1 Часть 2 Объектно-ориентированное программирование Введение. Эволюция технологии разработки ПО. Процедурная и объектная декомпозиция 1.«Стихийное» программирование. - презентация

1 1 Часть 2 Объектно-ориентированное программирование Введение. Эволюция технологгии разработки ПО. Процедурная и объектная декомпозиция 1.«Стихийное» программирование – до середины 60-х годов ХХ века – технологгия отсутствует – программирование – искусство создания программ – в конце периода появляется возможность создания подпрограмм – используется процедурная декомпозиция. Слабое место – большая вероятность испортить глобальные данные.

2 2 Эволюция технологгии разработки ПО (2) 2. Структурный подход к программированию е годы ХХ века – технологгия, представляющая собой набор рекомендаций и методов, базирующихся на большом опыте работы: нисходящая разработка; декомпозиция методом пошаговой детализации; структурное программирование; сквозной структурный контроль и т. д.

3 3 Эволюция технологгии разработки ПО (3) Модульное программирование – выделение групп подпрограмм, использующих общие глобальные данные в модули – отдельно компилируемые части программы (многоуровневая декомпозиция). Слабое место – большое количество передаваемых параметров.

4 4 Эволюция технологгии разработки ПО (4) 3. Объектный подход к программированию – с середины 80-х до наших дней. Объектно-ориентированное программирование – технологгия создания сложного программного обеспечения, основанная на представлении программы в виде системы объектов, каждый из которых является экземпляром определенного типа (класса), а классы образуют иерархию с наследованием свойств.

5 5 Эволюция технологгии разработки ПО (5) Компонентный подход – с конца 90-х годов ХХ века (COM-технолог- гия) – подключение объектов через универсальные интерфейсы – развитие сетевого программирования – появление CASE-технолог- гий.

6 6 Пример Разработать программную систему, которая для указанной функции на заданном отрезке: –строит таблицу значений с определенным шагом; –определяет корни; –определяет максимум и минимум.

7 7 Формы интерфейса пользователя Программа исследования функций. Введите функцию или слово «Конец»: y = cos(x) – 1 Назначьте интервал: [-1, 0) Введите номер решаемой задачи ( 1 – построение таблицы значений; 2 – нахождение корней; 3 – нахождение минимума и максимума; 4 – смена функции или завершение программы): 1 Построение таблицы. Введите шаг: 0.01 Таблица значений: x= y= … Нахождение корней. Таблица корней: x= y= … Экстремумы. Минимум: x= y= Максимум: x= y=

8 8 Диаграмма состояний интерфейса пользователя Ввод функции Меню Таблица Корни Экстремумы «Конец»

9 9 Разработка схем алгоритмов методом пошаговой детализации Начало F, a, b F =End Analyze (fun,a,b) да нет Конец F, a, b Analyze(F..) Cod Cod = 4 Roots (fun,a,b) да нет Выход Cod 21 3 Table (fun,a,b) Extremes (fun,a,b) Translate (F,fun)

10 10 Схема структурная программы Main Program Translate Analyze RootsExtremesTable Процедурная декомпозиция – процесс разбиения программы на подпрограммы. Структурной называют декомпозицию, если: каждая подпрограмма имеет один вход и один выход; подпрограммы нижних уровней не вызывают подпрограмм верхних уровней; размер подпрограммы не превышает операторов.

11 11 Объектная декомпозиция Объектная декомпозиция – процесс представления предметной области задачи в виде отдельных функциональных элементов (объектов предметной области), обменивающихся в процессе выполнения программы входными воздействиями (сообщениями). Объект отвечает за выполнение некоторых действий, инициируемых сообщениями и зависящих от параметров объекта. Ввод функции Активизировать Меню Таблица Корни Экстремумы Активизировать Функция Задать Рассчитать Объект предметной области характеризуется: именем; состоянием; поведением. Состояние – совокупность значений характеристик объекта, существенных с т. з. решаемой задачи. Поведение – совокупность реакций на сообщения.

12 12 Реализация объектов предметной области Класс – это структурный тип данных, который включает описание полей данных, а также процедур и функций, работающих с этими полями данных. Применительно к классам такие процедуры и функции получили название методов. Объект-переменная – переменная типа «класс».

13 13 Методы построения классов 1. Наследование – механизм, позволяющий строить класс на базе более простого посредством добавления полей и определения новых методов. При этом исходный класс, на базе которого выполняется построение, называют родительским или базовым, а строящейся класс – потомком или производным классом. Если при наследовании какие-либо методы переопределяются, то такое наследование называется полиморфным. 2. Композиция – механизм, позволяющий включать несколько объектов других классов в конструируемый. 3. Наполнение – механизм, позволяющих включать указатели на объекты других классов в конструируемый.

14 14 Глава 7 Средства ООП 7.1 Определение класса, объявление объектов и инициализация полей C точки зрения синтаксиса класс – структурный тип данных, в котором помимо полей разрешается описывать прототипы (заголовки) процедур и функций, работающих с этими полями данных. Type TRoom = object length, width:single; function Square: single; {прототип функции} end; Function TRoom.Square; Begin Result:= length*width; End; Поскольку данные и методы инкапсулированы в пределах класса, все поля автоматически доступны из любого метода

15 15 Неявный параметр Self Любой метод неявно получает параметр Self – ссылку (адрес) на поля объекта, и обращение к полям происходит через это имя. Function TRoom.Square; Begin Result:= Self.length* Self.width; End; При необходимости эту ссылку можно указывать – адрес области полей данных объекта.

16 16 Объявление объектов класса Примеры: Var A:TRoom; {объект А класса TRoom} B:array[1..5] of TRoom; {массив объектов типа TRoom} Type pTRoom=^TRoom; {тип указателя на объекты класса TRoom} Var pC: pTRoom; {указатель на объекта класса TRoom} Для динамического объекта необходимо выделить память: New(pC); а после его использования – освободить память: Dispose(pC); Обращение к полям и методам аналогично доступу к полям записей: Примеры: а) v:=A.length; б) s:= A.Square; в) s:=s+B[i].Square; г) pC^.length:=3;

17 17 Инициализация полей прямой записью в поле Program Ex_7_01a; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type TRoom = object length, width:single; function Square:single; end; Function TRoom.Square; Begin Result:= length* width; End; Var A:TRoom; Begin A.length:=3.5; A.width:=5.1; WriteLn('S = ',A.Square:8:3); ReadLn; End.

18 18 Инициализация при объявлении объекта Program Ex_07_01b; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type TRoom = object length, width:single; function Square:single; end; Function TRoom.Square; Begin Result:= length* width; End; Var A:TRoom = (length:3.5; width:5.1); Begin WriteLn('S= ',A.Square:8:3); ReadLn; End.

19 19 Инициализация посредством метода Program Ex_07_01c; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type TRoom = object length, width:single; function Square:single; procedure Init(l,w:single); end; Function TRoom.Square; Begin Square:= length*width; End; Procedure TRoom.Init; Begin length:=l; width:=w; End; Var A:TRoom; Begin A.Init(3.5,5.1); WriteLn('S= ',A.Square:8:3); ReadLn; End.

20 20 Операция присваивания объектов Над объектами одного класса определена операция присваивания. Физически при этом происходит копирование полей одного объекта в другой методом «поле за полем»: Пример: Var A:TRoom =(length:3.7; width:5.2); Var B:TRoom;... B:=A;

21 Ограничение доступа к полям и методам Ограничение только в пределах модуля! Unit Room; Interface Type TRoom = object private length, width: single; public function Square: single; procedure Init(l,w: single); end; Implementation Function TRoom.Square; Begin Result:= length* width; End; Procedure TRoom.Init; Begin length:=l; width:=w; End; End.

22 22 Ограничение доступа (2) Program Ex_7_02; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, Room in 'Room.pas'; Var A:TRoom; Begin A.Init(3.5,5.1); WriteLn('Room: length = ', A.length:6:2, '; width =', A.width:6:2); WriteLn('Square =',A.Square:8:2); ReadLn; End.

23 Наследование Наследование - конструирование новых более сложных производных классов из уже имеющихся базовых посредством добавления полей и методов. Program Ex_07_03; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, Room in 'Ex_08_02\Room.pas'; Type TVRoom = object(TRoom) height:single; function V:single; procedure NewInit(l,w,h:single); end;

24 24 Наследование (2) Procedure TVRoom.NewInit; Begin Init(l,w); height:=h; End; Function TVRoom.V; Begin Result:=Square*height; End; Var A:TVRoom; Begin A.NewInit(3.4,5.1,2.8); WriteLn('Square = ', A.Square:6:2); WriteLn('V = ', A.V:6:2); ReadLn; End. Поля TVRoom

25 25 Присваивание объектов иерархии Допустимо присваивать переменной типа базового класса значение переменной типа объекта производного класса. Var A:TRoom; B:TVRoom;... A:=B; {допустимо} B:=A; { не допустимо!}

26 26 Присваивание указателей в иерархии Допустимо указателю на объект базового класса присваивать адреса объектов производных классов. Однако при этом возникает проблема «невидимых» полей. Var pC: ^TRoom; E:TVRoom;... pC^.length:=3.1; pC^.height:=2.7; {ошибка!} Type pTVRoom=^TVRoom; Var pC: ^TRoom; E:TVRoom;... pTVRoom(pC)^.height:=2.7 ;

27 Композиция Композиция – включение объектов одного класса в другой. Реализуется механизмом поддержки объектных полей. Program Ex_7_04; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, Room in 'Ex_08_02\Room.pas'; Type TFlat=object n:byte; rooms:array[1..15] of TRoom; function FlatSquare:single; procedure Init(an:byte; Const ar:array of TRoom); end;

28 28 Композиция (2) Procedure TFlat.Init; Var i:byte; Begin n:=an; for i:=1 to n do rooms[i].Init(ar[i-1].length, ar[i-1].width); End; Function TFlat.FlatSquare; Var S:single; i:integer; Begin S:=0; for i:=1 to n do S:=S+rooms[i].Square; Result:=S; End; Var mas:array[1..3] of TRoom= ((length:2.5; width:3.75), (length:2.85; width:4.1), (length:2.3; width:2.8));

29 29 Композиция (3) Var F:TFlat; Begin F.Init(3,mas); WriteLn('S flat =',F.FlatSquare); ReadLn; End.

30 Наполнение (агрегация) Наполнением – способ конструирования классов, при котором в строящийся класс включают неопределенное количество: от 0 до сравнительно больших значений (на практике обычно до нескольких десятков), объектов других классов. Program Ex_7_05; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, Room in 'Ex_08_02\Room.pas'; Type TBRoom = object(TRoom) pB: ^TRoom; function BSquare:single; procedure InitAll(l,w:single; lb,wb:single); end;

31 31 Наполнение (2) Procedure TBRoom. InitAll; Begin Init(l,w); if (lb=0)or(wb=0) then pB:=nil else begin New(pB); pB^.Init(lb,wb); end; End; Function TBRoom.BSquare; Begin if pB=nil then Result:= Square else Result:= Square+pB^.Square; End; Var B:TBRoom; Begin B.InitAll(3.4,5.1,1.8,0.8); WriteLn('BSquare =',B.BSquare:8:2); ReadLn; End.

32 Простой полиморфизм Простой полиморфизм – механизм переопределения методов при наследовании, при котором связь метода с объектом выполняется на этапе компиляции (раннее связывание). Program Ex_7_06; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, Room in 'Ex_08_02\Room.pas'; Type TVRoom2 = object(TRoom) height:single; function Square:single; procedure Init(l,w,h:single); end;

33 33 Простой полиморфизм (2) Procedure TVRoom2.Init; Begin inherited Init(l,w); { TRoom.Init(l,w);} height:=h; End; Function TVRoom2.Square; Begin Result:=2*(inherited Square+height* (length+width)); End; Var A:TVRoom2; Begin A.Init(3.4,5.1,2.8); WriteLn('Square = ',A.Square:6:2); ReadLn; End.

34 34 Обращение объекта производного класса к переопределенному методу базового класса в программе При необходимости обращении к переопределенному методу базового класса явно меняют тип переменной – объекта класса. Var A: TVRoom2;... TRoom(A).Square;

35 Сложный полиморфизм. Конструкторы Program Ex_7_07; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type TRoomP=object length, width:single; function Square:single; procedure Print; procedure Init(l,w:single); end; Существует три ситуации, в которых определение типа объекта на этапе компиляции программы невозможно, и, следовательно, не- возможно правильное подключение переопределенного метода.

36 36 Сложный полиморфизм (2) Function TRoomP.Square; Begin Result:= length* width; End; Procedure TRoomP.Print; Begin WriteLn('Square =', Square:6:2); End; Procedure TRoomP.Init; Begin length:=l; width:=w; End; Type TVRoomP = object(TRoomP) height:single; function Square:single; procedure Init(l,w,h:single); end; Procedure TVRoomP.Init; Begin inherited Init(l,w); height:=h; End;

37 37 Сложный полиморфизм (2) Function TVRoomP.Square; Begin Square:=2*(inherited Square+height*(length+width)); End; Var A:TRoomP; B:TVRoomP; Begin A.Init(3.5,5.1); A.Print; B.Init(3.5,5.1,2.7); B.Print; ReadLn; End. Square = Ошибка!

38 38 Пояснение к ошибке При позднем связывании нужный аспект полиморфного метода определяется на этапе выполнения программы по типу объекта, для которого вызывается метод.

39 39 Реализация сложного полиморфизма Для организации сложного полиморфизма необходимо: 1) переопределяемые методы описать служебным словом virtual ; 2) к методам класса с виртуальными полиморфными методами добавить специальный метод-процедуру – конструктор, в котором служебное слово procedure заменено служебным словом constructor ; 3) вызвать конструктор прежде, чем произойдет первое обращение к виртуальным полиморфным методам. Подключение осуществляется с исполь- зованием таблицы вир- туальных методов (ТВМ), которая создается при выполнении конструк- тора.

40 40 Исправленный пример Unit RoomP; interface Type TRoomP=object length, width:single; function Square:single; virtual; procedure Print; constructor Init(l,w:single); end; Type TVRoomP = object(TRoomP) height:single; function Square:single; virtual; constructor Init(l,w,h:single); end;

41 41 Исправленный пример (2) implementation Function TRoomP.Square; Begin Result:= length* width; End; Procedure TRoomP.Print; Begin WriteLn('Square =', Square:6:2); End; Constructor TRoomP.Init; Begin length:=l; width:=w; End; Constructor TVRoomP.Init; Begin inherited Init(l,w); height:=h; End; Function TVRoomP.Square; Begin Square:=2*(inherited Square+height*(length+ width)); End; end.

42 42 Исправленный пример (3) Program Ex_7_07a; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, RoomP in 'RoomP.pas'; Var A:TRoomP; B:TVRoomP; Begin A.Init(3.5,5.1); A.Print; B.Init(3.5,5.1,2.7); B.Print; ReadLn; End. Square = Square = 82.14

43 43 3 случая обязательного использования сложного полиморфизма 1-й случай – если наследуемый метод для объекта производного класса вызывает метод, переопределенный в производном классе. 2-й случай – если объект производного класса через указатель базового класса обращается к методу, переопределенному производным классом. 3-й случай – если процедура вызывает переопределенный метод для объекта производного класса, переданного в процедуру через параметр-переменную, описанный как объект базового класса («процедура с полиморфным объектом»).

44 44 2-й случай Program Ex_7_07b; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, RoomP in 'Ex_07_07\RoomP.pas'; Var pA: ^TRoomP; B:TVRoomP; Begin B.Init(3.5,5.1,2.7); WriteLn('Square =', B.Square:6:2); WriteLn('Square =', pA^.Square:6:2); ReadLn; end. Square = Square = 82.14

45 45 3-й случай Program Ex_7_07c; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils, RoomP in 'Ex_08_07\RoomP.pas'; Procedure Print(Var R:TRoomP); Begin WriteLn('Square =', R.Square:6:2); End; Var A:TRoomP; B:TVRoomP; Begin A.Init(3.5,5.1); B.Init(3.5,5.1,2.7); Print(A); Print(B); ReadLn; End. Square = Square = 82.14

46 46 Функция определения типа полиморфного объекта TypeOf ( ): pointer – возвращает адрес ТВМ класса. Если адрес ТВМ объекта и класса совпадают, то объект является переменной данного класса. Пример: if TypeOf(Self) = TypeOf ( ) then else

47 47 Свойства виртуальных методов класса 1)позднее связывание требует построения ТВМ, а следовательно больше памяти; 2) вызов виртуальных полиморфных методов происходит через ТВМ, а следовательно медленнее; 3) список параметров одноименных виртуальных полиморфных методов должен совпадать, а статических полиморфных – не обязательно; 4) статический полиморфный метод не может переопределить виртуальный полиморфный метод.

48 Динамические полиморфные объекты. Деструкторы Создание полиморфных объектов: Функция New ( [, ] ) – возвращает адрес размещенного и, возможно, сконструированного объекта. Деструктор – метод класса, который используется для корректного уничтожения полиморфного объекта, содержащего невидимое поле. Деструктор можно переопределять. Уничтожение полиморфных объектов: Процедура Dispose( [, ]) – выполняет вызов деструктора, если он указан, и освобождает память.

49 49 Динамические полиморфные объекты (2) Program Ex_7_08; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type pTRoomD = ^TRoomD; TRoomD = object length, width:single; function Square:single; virtual; constructor Init(l,w:single); destructor Done; end; Type pTVRoomD = ^TVRoomD; TVRoomD = object(TRoomD) height:single; function Square:single; virtual; constructor Init(l,w,h:single); end;

50 50 Динамические полиморфные объекты (3) Function TRoomD.Square; Begin Result:= length* width; End; Constructor TRoomD.Init; Begin length:=l; width:=w; End; Destructor TRoomD.Done; Begin End; Constructor TVRoomD.Init; Begin inherited Init(l,w); height:=h; End; Function TVRoomD.Square; Begin Result:=2*(inherited Square+height*(length+ width)); End;

51 51 Динамические полиморфные объекты (4) Var pA: pTRoomD; pB:pTVRoomD; Begin { указатель базового типа, объект базового типа } pA:=New(pTRoomD,Init(3.5,5.1)); WriteLn('Square =', pA^.Square:6:2); Dispose(pA,Done); { указатель производного типа, объект производного типа } pB:=New(pTVRoomD,Init(3.5,5.1,2.7)); WriteLn('Square =', pB^.Square:6:2); Dispose(pB,Done); { указатель базового типа, объект производного типа } pA:=New(pTVRoomD,Init(3.5,5.1,2.7)); WriteLn('Square =', pA^.Square:6:2); Dispose(pA,Done); ReadLn; End. Square = Square = 82.14

52 52 Динамические поля в объектах Program Ex_7_09; {$APPTYPE CONSOLE} Uses SysUtils; Type pTRoomD=^TRoomD; TRoomD=object length, width:single; function Square:single; virtual; constructor Init(l,w:single); destructor Done; virtual; end; Type pTBRoomD=^TBRoomD; TBRoomD=object(TRoomD) pB:pTRoomD; function Square:single; virtual; function BSquare:single; constructor Init(l,w:single; lb,wb:single); destructor Done; virtual; end;

53 53 Динамические поля в объектах (2) Function TRoomD.Square; Begin Square:= length* width; End; Constructor TRoomD.Init; Begin length:=l; width:=w; End; Destructor TRoomD.Done; Begin End; Constructor TBRoomD.Init; Begin inherited Init(l,w); if (lb=0)or(wb=0) then pB:=nil else pB:= New(pTRoomD,Init(lb,wb)); End; Function TBRoomD.BSquare; Begin if pB<>nil then BSquare:=pB^.Square else BSquare:=0; End; Function TBRoomD. Square; Begin Square:= inherited Square+BSquare; End; Destructor TBRoomD.Done; Begin if pB<>nil then Dispose(pB,Done); End;

54 54 Динамические поля в объектах (3) Var A:TBRoomD; pB1:pTBRoomD; pB2:pTRoomD; Begin { статический объект с динамическим полем } A.Init(3.2,5.1,2.5,1); WriteLn(A.Square:6:2,A.BSquare:6:2); A.Done; { динамический полиморфный объект с динамическим полем } pB1:=New(pTBRoomD,Init(3.2,5.1,2.5,1)); WriteLn(pB1^.Square:6:2,pB1^.BSquare:6:2); Dispose(pB1,Done); { динамический полиморфный объект с динамическим полем } pB2:=new(pTBRoomD,Init(3.2,5.1,2.5,1)); WriteLn(pB2^.Square:6:2,pTBRoomD(pB2)^.BSquare:6:2); Dispose(pB2,Done); ReadLn; End

55 55