверьтесь своей интуиции и не бросайтесь в крайности. Не нужно делать из класса швейцарский нож, но и плодить миллион классов с одним методом внутри — тоже глупо.

Ассоциация

Традиционно в полях объекта могут храниться не только обычные переменные стандартных типов, но и другие объекты. А эти объекты могут в свою очередь хранить какие-то другие объекты и так далее, образуя дерево (иногда граф) объектов. Это отношение называется ассоциацией.

Предположим, что наш трансформер оборудован пушкой. Хотя нет, лучше двумя пушками. В каждой руке. Пушки одинаковые (принадлежат к одному классу, или, если будет угодно, выполненные по одному чертежу), обе одинаково умеют стрелять и перезаряжаться, но в каждой есть свое хранилище боеприпасов (собственное состояние). Как теперь это описать в ООП? С помощью ассоциации:

class Gun() < // объявляем класс Пушка int ammo_count // объявляем количество боеприпасов function constructor()< // конструктор this.reload() // вызываем собственный метод "перезарядить" >function fire() < // объявляем метод пушки "стрелять" this.ammo_count -= 1 // расходуем боеприпас из собственного магазина >function reload() < // объявляем метод "перезарядить" this.ammo_count = 10 // забиваем собственный магазин боеприпасами >> class Transformer() < // объявляем класс Трансформер Gun gun_left // объявляем поле "левая пушка" типа Пушка Gun gun_right // объявляем поле "правая пушка" тоже типа Пушка /* теперь конструктор Трансформера принимает в качестве аргументов две уже конкретные созданные пушки, которые передаются извне */ function constructor(Gun gun_left, Gun gun_right)< this.gun_left = gun_left // устанавливаем левую пушку на борт this.gun_right = gun_right // устанавливаем правую пушку на борт >// объявляем метод Трансформер "стрелять", который сначала стреляет. function fire() < // левой пушкой, вызывая ее метод "стрелять" this.gun_left.fire() // а затем правой пушкой, вызывая такой же метод "стрелять" this.gun_right.fire() >> gun1 = new Gun() // создаем первую пушку gun2 = new Gun() // создаем вторую пушку optimus = new Transformer(gun1, gun2) // создаем трансформера, передавая ему обе пушки

this.gun_left.fire() и this.gun_right.fire() — это обращения к дочерним объектам, которые происходят так же через точки. По первой точке мы обращаемся к атрибуту себя (this.gun_right), получая объект пушки, а по второй точке обращаемся к методу объекта пушки (this.gun_right.fire()).

Итог: робота сделали, табельное оружие выдали, теперь разберемся, что тут происходит. В данном коде один объект стал составной частью другого объекта. Это и есть ассоциация. Она в свою очередь бывает двух видов:

1. Композиция — случай, когда на фабрике трансформеров, собирая Оптимуса, обе пушки ему намертво приколачивают к рукам гвоздями, и после смерти Оптимуса, пушки умирают вместе с ним. Другими словами, жизненный цикл дочернего объекта совпадает с жизненным циклом родительского.

2. Агрегация — случай, когда пушка выдается как пистолет в руку, и после смерти Оптимуса этот пистолет может подобрать его боевой товарищ Олег, а затем взять в свою руку, либо сдать в ломбард. То бишь жизненный цикл дочернего объекта не зависит от жизненного цикла родительского, и может использоваться другими объектами.

Ортодоксальная ООП-церковь проповедует нам фундаментальную троицу — инкапсуляцию, полиморфизм и наследование, на которых зиждется весь объектно-ориентированный подход. Разберем их по порядку.

Наследование

Наследование — это механизм системы, который позволяет, как бы парадоксально это не звучало, наследовать одними классами свойства и поведение других классов для дальнейшего расширения или модификации.

Что если, мы не хотим штамповать одинаковых трансформеров, а хотим сделать общий каркас, но с разным обвесом? ООП позволяет нам такую шалость путем разделения логики на сходства и различия с последующим выносом сходств в родительский класс, а различий в классы-потомки. Как это выглядит?

Оптимус Прайм и Мегатрон — оба трансформеры, но один является автоботом, а второй десептиконом. Допустим, что различия между автоботами и десептиконами будут заключаться только в том, что автоботы трансформируются в автомобили, а десептиконы — в авиацию. Все остальные свойства и поведение не будут иметь никакой разницы. В таком случае можно спроектировать систему наследования так: общие черты (бег, стрельба) будут описаны в базовом классе «Трансформер», а различия (трансформация) в двух дочерних классах «Автобот» и «Десептикон».

class Transformer() < // базовый класс function run()< // код, отвечающий за бег >function fire() < // код, отвечающий за стрельбу >> class Autobot(Transformer) < // дочерний класс, наследование от Transformer function transform()< // код, отвечающий за трансформацию в автомобиль >> class Decepticon(Transformer) < // дочерний класс, наследование от Transformer function transform()< // код, отвечающий за трансформацию в самолет >> optimus = new Autobot() megatron = new Decepticon()

Сей пример наглядно иллюстрирует, как наследование становится одним из способов дедуплицировать код (DRY-принцип) с помощью родительского класса, и одновременно предоставляет возможности для мутации в классах-потомках.

Перегрузка

Если же в классе-потомке переопределить уже существующий метод в классе-родителе, то сработает перегрузка. Это позволяет не дополнять поведение родительского класса, а модифицировать. В момент вызова метода или обращения к полю объекта, поиск атрибута происходит от потомка к самому корню — родителю. То есть, если у автобота вызвать метод fire(), сначала поиск метода производится в классе-потомке — Autobot, а поскольку его там нет, поиск поднимается на ступень выше — в класс Transformer, где и будет обнаружен и вызван. Следует отметить, что модификация нарушает LSP из набора принципов SOLID, но мы рассматриваем только техническую возможность.

Неуместное применение

Любопытно, что чрезмерно глубокая иерархия наследования может привести к обратному эффекту — усложнению при попытке разобраться, кто от кого наследуется, и какой метод в каком случае вызывается. К тому же, не все архитектурные требования можно реализовать с помощью наследования. Поэтому применять наследование следует без фанатизма. Существуют рекомендации, призывающие предпочитать композицию наследованию там, где это уместно. Любая критика наследования, которую я встречал, подкрепляется неудачными примерами, когда наследование используется в качестве золотого молотка. Но это совершенно не означает, что наследование в принципе всегда вредит. Мой нарколог говорил, что первый шаг — это признать, что у тебя зависимость от наследования.

Как при описании отношений двух сущностей определить, когда уместно наследование, а когда — композиция? Можно воспользоваться популярной шпаргалкой: спросите себя, сущность А является сущностью Б? Если да, то скорее всего, тут подойдет наследование. Если же сущность А является частью сущности Б, то наш выбор — композиция.

Применительно к нашей ситуации это будет звучать так:

Автобот является Трансформером? Да, значит выбираем наследование.
Пушка является частью Трансформера? Да, значит — композиция.

Наследование статично

Еще одно важное отличие наследования от композиции в том, что наследование имеет статическую природу и устанавливает отношения классов только на этапе интерпретации/компиляции. Композиция же, как мы видели в примерах, позволяет менять отношение сущностей на лету прямо в рантайме — иногда это очень важно, поэтому об этом нужно помнить при выборе отношений (если конечно нет желания использовать метапрограммирование).

Множественное наследование

Мы рассмотрели ситуацию, когда два класса унаследованы от общего потомка. Но в некоторых языках можно сделать и наоборот — унаследовать один класс от двух и более родителей, объединив их свойства и поведение. Возможность наследоваться от нескольких классов вместо одного — это множественное наследование.

Вообще, в кругах иллюминатов бытует мнение, что множественное наследование — это грех, оно несет за собой ромбовидную проблему и неразбериху с конструкторами. Кроме того, задачи, которые решаются множественным наследованием, можно решать другими механизмами, например, механизмом интерфейсов (о котором мы тоже поговорим). Но справедливости ради, следует отметить, что множественное наследование удобно использовать для реализации примесей.

Абстрактные классы

Кроме обычных классов в некоторых языках существуют абстрактные классы. От обычных классов они отличаются тем, что нельзя создать объект такого класса. Зачем же нужен такой класс, спросит читатель? Он нужен для того, чтобы от него могли наследоваться потомки — обычные классы, объекты которых уже можно создавать.

Абстрактный класс наряду с обычными методами содержит в себе абстрактные методы без имплементации (с сигнатурой, но без кода), которые обязан имплементировать программист, задумавший создать класс-потомок. Абстрактные классы не обязательны, но они помогают установить контракт, обязующий имплементировать определенный набор методов, дабы уберечь программиста с плохой памятью от ошибки имплементации.

Полиморфизм

Полиморфизм — свойство системы, позволяющее иметь множество реализаций одного интерфейса. Ничего непонятно. Обратимся к трансформерам.

Положим, у нас есть три трансформера: Оптимус, Мегатрон и Олег. Трансформеры боевые, стало быть обладают методом attack(). Игрок, нажимая у себя на джойстике кнопку «воевать», сообщает игре, чтобы та вызвала метод attack() у трансформера, за которого играет игрок. Но поскольку трансформеры разные, а игра интересная, каждый из них будет атаковать каким-то своим способом. Скажем, Оптимус — объект класса Автобот, а Автоботы снабжаются пушками с плутониевыми боеголовками (да не прогневаются фанаты трансформеров). Мегатрон — Десептикон, и стреляет из плазменной пушки. Олег — басист, и он обзывается. А в чем польза?

Польза полиморфизма в данном примере заключается в том, что код игры ничего не знает о реализации его просьбы, кто как должен атаковать, его задача просто вызвать метод attack(), сигнатура которого одинакова для всех классов персонажей. Это позволяет добавлять новые классы персонажей, или менять методы существующих, не меняя код игры. Это удобно.

Инкапсуляция

Инкапсуляция — это контроль доступа к полям и методам объекта. Под контролем доступа подразумевается не только можно/неможно, но и различные валидации, подгрузки, вычисления и прочее динамическое поведение.

Во многих языках частью инкапсуляции является сокрытие данных. Для этого существуют модификаторы доступа (опишем те, которые есть почти во всех ООП языках):

publiс — к атрибуту может получить доступ любой желающий
private — к атрибуту могут обращаться только методы данного класса
protected — то же, что и private, только доступ получают и наследники класса в том числе

class Transformer() < public function constructor()< >protected function setup() < >private function dance() < >>

Как правильно выбрать модификатор доступа? В простейшем случае так: если метод должен быть доступен внешнему коду, выбираем public. В противном случае — private. Если есть наследование, то может потребоваться protected в случае, когда метод не должен вызываться снаружи, но должен вызываться потомками.

Аксессоры (геттеры и сеттеры)

Геттеры и сеттеры — это методы, задача которых контролировать доступ к полям. Геттер считывает и возвращают значение поля, а сеттер — наоборот, принимает в качестве аргумента значение и записывает в поле. Это дает возможность снабдить такие методы дополнительными обработками. Например, сеттер при записи значения в поле объекта, может проверить тип, или входит ли значение в диапазон допустимых (валидация). В геттер же можно добавить, ленивую инициализацию или кэширование, если актуальное значение на самом деле лежит в базе данных. Применений можно придумать множество.

В некоторых языках есть синтаксический сахар, позволяющий такие аксессоры маскировать под свойства, что делает доступ прозрачным для внешнего кода, который и не подозревает, что работает не с полем, а с методом, у которого под капотом выполняется SQL-запрос или чтение из файла. Так достигается абстракция и прозрачность.

Интерфейсы

Задача интерфейса — снизить уровень зависимости сущностей друг от друга, добавив больше абстракции.

Не во всех языках присутствует этот механизм, но в ООП языках со статической типизацией без них было бы совсем худо. Выше мы рассматривали абстрактные классы, затрагивая тему контрактов, обязующих имплементировать какие-то абстрактные методы. Так вот интерфейс очень смахивает на абстрактный класс, но является не классом, а просто пустышкой с перечислением абстрактных методов (без имплементации). Другими словами, интерфейс имеет декларативную природу, то есть, чистый контракт без капельки кода.

Обычно в языках, в которых есть интерфейсы, нет множественного наследования классов, но есть множественное наследование интерфейсов. Это позволяет классу перечислить интерфейсы, которые он обязуется имплементировать.

Классы с интерфейсами состоят в отношении «многие ко многим»: один класс может имплементировать множество интерфейсов, и каждый интерфейс, в свою очередь, может имплементироваться многими классами.

У интерфейса двустороннее применение:

По одну сторону интерфейса — классы, имплементирующие данный интерфейс.
По другую сторону — потребители, которые используют этот интерфейс в качестве описания типа данных, с которым они (потребители) работают.

Представим, что каркас трансформера оборудован тремя слотами: слот для оружия, для генератора энергии и для какого-нибудь сканера. Эти слоты обладают определенными интерфейсами: в каждый слот можно установить только подходящее оборудование. В слот для оружия можно установить ракетную установку или лазерную пушку, в слот для генератора энергии — ядерный реактор или РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор), а в слот для сканера — радар или лидар. Суть в том, что каждый слот имеет универсальный интерфейс подключения, а уже конкретные устройства должны соответствовать этому интерфейсу. К примеру, на материнских платах используется несколько типов слотов: слот для процессора позволяет подключать различные процессоры, подходящие под данный сокет, а слот SATA — любой SSD или HDD накопитель или даже CD/DVD.

Обращаю внимание, что получившаяся система слотов у трансформеров — это пример использования композиции. Если же оборудование в слотах будет сменным в ходе жизни трансформера, то тогда это уже агрегация. Для наглядности, мы будем называть интерфейсы, как принято в некоторых языках, добавляя заглавную «И» перед именем: IWeapon, IEnergyGenerator, IScanner.

// описания интерфейсов: interface IWeapon < function fire() <>// декларация метода без имплементации. Ниже аналогично > interface IEnergyGenerator < // тут уже два метода, которые должны будут реализовать классы: function generate_energy() <>// первый function load_fuel() <> // второй > interface IScanner < function scan() <>> // классы, реализующие интерфейсы: class RocketLauncher() : IWeapon < function fire()< // имплементация запуска ракеты >> class LaserGun() : IWeapon < function fire()< // имплементация выстрела лазером >> class NuclearReactor() : IEnergyGenerator < function generate_energy()< // имплементация генерации энергии ядерным реактором >function load_fuel() < // имплементация загрузки урановых стержней >> class RITEG() : IEnergyGenerator < function generate_energy()< // имплементация генерации энергии РИТЭГ >function load_fuel() < // имплементация загрузки РИТЭГ-пеллет >> class Radar() : IScanner < function scan()< // имплементация использования радиолокации >> class Lidar() : IScanner < function scan()< // имплементация использования оптической локации >> // класс - потребитель: class Transformer() < // привет, композиция: IWeapon slot_weapon // Интерфейсы указаны в качестве типов данных. IEnergyGenerator slot_energy_generator // Они могут принимать любые объекты, IScanner slot_scanner // которые имплементируют указанный интерфейс /* в параметрах методов интерфейс тоже указан как тип данных, метод может принимать объект любого класса, имплементирующий данный интерфейс: */ function install_weapon(IWeapon weapon)< this.slot_weapon = weapon >function install_energy_generator(IEnergyGenerator energy_generator) < this.slot_energy_generator = energy_generator >function install_scanner(IScanner scanner) < this.slot_scanner = scanner >> // фабрика трансформеров class TransformerFactory() < function build_some_transformer() < transformer = new Transformer() laser_gun = new LaserGun() nuclear_reactor = new NuclearReactor() radar = new Radar() transformer.install_weapon(laser_gun) transformer.install_energy_generator(nuclear_reactor) transformer.install_scanner(radar) return transformer >> // использование transformer_factory = new TransformerFactory() oleg = transformer_factory.build_some_transformer()

К сожалению, в картинку не влезла фабрика, но она все равно необязательна, трансформера можно собрать и во дворе.

Обозначенный на картинке слой абстракции в виде интерфейсов между слоем имплементации и слоем-потребителем дает возможность абстрагировать одних от других. Вы можете это наблюдать, посмотрев на каждый слой в отдельности: в слое имплементации (слева) нет ни слова про класс Transformer, а в слое-потребителе (справа) нет ни слова про конкретные имплементации (там нет слов Radar, RocketLauncher, NuclearReactor и т. д.)

В таком коде мы можем создавать новые комплектующие к трансформерам, не затрагивая чертежи самих трансформеров. В то же время и наоборот, мы можем создавать новых трансформеров, комбинируя уже существующие комплектующие, либо добавлять новые комплектующие, не меняя существующих.

Утиная типизация

Явление, которое мы наблюдаем в получившейся архитектуре, называется утиной типизацией: если что-то крякает как утка, плавает как утка, и выглядит как утка, то, скорее всего — это утка.

Переводя это на язык трансформеров, звучать будет так: если что-то стреляет как пушка, и перезаряжается как пушка, скорее всего, это пушка. Если устройство генерирует энергию, скорее всего, это генератор энергии.

В отличие от иерархической типизации наследования, при утиной типизации трансформеру пофиг, какого класса пушку ему дали, и пушка ли это вообще. Главное, что эта штуковина умеет стрелять! Это не достоинство утиной типизации, а скорее компромисс. Может быть и обратная ситуация, как на этой картинке ниже:

ISP

(Interface Segregation Principle / Принцип разделения интерфейса / Четвертый принцип SOLID) призывает не создавать жирные универсальные интерфейсы. Вместо этого интерфейсы нужно разделять на более мелкие и специализированные, это поможет гибче их комбинировать в имплементирующих классах, не заставляя имплементировать лишние методы.

Абстракция

В ООП все крутится вокруг абстракции. Существуют фанатики, утверждающие, что абстракция должна быть частью ООП-троицы (инкапсуляция, полиморфизм, наследование). А мой инспектор по УДО говорил обратное: абстракция присуща для любого программирования, а не только для ООП, поэтому она должна стоять отдельно. С другой стороны, то же самое можно сказать и про остальные принципы, но из песни слов не выкинешь. Так или иначе, абстракция нужна, и особенно в ООП.

Уровень абстракции

Тут нельзя не процитировать одну известную шутку:
— любую архитектурную проблему можно решить добавлением дополнительного слоя абстракции, кроме проблемы большого количества абстракций.

В нашем примере с интерфейсами мы внедрили слой абстракции между трансформерами и комплектующими, сделав архитектуру более гибкой. Но какой ценой? Нам пришлось усложнить архитектуру. Мой психотерапевт говорил, что умение балансировать между простотой архитектуры и гибкостью приложения — это искусство. Выбирая золотую середину, следует опираться не только на собственный опыт и интуицию, но и на контекст текущего проекта. Поскольку будущее человек видеть пока не научился, нужно аналитически прикинуть, какой уровень абстракции и с какой долей вероятности может пригодиться в данном проекте, сколько времени потребуется на проработку гибкой архитектуры, и окупится ли затраченное время в будущем.

Неверный выбор уровня абстракции ведет к одной из двух проблем:

если абстракции недостаточно, дальнейшие расширения проекта будут упираться в архитектурные ограничения, которые ведут либо к рефакторингу и смене архитектуры, либо к обилию костылей (оба варианта обычно несут за собой боль и финансовые потери)
если уровень абстракции слишком высок, это приведет к оверинжинирингу в виде чересчур сложной архитектуры, которую трудно поддерживать, и излишней гибкости, которая никогда в этом проекте не пригодится. В этой ситуации любые простейшие изменения в проекте будут сопровождаться дополнительной работой для удовлетворения требований архитектуры (это тоже порой несет определенную боль и финансовые потери)

Еще важно понимать, что уровень абстракции определяется не для всего проекта в целом, а отдельно для разных компонентов. В каких-то местах системы абстракции может быть недостаточно, а где-то наоборот — перебор. Однако, неверный выбор уровня абстракции можно исправить своевременным рефакторингом. Ключевое слово — своевременным. Запоздалый рефакторинг провести проблематично, когда на данном уровне абстракции реализовано уже множество механизмов. Проводить обряд рефакторинга в запущенных системах может сопрягаться с острой болью в труднодоступных местах программиста. Это примерно как поменять фундамент в доме — дешевле построить рядом дом с нуля.

Давайте рассмотрим определение уровня абстракции из возможных вариантов на примере гипотетической игры «трансформеры-онлайн». Уровни абстракции в данном случае будут выступать как слои, каждый последующий рассматриваемый слой будет ложиться поверх предыдущего, забирая из него часть функционала в себя.

Первый слой. В игре есть один класс трансформера, все свойства и поведение описаны в нем. Это совсем деревянный уровень абстракции, подходит для казуальной игры, которая не предполагает никакой особой гибкости.

Второй уровень. В игре есть базовый трансформер с основными способностями и классы трансформеров со своей специализацией (типа разведчик, штурмовик, саппорт), которая описывается дополнительными методами. Тем самым игроку предоставляется возможность выбора, а разработчикам упрощается добавление новых классов.

Третий уровень. Помимо классификации трансформеров вводится агрегация с помощью системы слотов и компонентов (как в нашем примере с реакторами, пушками и радарами). Теперь часть поведения будет определяться тем, какой стаф игрок установил в своего трансформера. Это дает игроку еще больше возможностей для кастомизации игровой механики персонажа, а разработчикам дает возможность добавлять эти самые модули расширения, что в свою очередь упрощает работу гейм-дизайнерам по выпуску нового контента.

Четвертый уровень. В компоненты можно тоже включить собственную агрегацию, предоставляющую возможность выбора материалов и деталей, из которого собираются эти компоненты. Такой подход даст игроку возможность не только набивать трансформеров нужными комплектующими, но и самостоятельно производить эти комплектующие из различных деталек. Признаться, такой уровень абстракции я в играх никогда не встречал, и не без резона! Ведь это сопровождается значительным усложнением архитектуры, а регулировка баланса в таких играх превращается в ад. Но не исключаю, что такие игры существуют.

Как видим, каждый описанный слой, в принципе, имеет право на жизнь. Все зависит от того, какую именно гибкость мы хотим заложить в проект. Если в техническом задании ничего об этом не сказано, или автор проекта сам не знает, что может потребовать бизнес, можно посмотреть на похожие проекты в этой сфере и ориентироваться на них.

Паттерны проектирования

Десятилетия разработки привели к тому, что сформировался список наиболее часто применяемых архитектурных решений, которые со временем были классифицированы сообществом, и стали называться паттернами проектирования. Именно поэтому, когда я прочитал впервые про паттерны, я с удивлением обнаружил, что оказывается, многие из них я уже использую на практике, просто не знал, что у этих решений есть название.

Паттерны проектирования, как и абстракция, свойственны не только ООП разработке, но и другим парадигмам. Вообще, тема паттернов выходит за рамки данной статьи, но здесь хотелось бы предостеречь молодого разработчика, который только намерен познакомиться с паттернами. Это ловушка! Сейчас объясню, почему.

Предназначение паттернов — помощь в решении архитектурных проблем, которые либо уже обнаружились, либо, вероятнее всего, обнаружатся в ходе развития проекта. Так вот, у новичка, который прочитал про паттерны, может появиться непреодолимый соблазн использовать паттерны не для решения проблем, а для их порождения. А поскольку разработчик в своих желаниях необуздан, он может начать не решать задачу при помощи паттернов, а подстраивать любые задачи под решения с помощью паттернов.

Еще одна ценность от паттернов — формализации терминологии. Гораздо проще коллеге сказать, что в этом месте используется «цепочка обязанностей», чем полчаса рисовать поведение и отношения объектов на бумажке.

Заключение

В условиях современных требований наличие в вашем коде слова class не делает из вас ООП-программиста. Ибо если вы не используете описанные в статье механизмы (полиморфизм, композицию, наследование и т. д.), а вместо этого применяете классы лишь для группировки функций и данных, то это не ООП. То же самое можно решить какими-нибудь неймспейсами и структурами данных. Не путайте, иначе на собеседовании будет стыдно.

Хочется закончить свою песнь важными словами. Любые описанные механизмы, принципы и паттерны, как и ООП в целом не стоит применять там, где это бессмысленно или может навредить. Это ведет к появлению статей со странными заголовками типа «Наследование — причина преждевременного старения» или «Синглтон может приводить к онкологическим заболеваниям».

Я серьезно. Если рассмотреть случай с синглтоном, то его повсеместное применение без знания дела, стало причиной серьезных архитектурных проблем во многих проектах. И любители забивать гвозди микроскопом любезно его нарекли антипаттерном. Будьте благоразумны.

К сожалению, в проектировании не существует однозначных рецептов на все случаи жизни, где что применять уместно, а где неуместно. Это будет постепенно укладываться в голове с опытом.

Что такое классы в объектно-ориентированном программировании

Обучение почти каждому языку программирования начинается с создания классов и объектов. Они помогают в работе с базами данных, в автоматическом тестировании, а также позволяют не писать много раз одинаковый код.

Рассказываем, что такое классы в объектно-ориентированных языках, по каким принципам работают и чем отличаются.

Зачем нужны классы в программировании

ООП — это способ написания программ, где структуру создают из объектов, которые взаимодействуют между собой. На базе ООП построены языки Java, Swift, Python, PHP, JavaScript и Ruby.

Основа ООП — класс — способ отобразить предмет реального мира с помощью атрибутов. Например, множество классов используют как «чертежи» для компьютерного отображения домов, машин, деревьев, животных и любых других объектов, которые нужно смоделировать. Класс в программировании состоит из данных и кода. Данные отображают предметы или абстрактные понятия, а код ими управляет.

Класс ООП имеет набор атрибутов и характеристик. Каждая характеристика — это поле класса. Взаимодействовать с полями позволяют методы класса — операторы и функции для определенного действия.

Если в ООП есть задача описать реальный объект — например, книгу — вы должны задать ее характеристики (свойства объекта): цвет, размер, автор, год выпуска, жанр. У книги есть и функции: выдача текстовой или графической информации.

Задав программе характеристики и функции, мы обобщили данные и создали объект. Если мы знаем, что множество книг соответствует характеристикам, то можем использовать объект как шаблон для создания других. Шаблон, который задает начальные характеристики для объектов, — это и есть класс.

ООП позволяет разбить сложные задачи на простые и не прописывать функции для каждого объекта.

Как работают классы

ООП построен на четырех основных принципах: абстрагирование, полиморфизм, наследование и инкапсуляция.

Абстрагирование — это отсечение несущественных характеристик для класса и прописывание ключевых. Например, и для класса Car, и для класса Plane можно указать то, что они сделаны из металла, но это не ключевая характеристика, а вот способность ездить (для первого класса) и летать (для второго) — существенная. Идея абстрагирования в том, чтобы задать минимум полей для объекта, оставив важные.

Идея наследования состоит в передаче характеристик от одного класса к другому, у которого есть также и свои характеристики. Классы, на основе которых создаются другие, называются родительскими или суперклассами. Те, которые унаследовали характеристики, — классами-потомками или подклассами.

Например, компания собирается в 2022 году выпустить в производство новую серию ноутбуков с улучшенными видеокартами, процессорами и большим объемом памяти. Но разрабатывать модель с нуля долго. Если в компании уже есть линейка, которая отвечает запросам (суперкласс Laptops), то класс NewLaptops унаследует атрибуты суперкласса и к нему лишь добавят новые характеристики.

Для разграничения доступа к объектам используется инкапсуляция. Это способ объединения данных, который запрещает доступ части компонентов программы к другим ее фрагментам. Он позволяет работать с частью программы и не запускать ненужные в этом участке кода функции. Класс NewLaptops отображает для юзера пользовательский интерфейс ноутбука, но будет скрывать ненужные сведения. Например, как операционная система распределяет время процессора для решения задач.

Идею полиморфизма кратко описывают так: «один интерфейс — множество реализаций» — с помощью одной функции можно обработать данные, принадлежащие к разным классам. Если компания производит разную технику с видеокамерами, код, который описывает свойства камеры, будет подходить для нескольких классов. Например, NewLaptops и Phones.

курсы по теме:

Python для разработки и анализа данных

1. В объектно-ориентированном программировании переопределение метода – это:

2.
В
чем заключается преимущество использования наследования?

a) Предоставлять концептуальную основу.
b) Облегчить создание классов;
c) Избежать переписывания кода;
d) Обеспечить развитие класса путем естественного
отбора;

3.
Как называется способность объекта скрывать свои данные и
реализацию от других объектов системы?

4.
Что
представляет оператор прямого доступа, и для
чего он используется с объектом класса?

a)
Оператор представляет собой символ «.» и используется для обращения к членам
класса;

b)
Оператор представляет собой символ «-
>» и используется для доступа к элементам класса посредством
указателя;

c)
Оператор представляет собой символ «::»
и применяется к именам, определенным в классе;

d)
Оператор представляет собой символ «*» и
используется для указания на элемент класса.

5.
Какие
типы конструкторов классов есть в С++?

a)
конструктор
копирования

b)
внешний конструктор

c)
виртуальный конструктор

d)
конструктор
по умолчанию

6. Укажите неверное правило:

a)
Деструктор вызывается при удалении объекта;

b)
Конструктор имеет то же имя, что и класс;

c)
Деструктор не может возвращать значение;

d)
Класс не может иметь более одного
конструктора;

7. Специальные модификаторы
класса, с помощью которых явно указывается область видимости:

b)
Область extern

c)
Область public

Основные понятия в объектно-ориентированном программировании ИЛИ
моя шпаргалка по ООП

Я обожаю эту книгу, потому что она написана простым языком со знанием дела и такой любовью к программированию, что вы ее с упоением прочтете в метро. Вы будете с нетерпением ждать того момента, когда вы сможете усесться с книжечкой в поезде и взахлеб читать и пропускать свои станции.

А теперь для ленивых и для себя любимой я составила краткий конспект-шпаргалку по этой книги.

ШПАРГАЛКА ПО ООП

Объектно-ориентированное программирование или ООП — это способ создания программных компонентов, базирующихся на объектах.

Основные принципы ООП

абстрагирование
инкапсуляция
модульность
иерархия

типизация
параллелизм
устойчивость

Абстрагирование — это процесс выделения наиболее существенных характеристик некоторого объекта, отличающих его от всех других видов объектов, важных с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа, и игнорирование менее важных или незначительных деталей.

Объекты и классы — основные абстракции предметной области.

Инкапсуляция — это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Модульность — это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне сильно сцепленных, но слабо связанных между собой подсистем (частей).

Модульность снижает сложность системы, позволяя выполнять независимую разработку ее отдельных частей.

Иерархия — это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Типизация — способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или, по крайней мере, управлять таким использованием.

Тип — точная характеристика некоторой совокупности однородных объектов, включающая структуру и поведение.

При строгой типизации (например, в языке Оберон) запрещается использование объектов неверного типа, требуется явное преобразование к нужному типу. При менее строгой типизации такого рода запреты ослаблены. В частности, допускается полиморфизм — многозначность имен. Одно из проявлений полиморфизма, использование объект подтипа (наследника) в роли объекта супертипа (предка).

Параллелизм — это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Параллелизм — наличие в системе нескольких потоков управления одновременно. Объект может быть активен, т. е. может порождать отдельный поток управления. Различные объекты могут быть активны одновременно.

Сохраняемость (устойчивость) — способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Устойчивость — способность объекта сохранять свое существование во времени и/или пространстве (адресном, в частности при перемещении между узлами вычислительной системы). В частности, устойчивость объектов может быть обеспечена за счет их хранения в базе данных.

Основные понятия объектно-ориентированного подхода или элементы объектной модели

“ Объект в ООП — это сущность, способная сохранять свое состояние (информацию) и обеспечивающая набор операций (поведение) для проверки и изменения этого состояния. ”

Объект — осязаемая сущность (tangible entity) — предмет или явление (процесс), имеющие четко выраженные границы, индивидуальность и поведение.

Любой объект обладает состоянием, поведением и индивидуальностью.

Состояние объекта определяется значениями его свойств (атрибутов) и связями с другими объектами, оно может меняться со временем.

Поведение определяет действия объекта и его реакцию на запросы от других объектов. Поведение представляется с помощью набора сообщений, воспринимаемых объектом (операций, которые может выполнять объект).

Индивидуальность — это свойства объекта, отличающие его от всех других объектов.

Структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс.

Объект в JavaScript создаётся с помощью функции Object.create. Эта функция из родителя и опционального набора свойств создаёт новую сущность. Пока что мы не будем беспокоиться о параметрах.

Прототип — это объект-образец, по образу и подобию которого создаются другие объекты. Объекты-копии могут сохранять связь с родительским объектом, автоматически наследуя изменения в прототипе; эта особенность определяется в рамках конкретного языка.

Класс — это множество объектов, связанных общностью свойств, поведения, связей и семантики. Любой объект является экземпляром класса. Определение классов и объектов — одна из самых сложных задач объектно-ориентированного проектирования.

Класс (class) — это группа данных и методов(функций) для работы с этими данными. Это шаблон. Объекты с одинаковыми свойствами, то есть с одинаковыми наборами переменных состояния и методов, образуют класс.

Конструктор класса — специальный блок инструкций, вызываемый при создании объекта.

var s = new String();

Деструктор — специальный метод класса, служащий для деинициализации объекта (например освобождения памяти).

Атрибут — поименованное свойство класса, определяющее диапазон допустимых значений, которые могут принимать экземпляры данного свойства. Атрибуты могут быть скрыты от других классов, это определяет видимость атрибута: рublic (общий, открытый); private (закрытый, секретный); protected (защищенный).

Требуемое поведение системы реализуется через взаимодействие объектов. Взаимодействие объектов обеспечивается механизмом пересылки сообщений. Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называется операцией или посылкой сообщения. Сообщение может быть послано только вдоль соединения между объектами. В терминах программирования соединение между объектами существует, если один объект имеет ссылку на другой.

Дескриптор — это атрибут объекта со связанным поведением (англ. binding behavior), т.е. такой, чьё поведение при доступе переопределяется методами протокола дескриптора.

Операция — это услуга, которую можно запросить у любого объекта данного класса. Операции реализуют поведение экземпляров класса. Описание операции включает четыре части: имя; список параметров; тип возвращаемого значения; видимость.
Реализация операции называется методом.

Метод — это функция или процедура, принадлежащая какому-то классу или объекту.

Различают простые методы и статические методы (методы класса):

простые методы имеют доступ к данным объекта (конкретного экземпляра данного класса),
статические методы не имеют доступа к данным объекта и для их использования не нужно создавать экземпляры (данного класса).

Методы предоставляют интерфейс, при помощи которого осуществляется доступ к данным объекта некоторого класса, тем самым, обеспечивая инкапсуляцию данных.

В зависимости от того, какой уровень доступа предоставляет тот или иной метод, выделяют:

открытый (public) интерфейс — общий интерфейс для всех пользователей данного класса;
защищённый (protected) интерфейс — внутренний интерфейс для всех наследников данного класса;
закрытый (private) интерфейс — интерфейс, доступный только изнутри данного класса.

Такое разделение интерфейсов позволяет сохранять неизменным открытый интерфейс, но изменять внутреннюю реализацию.

Полиморфизм — способность скрывать множество различных реализаций под единственным общим именем или интерфейсом.

Понятие полиморфизма может быть интерпретировано, как способность объекта принадлежать более чем одному типу.

Интерфейс — это совокупность операций, определяющих набор услуг класса или компонента. Интерфейс не определяет внутреннюю структуру, все его операции открыты.

Компонент — это относительно независимая и замещаемая часть системы, выполняющая четко определенную функцию в контексте заданной архитектуры.

Компонент представляет собой физическую реализацию проектной абстракции и может быть: компонентом исходного кода (cpp-шник); компонентом времени выполнения (dll, ActiveX и т. п.); исполняемый компонентом (exe-шник). Компонент обеспечивает физическую реализацию набора интерфейсов. Компонентная разработка (component-based development) представляет собой создание программных систем, состоящих из компонентов (не путать с объектно-ориентированным программированием (ООП).

Компонентная разработка — технология, позволяющая объединять объектные компоненты в систему.

Пакет — это общий механизм для организации элементов в группы. Это элемент модели, который может включать другие элементы. Каждый элемент модели может входить только в один пакет.

-средством организации модели в процессе разработки, повышения ее управляемости и читаемости;

-единицей управления конфигурацией.

Подсистема — это комбинация пакета (может включать другие элементы модели) и класса (обладает поведением). Подсистема реализует один или более интерфейсов, определяющих ее поведение. Она используется для представления компонента в процессе проектирования.