Методы программирования (2 семестр)

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Методы программирования (2 семестр)

Раздел 2. Лекция 01 Введение в ООП

Нижегородский государственный университет
им. Н.И. Лобачевского

Факультет вычислительной математики и кибернетики

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Математика делает то, что можно, так, как нужно, тогда как информатика делает то, что нужно, так, как можно.
Программистский фольклор

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Технологические основы языков программирования высокого уровня_1

Проблемы:
Трудно проектировать.
Трудно реализовывать.
Трудно отлаживать.
Трудно сопровождать.
Трудно модифицировать.

Сложные задачи

Большие программы

Решение проблемы: Коллективная разработка

Один человек не в состоянии справиться с задачей

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Технологические основы языков программирования высокого уровня_2

Промышленное программирование – технологический процесс.


Необходимы специальные технологии.
Структурное, модульное программирование.

Дальнейший рост сложности задач.
Что дальше? Как с этим бороться?

Мы строим корабль

Мы пишем Windows

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Технологические основы языков программирования высокого уровня_3

Необходимы новые технологии.
Для того, чтобы понять, какие именно, необходимо ответить на следующие вопросы:
Какие задачи являются сложными, а какие простыми?
Почему некоторые задачи сложные?
Как можно бороться со сложностью задач?

1

2

3

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Какие задачи являются сложными, а какие простыми?

Наиболее популярная версия: сложные задачи – задачи, которые я не умею решать.
? А может кто-нибудь умеет?

1

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Сэр Исаак Ньютон по секрету признавался друзьям, что он знает, как гравитация ведет себя, но не знает, почему.
Лили Томлин (Lily Tomlin)

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Простые и сложные программные системы

Версия классиков (Grady Booch):
Простые программные системы – “разрабатываются и сопровождаются одним человеком. В случае необходимости внесения изменений проще создать систему заново”.
Сложные программные системы – “имеют большое время жизни, и большое количество пользователей оказывается в зависимости от их нормального функционирования”.

1

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Сложность

Брукс пишет: "Эйнштейн утверждал, что должны существовать простые объяснения природных процессов, так как Бог не действует из каприза или по произволу. У программиста нет такого утешения: сложность, с которой он должен справиться, лежит в самой природе системы“.

1

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Итог:

Сложные задачи – это не те задачи, которые не умеет решать один конкретный коллектив.
Сложные задачи – сложные сами по себе, не в зависимости от тех, кто их решает. Эти задачи имеют большую важность и связаны с нормальным функционированием многих людей.
Примеры:
Расчет конструкции моста.
Прогноз погоды.
Корпоративная информационная система.
Операционная система.
…

1

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Почему некоторые задачи сложные?

От склероза нельзя избавиться, о нем можно только забыть.
Народная мудрость
Со сложностью задач можно справиться, но от нее нельзя избавиться.
Чтобы справиться со сложностью, нужно применять специальные технологии.
Чтобы определить, какие технологии требуются, необходимо разобраться, откуда возникает сложность задач.

2

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Почему некоторые задачи сложные?

Классики выделяют следующие причины возникновения сложности (Grady Booch):
сложность реальной предметной области, из которой исходит заказ на разработку;
трудность управления процессом разработки;
необходимость обеспечить достаточную гибкость программы;
неудовлетворительные способы описания поведения больших дискретных систем (много состояний, невозможно отследить).

2

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Как можно бороться со сложностью задач?

Ответ: применение новой специальной технологии – объектно-ориентированной технологии.

Далее: в чем ее суть? Каковы особенности, область применения, достоинства и недостатки.

3

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

"В 1980-х годах объектно-ориентированное программирование будет занимать такое же место, какое занимало структурное программирование в 1970-х. Оно всем будет нравиться. Каждая фирма будет рекламировать свой продукт как созданный по этой технологии. Все программисты будут писать в этом стиле, причем все по-разному. Все менеджеры будут рассуждать о нем. И никто не будет знать, что же это такое."

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели.
Основными ее принципами являются: абстрагирование, инкапсуляция, иерархичность (наследование), полиморфизм.
Каждый из этих принципов сам по себе не нов, но в объектной модели они впервые применены в совокупности.

Объектная модель

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Начало: язык Simula (далее Smalltalk, Object Pascal и C++).
Общая тенденция в развитии языков программирования:
смещение акцентов от программирования отдельных деталей к программированию более крупных компонент;
развитие и совершенствование языков программирования высокого уровня.

Эволюция объектной модели

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования.

ДЕКОМПОЗИЦИЯ

Особенности объектного подхода

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Главные строительные блоки – алгоритмы. Предметная область рассматривается как совокупность алгоритмов, запускающихся в определенной последовательности.

ДЕКОМПОЗИЦИЯ

Алгоритмическая

Объектно-ориентированная

Объектно-ориентированная и алгоритмическая декомпозиции_1

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Основные строительные блоки – классы и объекты. Система рассматривается как совокупность объектов, являющихся экземплярами некоторых классов, выявленных в предметной области.

ДЕКОМПОЗИЦИЯ

Алгоритмическая

Объектно-ориентированная

Объектно-ориентированная и алгоритмическая декомпозиции_2

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Модели приложений 1

Модульный и структурный подходы

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Модели приложений 2

Объектно-ориентированный подход

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектно-ориентированной технологии. Терминология

Путаница с терминологией в Российской и Западной литературе. ООП, OOP, OOD, OOA.
Россия: ООП – объектно-ориентированное программирование.
Западные теоретики: OOA – object-oriented analysis ; OOD – object-oriented design; OOP – object-oriented programming.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

OOA – object-oriented analysis

Объектно-ориентированный анализ (или OOA, object-oriented analysis) направлен на создание моделей реальной действительности на основе объектно-ориентированного мировоззрения.
Определение: Объектно-ориентированный анализ – это методология, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

OOD – object-oriented design

Проектирование основное внимание уделяет правильному и эффективному структурированию сложных систем.
Определение:
Объектно-ориентированное проектирование – это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления моделей проектируемой системы.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

OOP – object-oriented programming

Определение:
Объектно-ориентированное программирование – это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Взаимодействие OOA, AAD и OOP

На результатах ООА формируются модели, на которых основывается OOD;
OOD в свою очередь создает фундамент для окончательной реализации системы.
Реализация проводится с использованием методологии OOP.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектного подхода. Абстрагирование

Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач.
Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя (Grady Booch).
Выбор правильного набора абстракций для заданной предметной области представляет собой главную задачу объектно-ориентированного проектирования.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектного подхода. Абстрагирование

Абстракция фокусируется на существенных с точки зрения наблюдателя характеристиках объекта.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектного подхода. Инкапсуляция

Абстракция объекта всегда предшествует его реализации.
После того, как решение о реализации принято, оно должно трактоваться как секрет абстракции, скрытый от большинства клиентов.
"Никакая часть сложной системы не должна зависеть от внутреннего устройства какой-либо другой части”.
В то время, как абстракция "помогает людям думать о том, что они делают", инкапсуляция "позволяет легко перестраивать программы“.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектного подхода. Инкапсуляция

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 (Гради Буч).
Россия: под инкапсуляцией в литературе понимается:
Скрытие деталей реализации.
Объединение данных и подпрограмм их обработки в рамках одной синтаксической структуры языка программирования высокого уровня.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Составные части объектного подхода. Инкапсуляция

Инкапсуляция скрывает детали реализации объекта

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Иерархия (наследование)

Абстракция - вещь полезная, но всегда, кроме самых простых ситуаций, число абстракций в системе намного превышает наши умственные возможности.
Инкапсуляция позволяет в какой-то степени устранить это препятствие, убрав из поля зрения внутреннее содержание абстракций.
Модульность также упрощает задачу, объединяя логически связанные абстракции в группы.
Но этого оказывается недостаточно!

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Иерархия (наследование)

Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры.
Иерархия – это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Пример: координатная плоскость

Выделение абстракций:
Точка.
Круг.
Эллипс.
Квадрат.
Прямоугольник.
Треугольник.
Координатная плоскость.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Наследование

Точка: (x, y)
Круг: (x, y, R)
Эллипс.(x, y, R1, R2)
Квадрат.(x, y, a)
Прямоугольник (x, y, a, b).
Треугольник.(x1,y1, x2,y2, x3,y3)
Координатная плоскость (набор фигур)

Агрегация

Наследование

ТОЧКА (x, y)

КРУГ (R)

ФИГУРА

ИЛИ:

ТОЧКА (x, y)

КРУГ (R)

КВАДРАТ (a)

…

ТРЕУГОЛЬНИК = ТОЧКА + ТОЧКА + ТОЧКА

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Иерархия

Абстракции образуют иерархию

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Полиморфизм

Полиморфный (много смыслов, много значений)
Общая идея: одинаковое обозначение для схожих операций.
Пример: операция + в языках программирования высокого уровня – полиморфная операция.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Достоинства и недостатки объектного подхода

Достоинства:
проектирование;
модификация;
повторное использование;
надежность;
отладка.
В итоге: время и деньги.
Недостатки:
требует дополнительных навыков от программиста,
плохо сказывается на быстродействии приложений.

!

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Выводы

Есть задачи, где идей структурного и модульного программирования недостаточно – сложные задачи.
На помощь приходит объектно-ориентированный подход (технология).
В основе подхода – объектно-ориентированная декомпозиция.
3 части – OOA, OOD, OOP.
Основные принципы: абстракция, инкапсуляция, иерархия (наследование), полиморфизм.

Методы программирования 2. ООП Л. 01.

Литература к лекции

Гради Буч. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++.
Из книги заимствованы различные идеи, элементы текста и часть иллюстраций к слайдам.