» я рассказал о том, что делю дизайн-документ на Объектную Модель и Функциональную Спецификацию . Я получил довольно много вопросов, в том числе и вопрос о том, зачем я делаю такое деление, а также в чем разница между ОМ и Функциональной Спецификацией , почему не совместить эти две части? Я начал было отвечать, но в процессе понял, что, по сути, я начал писать отдельную статью. А раз так, то лучше я напишу ее здесь.

Зачем нужна Объектная Модель (ОМ)

Кратко — чтобы в проекте не было вот этого:

Не поймите превратно. Я люблю пасту, но только в качестве еды.

Обычно про пасту любят писать и говорить программисты. Но и в дизайне тоже она может быть, и еще как. С пастообразным дизайн-документом работать крайне трудно и даже поиск по ключевым словам не всегда спасает. И даже перекрестные ссылки (в тех редких случаях, когда они расставлены) не всегда помогают, а иногда и запутывают.

Поэтому, Объектная Модель выполняет две важные функции :

Справочник игровых сущностей. Его может посмотреть любой член команды без углубления в дебри дизайн-документации и долгих поисков в удобном алфавитном порядке;
Структура наследования параметров. Это уже для pro, которые пишут не просто диздок, а еще и формирую архитектуру будущего проекта.

Теперь подробнее о каждом из этих пунктов.

Справочник

Справочник позволяет отделить сущность и ее параметры от ее функционала. Это дает возможность быстро, одним взглядом понять как и из чего она состоит, как хранится в базе, как работает в логике игры и так далее. Такое простое восприятие сущностей позволяет программистам легко понять будущую архитектуру проекта и спроектировать то, как он будет создаваться еще до того, как они начнут воплощать его в коде. Такое четкое понимание может спасти от переработок в будущем, когда спустя год-полтора вдруг оказывается, что все работает не так, не хватает гибкости, это не предусмотрено а то вообще потребует полного рефакторинга 75% кода. Конечно, справочник ОМ — это не волшебная пилюля, но как минимизация таких рисков работает отлично при условии, что она грамотно составлена).

Кроме того, справочник позволяет сортировать игровые сущности по их типам, в то время как в Функциональной Спецификации они сортируются или описываются по функциональности. Например, у нас есть такая иерархия в ОМ:

Игорвая сущность
- Предмет
  - Оружие
    - Меч
  - Расходники
    - Бутылка

Но при описании геймплея у нас может быть совсем иная структура. Например:

Боевая система
- Начисление урона
- Работа брони
- Бутылки во время боя
- Стрелковое оружие
- Холодное оружие
Крафт
- Крафт бутылки
- Крафт оружия
  - Стрелкового
  - Холодного

То есть получается, что, описывая ФС, мы либо в каждой статье рассказываем, какие бывают бутылки, либо делаем ссылку на описание нужной сущности. Если это описание лежит где-то в Функциональной Спецификации и является частью, например, боевой системы — а мы описываем крафт, то именно это и приведет к пастообразности диздока. В большинстве случаев такой диздок приведет к такой же архитектуре (или ее отсутствию).

И обратный пример, если у нас весь диздок отсортирован в по иерархической системе сущностей: при описании боевой системы, она будет размазана по всему диздоку.

Наследование (pro feature)

Составление диздока с применением наследования может значительно облегчить жизнь программистам (тем, кто при создании архитектуры игры его использует). Кроме того, это вносит ясность в саму дизайн-документацию и избавляет от перегруженности ненужными деталями.

Игровая сущность (GameEntity)
- Предмет (InventoryItem)
  - Одежда (Equipment)
    - Армор (Armor)

Ниже — как они выглядят в документации (естественно, в сокращенном виде, по 3-4 строки из ОМ):

Члены типа GameEntity (это верхняя, самая главная сущность в архитектуре проекта и то, как она хранится в БД)

Члены типа InventoryItem

Члены типа Equipment

Члены типа Armor

Как видно, Armor — это последняя сущность в приведенном примере, и имеет всего три параметра: ArmorType, DamageReduxF, DamageReduxP . Однако он наследует из предыдущей сущности: DurabilityMax, DurabilityCurrent, Tiemype . В свою очередь, та сущность наследует: Volume, PlayMoneyPrice, realMoneyPrice, и так далее до самого верха.

Таким образом, используя наследование в структуре ОМ, мы избавляемся от лишней работы — нам не нужно для каждой сущности заново прописывать все ее параметры. Мы не упустим ничего важного и снизим вероятность возможных ошибок или расхождений.

Более того, добавив какой-то новый параметр в верхнюю сущность, мы повлияем на все ее подсущности. Это существенно облегчает работу, если подсущностей, например, сто штук.

Про то, насколько облегчается программистами понимание структуры и архитектуры игры, думаю, очевидно.

Резюме

Недостатки модели TCP/IP

Несмотря на огромную популярность, у модели TCP/IP и ее протоколов имеется ряд недостатков:

· отсутствие разграничений концептуальных понятий интерфейса, протокола и уровневого сервиса, что достаточно четко сделано в модели ISO/OSI. Вследствие этого модель TCP/IP не может применяться при разработке новых сетей;

· с помощью модели TCP/IP нельзя описать никакой другой стек протоколов, кроме TCP/IP;

· в модели не различаются физический и канальный уровни, в то время как они абсолютно разные и в корректной модели это должно учитываться;

· наиболее тщательно продуманы и проработаны протоколы IP и TCP. Многие из других протоколов стека разрабатывались студентами (студентам к размышлению!) и свободно распространялись, вследствие чего широко укоренились в практике и теперь их трудно заменить на что-либо новое, предлагаемое по коммерческой схеме.

В качестве резюме отметим, что модель ISO/OSI является полезной для теоретических исследований и разработок новых сетей, хотя протоколы OSI не получили широкого распространения. Для TCP/IP можно сделать обратное утверждение: стек не может рассматриваться в качестве полноценной модели, тогда как сами протоколы хорошо апробированы и чрезвычайно популярны.

Рассматривая эталонную модель с точки зрения новых требований, которые информационные потоки предъявляют к процессу переноса в инфо-коммуникационной сети, следует выделить две проблемы.

Во-первых, на транспортном и канальном уровнях реализуются два независимых механизма переноса. Такое разбиение задачи транспортировки информации было в свое время продиктовано необходимостью объединения множества сетей, использующих разные технологии доступа к каналу связи. Однако, наличие двух несогласованных механизмов передачи создает проблему обеспечения качества обслуживания при переносе информации. Добиться согласованного поведения транспортного и канального уровней (через сетевой уровень) невозможно, исходя их принципа автономности уровней в модели ISO/OSI. Однако современные концепции развития сетей на мультисервисной основе (в частности концепция NGN) предусматривают стратегии согласованного поведения транспортного и канального уровней в обход сетевого уровня, что формально нарушает принцип автономности и выходит за рамки эталонной модели.

Во-вторых, вследствие конвергенции сетей и объединения информационных потоков различных служб в общий передаваемый поток гетерогенного трафика, возникает необходимость идентификации его содержания. В ситуации, когда узкоспециализированные сети передавали информационные потоки конкретных типов, данная проблема не существовала.

Поиском решения указанных проблем занимаются большинство производителей сетевого оборудования.

Даже при самом поверхностном взгляде на функционирование сети становится понятным, что информационная сеть – это сложнейший комплекс программных и аппаратных компонентов. При этом именно программное обеспечение определяет функциональность информационной сети.

Современное сетевое программное обеспечение в высшей степени структуризовано. Основные функции и вся архитектура связи (протокольные модели) по существу реализуются в программном обеспечении сети.

Анализ программной структуры позволяет рассмотреть иерархию сетевого программного обеспечения. Элементами этой структуры являются программные модули, в которых реализованы объекты и логические модули сети.

Иерархия программного обеспечения (ПО) может быть представлена в следующем виде:

· прикладное ПО;

· промежуточное ПО;

· базовое ПО.

В прикладном ПО реализованы объекты приложений. Различают два типа приложений, которые влияют на структуру организации ПО – локально ограниченные и распределенные приложения.

Локально ограниченное приложение инсталлируется, вызывается, управляется и выполняется полностью в пределах одной оконечной системы и не требует привлечения коммуникационных функций. Примером может служить редактирование документа при подготовке текста на компьютере пользователя (терминале пользователя).

Распределительное приложение состоит из нескольких компонентов, которые могут выполняться в различных оконечных системах и, следовательно, требуют организации взаимодействия этих оконечных систем. Например, совместное редактирование текста объемной публикации пользователями, расположенными в разных местах.

Компоненты распределенного приложения могут неоднократно использоваться другими приложениями. В этом случае они становятся объектами промежуточного ПО и поддерживают услуги, связанные с интеллектуальными возможностями сети.

Промежуточное ПО реализует в сети функции управления услугами и функции административного управления сетью. Объекты обеих групп ПО аналогично компонентам распределительных приложений взаимодействуют посредством коммуникационных функций сети.

Базовое ПО предназначено для обеспечения объектам прикладного ПО и промежуточного ПО возможности выполнения и взаимодействия с другими объектами, посредством обеспечения среды взаимодействия с коммуникационными функциями сети и логическими интерфейсами пользователей. Организация этой среды осуществляется унифицированными программными комплексами, которые называются сетевыми операционными системами . От того какие концепции управления ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы не только объектов прикладного и промежуточного ПО но и сети в целом. Стандартами сетевых ОС де-факто на сегодняшний день стали системы UNIX и сетевые версии Windows. Логические компоненты коммуникационных функций, реализуемых программно, обеспечивающие поддержание связи между удаленными объектами, также относятся к функциям базового ПО.

К базовому ПО относятся и объекты обработки и хранения данных, реализуемые в таких программных комплексах, как СУБД (системы управления базами данных), базовое ПО сервера обработки транзакций и др.

Характер взаимодействия между объектами определяется типом объектного интерфейса , который подобен протоколу и функциональной эталонной точке.

Различают следующие типы объектных интерфейсов (программных интерфейсов):

· прикладной протокол (Application Protocol, АР) – логический интерфейс между прикладными объектами;

· интерфейс прикладных программ (Application Program Interface, API) – логический интерфейс между прикладными объектами и объектами промежуточного ПО, которые поддерживают прикладные объекты;

· протокол промежуточного ПО (Managing Protocol, МР) – логический интерфейс между объектами промежуточного ПО;

· интерфейс базовых программ (Base Program Interface, ВРІ) – логический интерфейс между объектами промежуточного и базового ПО, которые поддерживают объекты промежуточного ПО;

· интерфейс человек-компьютер (User-Computer Interface, UCI) – логический интерфейс между пользователем и, главным образом, объектами базового ПО, однако он может включать в себя также логический интерфейс с объектами промежуточного ПО и даже объектами приложений.

Сетевое программное обеспечение является ресурсом, участвующим в организации платформ предоставления услуг, и, следовательно, композиционные принципы объединения программных модулей подвержены тому же динамизму, что и принципы построения функциональной модели сети.

Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели. Основными принципами ее построения являются: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и сохраняемость. Каждый из этих принципов сам по себе не нов, но в объектной модели они впервые применены в совокупности.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования: здесь нужно по-другому представлять себе процесс декомпозиции, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования. Отличия обусловлены тем, что структурное проектирование основано на структурном программировании, тогда как в основе объектно-ориентированного проектирования лежит методология объектно-ориентированного программирования.

Основные положения объектной модели

Методы структурного проектирования помогают упростить процесс разработки сложных систем за счет использования алгоритмов как готовых строительных блоков. Аналогично, методы объектно-ориентированного проектирования созданы для того, чтобы помочь разработчикам применять мощные выразительные средства объектного и объектно-ориентированного программирования, использующего в качестве блоков классы и объекты.

. (object-oriented analysis, ООА) направлен на создание моделей реальной действительности на основе объектно-ориентированного мировоззрения.

Объектно-ориентированный анализ - это методология, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области.

. (object-oriented design, ООД)

Программирование прежде всего подразумевает правильное и эффективное использование механизмов конкретных языков программирования. Проектирование, напротив, основное внимание уделяет правильному и эффективному структурированию сложных систем. Определим объектно-ориентированное проектирование следующим образом:

Объектно-ориентированное проектирование - это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы.

В данном определении содержатся две важные части: объектно-ориентированное проектирование

1) основывается на объектно-ориентированной декомпозиции;

2) использует многообразие приемов представления моделей, отражающих логическую (классы и объекты) и физическую (модули и процессы) структуру системы, а также ее статические и динамические аспекты.

Именно объектно-ориентированная декомпозиция отличает объектно-ориентированное проектирование от структурного, в первом случае логическая структура системы отражается абстракциями в виде классов и объектов, во втором - алгоритмами.

. (object-oriented programming, OOП)

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.

В данном определении можно выделить три части:

1) OOП использует в качестве базовых элементов объекты, а не алгоритмы;

2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенногокласса;

3) классы организованы иерархически .

Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. В частности, программирование, не основанное на иерархических отношениях, не относится к OOП, а называется программированием на основе абстрактных типов данных.

Выделяют пять основных разновидностей стилей программирования, которые перечислены ниже вместе с присущими им видами абстракций:

Невозможно признать какой-либо стиль программирования наилучшим во всех областях практического применения. Например, для проектирования баз знаний более пригоден стиль, ориентированный на правила, а для вычислительных задач - процедурно-ориентированный. По накопленному опыту объектно-ориентированный стиль является наиболее приемлемым для широчайшего круга приложений; действительно, эта парадигма часто служит архитектурным фундаментом, на котором основываются другие парадигмы.

Каждый стиль программирования имеет свою концептуальную базу. Каждый стиль требует своего умонастроения и способа восприятия решаемой задачи. Для объектно-ориентированного стиля концептуальная база - это объектная модель. Она имеет четыре главных элемента:

абстрагирование;

инкапсуляция;

модульность;

иерархия.

Эти элементы являются главными в том смысле, что без любого из них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, имеются еще три дополнительных элемента:

типизация;

параллелизм;

сохраняемость.

Называя их дополнительными, имеется в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательны.

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.

Абстракция основывается на понятиях клиента и сервера.

Клиентом называется любой объект, использующий ресурсы другого объекта (называемогосервером ).

Мы будем характеризовать поведение объекта услугами, которые он оказывает другим объектам, и операциями, которые он выполняет над другими объектами. Такой подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и приводит к идее контрактной модели программирования, когда внешнее проявление объекта рассматривается с точки зрения его контракта с другими объектами, в соответствии с этим должно быть выполнено и его внутреннее устройство (часто во взаимодействии с другими объектами). Контракт фиксирует все обязательства, которые объект-сервер имеет перед объектом-клиентом. Другими словами, этот контракт определяетответственность объекта, то есть то поведение, за которое он отвечает.

Каждая операция, предусмотренная этим контрактом, однозначно определяется ее формальными параметрами и типом возвращаемого значения. Полный набор операций, которые клиент может осуществлять над другим объектом, вместе с правильным порядком, в котором эти операции вызываются, называется протоколом. Протокол отражает все возможные способы, которыми объект может действовать или подвергаться воздействию. Он полностью определяет, тем самым, внешнее поведение абстракции со статической и динамической точек зрения.

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.

Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством. Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта, и реализация его методов. Практически это означает наличие двух частей в классе: интерфейса и реализации. Интерфейс отражает внешнее поведение объекта, описывая абстракцию поведения всех объектов данного класса. Внутренняяреализация описывает представление этой абстракции и механизмы достижения желаемого поведения объекта. Принцип разделения интерфейса и реализации соответствует сути вещей: в интерфейсной части собрано все, что касается взаимодействия данного объекта с любыми другими объектами; реализация скрывает от других объектов все детали, не имеющие отношения к процессу взаимодействия объектов.

Модульность - это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.

В процессе разделения системы на модули могут быть полезными два правила. Во-первых, поскольку модули служат в качестве элементарных и неделимых блоков программы, которые могут использоваться в системе повторно, распределение классов и объектов по модулям должно учитывать это. Во-вторых, многие компиляторы создают отдельный сегмент кода для каждого модуля. Поэтому могут появиться ограничения на размер модуля. Динамика вызовов подпрограмм и расположение описаний внутри модулей может сильно повлиять на локальность ссылок и на управление страницами виртуальной памяти. При плохом разбиении процедур по модулям учащаются взаимные вызовы между сегментами, что приводит к потере эффективности кэш-памяти и частой смене страниц.

Свести воедино столь разноречивые требования довольно трудно, но главное – это уяснить, что вычленение классов и объектов в проекте и организация модульной структуры есть независимые действия. Процесс вычленения классов и объектов составляет часть процесса логического проектирования системы, а деление на модули - этап физического проектирования. Разумеется, иногда невозможно завершить логическое проектирование системы, не завершив физическое проектирование, и наоборот. Два этих процесса выполняются итеративно.

Иерархия - это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия "is-a") и структура объектов (иерархия "part of").

Важным элементом объектно-ориентированных систем и основным видом иерархии "is-a" является упоминавшаяся выше концепция наследования. Наследование означает такое отношение между классами (отношение родитель/потомок), когда один класс заимствует структурную или функциональную часть одного или нескольких других классов (соответственно, одиночное имножественное наследование ). Иными словами, наследование создает такую иерархию абстракций, в которой подклассы наследуют строение от одного или нескольких суперклассов. Часто подкласс достраивает или переписывает компоненты вышестоящего класса.

Если иерархия "is а" определяет отношение "обобщение/специализация", то отношение "part of" (часть) вводит иерархию агрегации. В иерархии "part of" класс находится на более высоком уровне абстракции, чем любой из использовавшихся при его реализации.

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

Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

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

СУБД реляционного типа наиболее приспособлены для реализации приложений с не очень сложно структурированными данными, но с очень сложными запросами. Проблемы в них начинаются при попытках представить структуры данных с агрегатами и обобщениями.

Идею создания объектной модели данных можно упрощённо представить, как добавление персистентности и механики транзакций в объектный язык программирования. Объектные СУБД позволяют работать с очень сложно организованными данными, но в них до сих пор отсутствуют общепризнанные языки запросов.

В объектно-реляционных СУБД за основу берётся реляционная модель, которую расширяют системой объектных типов данных, конструируемых пользователем. Язык запросов представляет собой расширение SQL.

Несколько утрируя, можно сказать, что для объектной модели первичны классы, а для объектно-реляционной - таблицы. Объектная модель основана на классах и типах, а объектно-реляционная на таблицах и типах. Существуют другие различия между этими моделями, связанные со способом их построения. Например, в объектно-реляционной модели все атрибуты классов могут быть только общедоступными, а в объектной могут быть ещё и защищёнными и скрытыми.

Возможностями, которые даёт использование процедурных компонент классов, мы будем заниматься в следующих разделах (10.2 и далее).

Обратим внимание на то, что независимо от модели, на которой строится база данных, интерфейс пользователя и обработка данных в настоящее время выполняются на объектных языках. Значит, в приложениях данные неизбежно многократно трансформируются между несколькими моделями, и среди них обязательно найдутся объектные модели. Этим объясняется интерес, который мы будем проявлять к трансформации данных между разными моделями.

На начальных стадиях создания приложений очень важно зафиксировать семантику данных. Диаграммы "сущность-связь" применяемые на стадии концептуального анализа слишком ориентированы на реализацию в реляционной модели и не позволяют передать некоторые смыслы. В частности, набор связей в них недостаточно богат.

Рассмотрим язык UML (Unified Modeling Language) обладающий более широкими возможностями. Отметим, что термин "унифицированный" не означает претензий на универсальность. Просто UML был создан путем объединения как минимум трех языков концептуального моделирования.

Для построения реляционных, объектных и объектно-реляционных баз данных из определённых в UML-2 тринадцати видов диаграмм нам достаточно диаграмм классов. Это структурные диаграммы, определяющие наборы классов, их атрибуты, операторы и связи между ними.

Определение. Класс -это именованное описание совокупности объектов, имеющих одинаковые атрибуты, операции, связи и семантику. У класса имеется уникальное имя, изображаемое текстовой строкой, которую будем составлять из соединённых без разрыва имен существительных и прилагательных, начинающихся каждое с заглавной буквы.

Возможно четыре варианта обозначения класса, приведенные на рисунке 10.1.

Рис. 10.1.

Рис. 10.2.

Определение . Связи-ассоциации классифицируются по числу соединяемых классов. Обозначаются они сплошными линиями. Выделяют бинарные связи (соединяют два класса), тернарные (три класса) и N-арные. Для бинарных связей может быть указан порядок соединяемых классов. Так, в примере на рисунке 10.3 связь читается так: "Мама моет раму".

Рис. 10.3.

Концы связи-ассоциации можно помечать именами ролей, для которых могут быть указаны кратности связи. Назначения ролей такие же, как в ER-диаграммах (см. раздел 2.2.6). Кратности роли указывают, сколько объектов с этой ролью могут участвовать в ассоциации. Так, кратность 1 указывает на обязательность связи, кратность 0..1 означает её необязательность. Задание диапазона 1..* говорит о том, что все объекты должны участвовать в каком-нибудь экземпляре ассоциации и что число объектов, участвующих в одном экземпляре ассоциации не ограничено.

В примере на рисунке 10.4 в показано, что работник обязательно работает равно в одном отделе, а отдел может существовать вообще без работников, но может иметь до 15 человек.

Рис. 10.4.

Как вы уже поняли, ассоциации реализуются в реляционной модели.

Определение . Связью-обобщением называется связь между более общим классом, называемым родителем или предком, и более специализированным классом, называемым потомком или подклассом.

Парадигмы программирования

Объе́ктно-ориенти́рованное программи́рование (ООП) - методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов , каждый из которых является экземпляром определённого класса , а классы образуют иерархию наследования .

Идеологически ООП - подход к программированию как к моделированию информационных объектов, решающий на новом уровне основную задачу структурного программирования : структурирование информации с точки зрения управляемости , что существенно улучшает управляемость самим процессом моделирования, что, в свою очередь, особенно важно при реализации крупных проектов.

Управляемость для иерархических систем предполагает минимизацию избыточности данных (аналогичную нормализации) и их целостность, поэтому созданное удобно управляемым - будет и удобно пониматься. Таким образом, через тактическую задачу управляемости решается стратегическая задача - транслировать понимание задачи программистом в наиболее удобную для дальнейшего использования форму.

Наиболее заметные отличия в проявлении показателей качества между языками разных видов:

В мейнстримных языках декларируемые принципы нацелены на повышение изначально низкого для императивного программирования коэффициента повторного использования кода . В полиморфно типизированных применение концепций ООП, напротив, означает очевидное его снижение из-за перехода от параметрического полиморфизма к ad-hoc-полиморфизму . В динамически типизированных языках (Smalltalk , Python , Ruby) эти принципы используются для логической организации программы, и их влияние на коэффициент повторного использования трудно спрогнозировать - он сильно зависит от дисциплины программиста. Например, в CLOS мультиметоды одновременно являются функциями первого класса , что позволяет рассматривать их одновременно и как связанно квантифицированные , и как обобщённые (истинно полиморфные).
Традиционные ОО-языки используют номинативную типизацию , то есть допустимость соиспользования объектов разных классов только при условии явного указания родственных отношений между классами. Для полиморфно типизированных языков характерна структурная типизация , то есть согласование классов между собой тем же механизмом, что и согласование числа 5 с типом int . Динамически типизированные языки также занимают здесь промежуточную позицию.

Обобщённое обоснование динамической диспетчеризации (включая множественную) в середине 1990-х годов построил Джузеппе Кастанья .

История

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования , где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование , КОП).

Взаимодействие объектов происходит посредством . Результатом дальнейшего развития ООП, по-видимому, будет агентно-ориентированое программирование , где агенты - независимые части кода на уровне выполнения. Взаимодействие агентов происходит посредством изменения среды , в которой они находятся.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной (исключительные ситуации , проверки) и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты (в аспектно-ориентированном программировании). Субъектно-ориентированное программирование расширяет понятие объекта посредством обеспечения более унифицированного и независимого взаимодействия объектов. Может являться переходной стадией между ООП и агентным программированием в части самостоятельного их взаимодействия.

Первым языком программирования, в котором были предложены основные понятия, впоследствии сложившиеся в парадигму, была Симула , но термин «объектная ориентированность» не использовался в контексте использования этого языка. В момент его появления в 1967 году в нём были предложены революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Фактически, Симула была «Алголом с классами», упрощающим выражение в процедурном программировании многих сложных концепций. Понятие класса в Симуле может быть полностью определено через композицию конструкций Алгола (то есть класс в Симуле - это нечто сложное, описываемое посредством примитивов).

Взгляд на программирование «под новым углом» (отличным от процедурного) предложили Алан Кэй и Дэн Ингаллс в языке Smalltalk . Здесь понятие класса стало основообразующей идеей для всех остальных конструкций языка (то есть класс в Смолтоке является примитивом, посредством которого описаны более сложные конструкции). Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования .

В настоящее время количество прикладных языков программирования (список языков), реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. Наиболее распространённые в промышленности языки (С++, Delphi, C#, Java и др.) воплощают объектную модель Симулы. Примерами языков, опирающихся на модель Смолтока, являются Objective-C, Python, Ruby.

Определение ООП и его основные концепции

В центре ООП находится понятие объекта. Объект - это сущность, которой можно посылать сообщения и которая может на них реагировать, используя свои данные. Объект - это экземпляр класса. Данные объекта скрыты от остальной программы. Сокрытие данных называется инкапсуляцией .

Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности - для этого требуется наличие наследования .

Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм подтипов - возможность единообразно обрабатывать объекты с различной реализацией при условии наличия общего интерфейса.

Сложности определения

ООП имеет уже более чем сорокалетнюю историю, но, несмотря на это, до сих пор не существует чёткого общепринятого определения данной технологии . Основные принципы, заложенные в первые объектные языки и системы, подверглись существенному изменению (или искажению) и дополнению при многочисленных реализациях последующего времени. Кроме того, примерно с середины 1980-х годов термин «объектно-ориентированный» стал модным , в результате с ним произошло то же самое, что несколько раньше с термином «структурный» (ставшим модным после распространения технологии структурного программирования) - его стали искусственно «прикреплять» к любым новым разработкам, чтобы обеспечить им привлекательность. Бьёрн Страуструп в 1988 году писал, что обоснование «объектной ориентированности» чего-либо, в большинстве случаев, сводится к некорректному силлогизму : «X - это хорошо. Объектная ориентированность - это хорошо. Следовательно , X является объектно-ориентированным».

Роджер Кинг аргументированно настаивал, что его кот является объектно-ориентированным. Кроме прочих своих достоинств, кот демонстрирует характерное поведение, реагирует на сообщения, наделён унаследованными реакциями и управляет своим, вполне независимым, внутренним состоянием.

Однако общность механизма обмена сообщениями имеет и другую сторону - «полноценная» передача сообщений требует дополнительных накладных расходов, что не всегда приемлемо. Поэтому во многих современных объектно-ориентированных языках программирования используется концепция «отправка сообщения как вызов метода» - объекты имеют доступные извне методы, вызовами которых и обеспечивается взаимодействие объектов. Данный подход реализован в огромном количестве языков программирования, в том числе C++ , Object Pascal , Java , Oberon-2 . Однако, это приводит к тому, что сообщения уже не являются самостоятельными объектами, и, как следствие, не имеют атрибутов, что сужает возможности программирования. Некоторые языки используют гибридное представление, демонстрируя преимущества одновременно обоих подходов - например, CLOS , Python .

Концепция виртуальных методов , поддерживаемая этими и другими современными языками, появилась как средство обеспечить выполнение нужных методов при использовании полиморфных переменных, то есть, по сути, как попытка расширить возможности вызова методов для реализации части функциональности, обеспечиваемой механизмом обработки сообщений.

Особенности реализации

Как уже говорилось выше, в современных объектно-ориентированных языках программирования каждый объект является значением, относящимся к определённому классу . Класс представляет собой объявленный программистом составной тип данных , имеющий в составе:

Поля данных Параметры объекта (конечно, не все, а только необходимые в программе), задающие его состояние (свойства объекта предметной области). Иногда поля данных объекта называют свойствами объекта, из-за чего возможна путаница. Фактически поля представляют собой значения (переменные, константы), объявленные как принадлежащие классу. Методы Процедуры и функции, связанные с классом. Они определяют действия, которые можно выполнять над объектом такого типа, и которые сам объект может выполнять.

Классы могут наследоваться друг от друга. Класс-потомок получает все поля и методы класса-родителя, но может дополнять их собственными либо переопределять уже имеющиеся. Большинство языков программирования поддерживает только единичное наследование (класс может иметь только один класс-родитель), лишь в некоторых допускается множественное наследование - порождение класса от двух или более классов-родителей. Множественное наследование создаёт целый ряд проблем, как логических, так и чисто реализационных, поэтому в полном объёме его поддержка не распространена. Вместо этого в 1990-е годы появилось и стало активно вводиться в объектно-ориентированные языки понятие интерфейса . Интерфейс - это класс без полей и без реализации, включающий только заголовки методов. Если некий класс наследует (или, как говорят, реализует) интерфейс, он должен реализовать все входящие в него методы. Использование интерфейсов предоставляет относительно дешёвую альтернативу множественному наследованию.

Взаимодействие объектов в абсолютном большинстве случаев обеспечивается вызовом ими методов друг друга.

Инкапсуляция обеспечивается следующими средствами:

Контроль доступа Поскольку методы класса могут быть как чисто внутренними, обеспечивающими логику функционирования объекта, так и внешними, с помощью которых взаимодействуют объекты, необходимо обеспечить скрытость первых при доступности извне вторых. Для этого в языки вводятся специальные синтаксические конструкции, явно задающие область видимости каждого члена класса. Традиционно это модификаторы public, protected и private, обозначающие, соответственно, открытые члены класса, члены класса, доступные внутри класса и из классов-потомков, и скрытые, доступные только внутри класса. Конкретная номенклатура модификаторов и их точный смысл различаются в разных языках. Методы доступа Поля класса в общем случае не должны быть доступны извне, поскольку такой доступ позволил бы произвольным образом менять внутреннее состояние объектов. Поэтому поля обычно объявляются скрытыми (либо язык в принципе не позволяет обращаться к полям класса извне), а для доступа к находящимся в полях данным используются специальные методы, называемые методами доступа. Такие методы либо возвращают значение того или иного поля, либо производят запись в это поле нового значения. При записи метод доступа может проконтролировать допустимость записываемого значения и, при необходимости, произвести другие манипуляции с данными объекта, чтобы они остались корректными (внутренне согласованными). Методы доступа называют ещё аксессорами (от англ. access - доступ), а по отдельности - геттерами (англ. get - чтение) и сеттерами (англ. set - запись) . Свойства объекта Псевдополя, доступные для чтения и/или записи. Свойства внешне выглядят как поля и используются аналогично доступным полям (с некоторыми исключениями), однако фактически при обращении к ним происходит вызов методов доступа. Таким образом, свойства можно рассматривать как «умные» поля данных, сопровождающие доступ к внутренним данным объекта какими-либо дополнительными действиями (например, когда изменение координаты объекта сопровождается его перерисовкой на новом месте). Свойства, по сути, не более чем синтаксический сахар , поскольку никаких новых возможностей они не добавляют, а лишь скрывают вызов методов доступа. Конкретная языковая реализация свойств может быть разной. Например, в объявление свойства непосредственно содержит код методов доступа, который вызывается только при работе со свойствами, то есть не требует отдельных методов доступа, доступных для непосредственного вызова. В Delphi объявление свойства содержит лишь имена методов доступа, которые должны вызываться при обращении к полю. Сами методы доступа представляют собой обычные методы с некоторыми дополнительными требованиями к сигнатуре .

Полиморфизм реализуется путём введения в язык правил, согласно которым переменной типа «класс» может быть присвоен объект любого класса-потомка её класса.

Проектирование программ в целом

ООП ориентировано на разработку крупных программных комплексов, разрабатываемых командой программистов (возможно, достаточно большой). Проектирование системы в целом, создание отдельных компонентов и их объединение в конечный продукт при этом часто выполняется разными людьми, и нет ни одного специалиста, который знал бы о проекте всё.

Объектно-ориентированное проектирование ориентируется на описание структуры проектируемой системы (приоритетно по отношению к описанию её поведения, в отличие от функционального программирования), то есть, фактически, в ответе на два основных вопроса:

Из каких частей состоит система ;
В чём состоит ответственность каждой из её частей .

Выделение частей производится таким образом, чтобы каждая имела минимальный по объёму и точно определённый набор выполняемых функций (обязанностей), и при этом взаимодействовала с другими частями как можно меньше.

Дальнейшее уточнение приводит к выделению более мелких фрагментов описания. По мере детализации описания и определения ответственности выявляются данные, которые необходимо хранить, наличие близких по поведению агентов, которые становятся кандидатами на реализацию в виде классов с общими предками. После выделения компонентов и определения интерфейсов между ними реализация каждого компонента может проводиться практически независимо от остальных (разумеется, при соблюдении соответствующей технологической дисциплины).

Большое значение имеет правильное построение иерархии классов. Одна из известных проблем больших систем, построенных по ООП-технологии - так называемая проблема хрупкости базового класса . Она состоит в том, что на поздних этапах разработки, когда иерархия классов построена и на её основе разработано большое количество кода, оказывается трудно или даже невозможно внести какие-либо изменения в код базовых классов иерархии (от которых порождены все или многие работающие в системе классы). Даже если вносимые изменения не затронут интерфейс базового класса, изменение его поведения может непредсказуемым образом отразиться на классах-потомках. В случае крупной системы разработчик базового класса просто не в состоянии предугадать последствия изменений, он даже не знает о том, как именно базовый класс используется и от каких особенностей его поведения зависит корректность работы классов-потомков.

Различные ООП-методологии

Компонентное программирование - следующий этап развития ООП; прототип- и класс-ориентированное программирование - разные подходы к созданию программы, которые могут комбинироваться, имеющие свои преимущества и недостатки.

Компонентное программирование

Компонентно-ориентированное программирование - это своеобразная «надстройка» над ООП, набор правил и ограничений, направленных на построение крупных развивающихся программных систем с большим временем жизни. Программная система в этой методологии представляет собой набор компонентов с хорошо определёнными интерфейсами. Изменения в существующую систему вносятся путём создания новых компонентов в дополнение или в качестве замены ранее существующих. При создании новых компонентов на основе ранее созданных запрещено использование наследования реализации - новый компонент может наследовать лишь интерфейсы базового. Таким образом, компонентное программирование обходит проблему хрупкости базового класса.

Прототипное программирование

Прототипное программирование , сохранив часть черт ООП, отказалось от базовых понятий - класса и наследования.

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 .
Вместо механизма описания классов и порождения экземпляров, язык предоставляет механизм создания объекта (путём задания набора полей и методов, которые объект должен иметь) и механизм клонирования объектов.
Каждый вновь созданный объект является «экземпляром без класса». Каждый объект может стать прототипом - быть использован для создания нового объекта с помощью операции клонирования . После клонирования новый объект может быть изменён, в частности, дополнен новыми полями и методами.
Клонированный объект либо становится полной копией прототипа, хранящей все значения его полей и дублирующей его методы, либо сохраняет ссылку на прототип, не включая в себя клонированных полей и методов до тех пор, пока они не будут изменены. В последнем случае среда исполнения обеспечивает механизм делегирования - если при обращении к объекту он сам не содержит нужного метода или поля данных, вызов передаётся прототипу, от него, при необходимости - дальше по цепочке.

Класс-ориентированное программирование

Класс-ориентированное программирование - это программирование, сфокусированное на данных, причём данные и поведение неразрывно связаны между собой. Вместе данные и поведение представляют собой класс. Соответственно в языках, основанных на понятии «класс», все объекты разделены на два основных типа - классы и экземпляры. Класс определяет структуру и функциональность (поведение), одинаковую для всех экземпляров данного класса. Экземпляр является носителем данных - то есть обладает состоянием, меняющимся в соответствии с поведением, заданным классом. В класс-ориентированных языках новый экземпляр создаётся через вызов конструктора класса (возможно, с набором параметров). Получившийся экземпляр имеет структуру и поведение, жёстко заданные его классом.

Производительность объектных программ

Гради Буч указывает на следующие причины, приводящие к снижению производительности программ из-за использования объектно-ориентированных средств:

Динамическое связывание методов Обеспечение полиморфного поведения объектов приводит к необходимости связывать методы, вызываемые программой (то есть определять, какой конкретно метод будет вызываться) не на этапе компиляции, а в процессе исполнения программы, на что тратится дополнительное время. При этом реально динамическое связывание требуется не более чем для 20 % вызовов, но некоторые ООП-языки используют его постоянно. Значительная глубина абстракции ООП-разработка часто приводит к созданию «многослойных» приложений, где выполнение объектом требуемого действия сводится к множеству обращений к объектам более низкого уровня. В таком приложении происходит очень много вызовов методов и возвратов из методов, что, естественно, сказывается на производительности. Наследование «размывает» код Код, относящийся к «конечным» классам иерархии наследования, которые обычно и используются программой непосредственно, находится не только в самих этих классах, но и в их классах-предках. Относящиеся к одному классу методы фактически описываются в разных классах. Это приводит к двум неприятным моментам:

Снижается скорость трансляции, так как компоновщику приходится подгружать описания всех классов иерархии.
Снижается производительность программы в системе со страничной памятью - поскольку методы одного класса физически находятся в разных местах кода, далеко друг от друга, при работе фрагментов программы, активно обращающихся к унаследованным методам, система вынуждена производить частые переключения страниц.

Инкапсуляция снижает скорость доступа к данным Запрет на прямой доступ к полям класса извне приводит к необходимости создания и использования методов доступа. И написание, и компиляция, и исполнение методов доступа сопряжены с дополнительными расходами. Динамическое создание и уничтожение объектов Динамически создаваемые объекты, как правило, размещаются в куче , что менее эффективно, чем размещение их на стеке и, тем более, статическое выделение памяти под них на этапе компиляции.

Несмотря на отмеченные недостатки, Буч утверждает, что выгоды от использования ООП более весомы. Кроме того, повышение производительности за счёт лучшей организации ООП-кода, по его словам, в некоторых случаях компенсирует дополнительные накладные расходы на организацию функционирования программы. Можно также заметить, что многие эффекты снижения производительности могут сглаживаться или даже полностью устраняться за счёт качественной оптимизации кода компилятором. Например, упомянутое выше снижение скорости доступа к полям класса из-за использования методов доступа устраняется, если компилятор вместо вызова метода доступа использует инлайн-подстановку (современные компиляторы делают это вполне уверенно).

Критика ООП

Несмотря на отдельные критические замечания в адрес ООП, в настоящее время именно эта парадигма используется в подавляющем большинстве промышленных проектов. Однако нельзя считать, что ООП является наилучшей из методик программирования во всех случаях.

Критические высказывания в адрес ООП:

Было показано отсутствие значимой разницы в продуктивности разработки программного обеспечения между ООП и процедурным подходом .
Кристофер Дэйт указывает на невозможность сравнения ООП и других технологий во многом из-за отсутствия строгого и общепризнанного определения ООП .
Александр Степанов в одном из своих интервью указывал, что ООП «методологически неправильно» и что «…ООП практически такая же мистификация , как и искусственный интеллект …» .
Фредерик Брукс указывает, что наиболее сложной частью создания программного обеспечения является «…спецификация, дизайн и тестирование концептуальных конструкций, а отнюдь не работа по выражению этих концептуальных конструкций…». ООП (наряду с такими технологиями как искусственный интеллект, верификация программ , автоматическое программирование , графическое программирование , экспертные системы и др.), по его мнению, не является «серебряной пулей», которая могла бы на порядок величины снизить сложность разработки программных систем. Согласно Бруксу, «…ООП позволяет сократить только привнесённую сложность в выражение дизайна. Дизайн остаётся сложным по своей природе…» .
Эдсгер Дейкстра указывал: «…то, о чём общество в большинстве случаев просит - это эликсир от всех болезней. Естественно, „эликсир“ имеет очень впечатляющие названия, иначе будет очень трудно что-то продать: „Структурный анализ и Дизайн“, „Программная инженерия“, „Модели зрелости“, „Управляющие информационные системы“ (Management Information Systems), „Интегрированные среды поддержки проектов“, „Объектная ориентированность“, „Реинжиниринг бизнес-процессов “…» .
Никлаус Вирт считает, что ООП - не более чем тривиальная надстройка над структурным программированием [ ] , и преувеличение её значимости, выражающееся, в том числе, во включении в языки программирования всё новых модных «объектно-ориентированных» средств, вредит качеству разрабатываемого программного обеспечения.
Патрик Киллелиа в своей книге «Тюнинг веб-сервера» писал: «…ООП предоставляет вам множество способов замедлить работу ваших программ…».
Известная обзорная статья проблем современного ООП-программирования перечисляет некоторые типичные проблемы ООП [ ] .
В программистском фольклоре получила широкое распространение критика объектно-ориентированного подхода в сравнении с функциональным подходом с использованием метафоры «Королевства Существительных » из эссе Стива Йегги .

Если попытаться классифицировать критические высказывания в адрес ООП, можно выделить несколько аспектов критики данного подхода к программированию.

Критика рекламы ООП Критикуется явно высказываемое или подразумеваемое в работах некоторых пропагандистов ООП, а также в рекламных материалах «объектно-ориентированных» средств разработки представление об объектном программировании как о некоем всемогущем подходе, который магическим образом устраняет сложность программирования. Как замечали многие, в том числе упомянутые выше Брукс и Дейкстра, «серебряной пули не существует» - независимо от того, какой парадигмы программирования придерживается разработчик, создание нетривиальной сложной программной системы всегда сопряжено со значительными затратами интеллектуальных ресурсов и времени. Из наиболее квалифицированных специалистов в области ООП никто, как правило, не отрицает справедливость критики этого типа. Оспаривание эффективности разработки методами ООП Критики оспаривают тезис о том, что разработка объектно-ориентированных программ требует меньше ресурсов или приводит к созданию более качественного ПО. Проводится сравнение затрат на разработку разными методами, на основании которого делается вывод об отсутствии у ООП преимуществ в данном направлении. Учитывая крайнюю сложность объективного сравнения различных разработок, подобные сопоставления, как минимум, спорны. С другой стороны, получается, что ровно так же спорны и утверждения об эффективности ООП. Производительность объектно-ориентированных программ Указывается на то, что целый ряд «врождённых особенностей» ООП-технологии делает построенные на её основе программы технически менее эффективными, по сравнению с аналогичными необъектными программами. Не отрицая действительно имеющихся дополнительных накладных расходов на организацию работы ООП-программ (см. раздел «Производительность» выше), нужно, однако, отметить, что значение снижения производительности часто преувеличивается критиками. В современных условиях, когда технические возможности компьютеров чрезвычайно велики и постоянно растут, для большинства прикладных программ техническая эффективность оказывается менее существенна, чем функциональность, скорость разработки и сопровождаемость. Лишь для некоторого, очень ограниченного класса программ (ПО встроенных систем, драйверы устройств, низкоуровневая часть системного ПО, научное ПО) производительность остаётся критическим фактором. Критика отдельных технологических решений в ООП-языках и библиотеках Эта критика многочисленна, но затрагивает она не ООП как таковое, а приемлемость и применимость в конкретных случаях тех или иных реализаций её механизмов. Одним из излюбленных объектов критики является язык C++, входящий в число наиболее распространённых промышленных ООП-языков.

Объектно-ориентированные языки

Многие современные языки специально созданы для облегчения объектно-ориентированного программирования. Однако следует отметить, что можно применять техники ООП и для не-объектно-ориентированного языка и наоборот, применение объектно-ориентированного языка вовсе не означает, что код автоматически становится объектно-ориентированным.

Как правило, объектно-ориентированный язык (ООЯ) содержит следующий набор элементов:

Объявление классов с полями (данными - членами класса) и методами (функциями - членами класса).
Механизм расширения класса (наследования) - порождение нового класса от существующего с автоматическим включением всех особенностей реализации класса-предка в состав класса-потомка. Большинство ООЯ поддерживают только единичное наследование.
Полиморфные переменные и параметры функций (методов), позволяющие присваивать одной и той же переменной экземпляры различных классов.
Полиморфное поведение экземпляров классов за счёт использования виртуальных методов. В некоторых ООЯ все методы классов являются виртуальными.

Некоторые языки добавляют к указанному минимальному набору те или иные дополнительные средства. В их числе:

Конструкторы, деструкторы, финализаторы;
Свойства (аксессоры);
Индексаторы;
Средства управления видимостью компонентов классов (интерфейсы или модификаторы доступа, такие как public, private, protected, feature и др.).

Одни языки отвечают принципам ООП в полной мере - в них все основные элементы являются объектами, имеющими состояние и связанные методы. Примеры подобных языков - Smalltalk , Eiffel . Существуют гибридные языки, совмещающие объектную подсистему в целостном виде с подсистемами других парадигм как «два и более языка в одном», позволяющие совмещать в одной программе объектные модели с иными, и размывающие грань между объектно-ориентированной и другими парадигмами за счёт нестандартных возможностей, балансирующих между ООП и другими парадигмами (таких как множественная диспетчеризация , параметрические классы, возможность манипулировать методами классов как самостоятельными объектами, и др.). Примеры таких языков: CLOS , Dylan , OCaml , Python , Ruby , Objective-C . Однако, наиболее распространены языки, включающие средства эмуляции объектной модели поверх более традиционной императивной семантики. Алан Кэй назвал такие языки «склеиванием возможностей» (англ. agglutination of features ) в противовес «чистоте стиля» (англ. crystalization of style ) языков, воплощающих некую парадигму непосредственно . Примеры таких языков -