Что значит инкапсуляция в ооп

Инкапсуляция в Си++ и Си

Определение

Инкапсуляция это набор инструментов для управления доступом к данным или методам которые управляют этими данными. С детальным определением термина “инкапсуляция” можно ознакомиться в моей предыдущей публикации на Хабре по этой ссылке. Эта статья сфокусирована на примерах инкапсуляции в Си++ и Си.

Инкапсуляция в Си++

По умолчанию, в классе ( class ) данные и методы приватные ( private ); они могут быть прочитаны и изменены только классом к которому принадлежат. Уровень доступа может быть изменен при помощи соответствующих ключевых слов которые предоставляет Си++.

В Си++ доступно несколько спецификаторов, и они изменяют доступ к данным следующим образом:

Для краткости, только два уровня (приватный и публичный) будут освещены в примерах.

Пример инкапсуляции

Попытка напечатать или изменить приватную переменную mobile_number из основной программы ( main ) вызовет ошибку при компиляции потому как доступ к приватным данным в классе ограничен.

Нарушение инкапсуляции с Друзьями (Хорошая практика)

В Си++ присутствует ключевое слово “друг” ( friend ) которое позволяет добавить исключения в общие правила доступа к данным. Если функция или класс названы другом ( friend ) класса Contact — они получают свободный доступ к защищенным или приватным данным.

Существует два основных правила дружбы — дружба не наследуется и не взаимна. Также, наличие “друзей” не изменяет уровень защищенности данных — приватные данные остаются приватными с исключением в виде “друга”.

Примечание: друзьями лучше не злоупотреблять. Добавление друга стоит рассматривать как исключение, не как общую практику.

Нарушение инкапсуляции с Преобразованием типов и Указателями (Плохая практика)

Прежде всего, стоит заметить что использовать указатели и преобразование типов таким способом — плохая идея. Этот способ не гарантирует получения нужных данных. Он плохо читается и плохо поддерживается. Невзирая на это, он существует.

Си++ получил в наследство от Си множество инструментов, один из которых — преобразование типов ( typecasting ). По умолчанию, все переменные и методы в классе приватные. В то же время, стандартный уровень доступа к данным в структуре ( struct ) — публичный. Возможно создать структуру или полностью публичный класс в котором данные будут расположены идентично данным в классе Contact и используя преобразование типов получить доступ к приватным данным.

Приватные данные были прочитаны и изменены благодаря преобразованию типов

Инкапсуляция в Си

Традиционно считается что инкапсуляция — один из ключевых ООП принципов. Тем не менее, это не лимитирует использование этого принципа в процедурно-ориентированных языках. В Си, инкапсуляция используется давно, невзирая на отсутствие ключевых слов “приватный” и “публичный”.

Приватные переменные

В данном примере, структура была определена в отдельном исходном файле “private_var.c”. Поскольку инициализация структуры в Си требует выделения и освобождения памяти, несколько вспомогательных функций были добавлены.

В соответствующем заголовочном файле «private_var.h», структура Contact была объявлена, но ее содержание осталось скрытым для основной программы.

Таким образом, для “main.c” содержание структуры неизвестно и попытки прочитать или изменить приватные данные вызовут ошибку при компиляции.

Получение доступа к приватным переменным с Указателями

Преобразование типов может быть использовано для преодоления инкапсуляции в Си также как и в Си++, но данный подход уже был описан. Зная, что в структуре данные расположены в порядке их декларации, указатели и арифметика указателей подойдет для достижения цели.

Доступ к переменным в структуре ограничен. Тем не менее, спрятаны только переменные, не память в которой хранятся данные. Указатели можно рассматривать как ссылку на адрес памяти, и если эта память доступна программе — данные сохраненные в этой памяти можно прочитать и изменить. Если указатель назначен на память в которой структура хранит свои данные — их можно прочитать. Используя то же определение структуры (те же “.c” и “.h” файлы) и модифицированный “main.c” файл, ограничение доступа было преодолено.

Данные в структуре были прочитаны и модифицированы

Приватные функции

Функции, будучи внешними ( extern ) по умолчанию, видимы во всей так называемой единице трансляции ( translation unit ). Другими словами, если несколько файлов скомпилированы вместе в один объектный файл, любой из этих файлов сможет получить доступ к любой функции из любого другого файла. Использование ключевого слова “статический” ( static ) при создании функции ограничит ее видимость до файла в котором она была определена.Следовательно, для обеспечения приватности функции необходимо выполнить несколько шагов:

В соответствующем заголовочном файле «private_funct.h», print_numbers() была декларирована как статическая функция.

Получение доступа к приватным функциям

Вызвать функцию print_numbers() из основной программы возможно. Для этого можно использовать ключевое слово goto или передавать в main указатель на приватную функцию. Оба способа требуют изменений либо в исходном файле “private_funct.c”, либо непосредственно в теле самой функции. Поскольку эти методы не обходят инкапсуляцию а отменяют её, они выходят за рамки этой статьи.

Заключение

Инкапсуляция существует за пределами ООП языков. Современные ООП языки делают использование инкапсуляции удобным и естественным. Существует множество способов обойти инкапсуляцию и избежание сомнительных практик поможет ее сохранить как в Си, так и в Си++.

Источник

Что значит инкапсуляция в ооп

ООП – парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов. 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; то есть возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию. Первым языком программирования, в котором были предложены принципы объектной ориентированности, была Симула. В момент своего появления (в 1967 году), этот язык программирования предложил поистине революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Тем не менее, большинство концепций были развиты Аланом Кэйем и Дэном Ингаллсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования. (C#, C++, Java, Ruby, PHP, Perl, Python). ООП дает возможность создавать расширяемые системы (extensible systems). Это одно из самых значительных достоинств ООП и именно оно отличает данный подход от традиционных методов программирования. Расширяемость (extensibility) означает, что существующую систему можно заставить работать с новыми компонентами, причем без внесения в нее каких-либо изменений. Компоненты могут быть добавлены на этапе выполнения. Smalltalk — объектно-ориентированный язык программирования с динамической типизацией, разработанный в Xerox PARC Аланом Кэйем, Дэном Ингаллсом, Тедом Кэглером, Адель Голдберг, и другими в 1970-х годах. Язык был представлен как Smalltalk-80. Smalltalk оказал большое влияние на развитие многих других языков, таких как: Objective-C, Actor, Java, Groovy и Ruby. Многие идеи 1980-х и 1990-х по написанию программ появились в сообществе Smalltalk. К ним можно отнести рефакторинг, шаблоны проектирования (применительно к ПО), карты «класс — обязанности — взаимодействие» и экстремальное программирование в целом. Си — язык программирования, разработанный в 1969—1973 годах сотрудниками Bell Labs Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи как развитие языка Би. Благодаря близости по скорости выполнения программ, написанных на Си, к языку ассемблера, этот язык получил широкое применение при создании системного программного обеспечения и прикладное программное обеспечение для решения широко круга задач. Язык программирования Си оказал существенное влияние на развитие индустрии программного обеспечения, а его синтаксис стал основой для таких языков программирования как C++, C# и Java.

Основные понятия ООП: абстракция, инкапсуляция, наследование, полиморфизм.

Абстракция – это придание объекту характеристик, которые чётко определяют его концептуальные границы, отличая от всех других объектов. Основная идея состоит в том, чтобы отделить способ использования составных объектов данных от деталей их реализации в виде более простых объектов, подобно тому, как функциональная абстракция разделяет способ использования функции и деталей её реализации в терминах более примитивных функций, таким образом, данные обрабатываются функцией высокого уровня с помощью вызова функций низкого уровня. (Пример: говорить о предметах, не упоминая материалы, из которых они сделаны). Абстракция позволяет задействовать концепцию, игнорируя ее некоторые детали и работая с разными деталями на разных уровнях. Имея дело с составным объектом, вы имеете дело с абстракцией. Если вы рассматриваете объект как «дом», а не как комбинацию стекла, древесины и гвоздей, вы прибегаете к абстракции. Если вы рассматриваете множество домов как «город», вы прибегаете к другой абстракции. Базовые классы представляют собой абстракции, позволяющие концентрироваться на общих атрибутах производных классов и игнорировать детали конкретных классов при работе с базовым классом. Удачный интерфейс класса — это абстракция, позволяющая сосредоточиться на интерфейсе, не беспокоясь о внутренних механизмах работы класса. Мы используем абстракции на каждом шагу. Если б, открывая или закрывая дверь, вы должны были иметь дело с отдельными волокнами древесины, молекулами лака и стали, вы вряд ли смогли бы войти в дом или выйти из него. Абстракция — один из главных способов борьбы со сложностью реального мира. Слой абстрагирования (или уровень абстракции) — это способ уйти от деталей реализации конкретного множества функций.

Инкапсуляция – скрытие методов и переменных от других методов или переменных или других частей программы. Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих целях:

Когда абстракция нас покидает, на помощь приходит инкапсуляция. Абстракция говорит: «Вы можете рассмотреть объект с общей точки зрения». Инкапсуляция добавляет: «Более того, вы не можете рассмотреть объект с иной точки зрения». Продолжим нашу аналогию: инкапсуляция позволяет вам смотреть на дом, но не дает подойти достаточно близко, чтобы узнать, из чего сделана дверь. Инкапсуляция позволяет вам знать о существовании двери, о том, открыта она или заперта, но при этом вы не можете узнать, из чего она сделана (из дерева, стекловолокна, стали или другого материала), и уж никак не сможете рассмотреть отдельные волокна древесины.

(Абстрактный класс белым цветом)

Как имитировать множественное наследование?

Полиморфизм – возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию (использование одного имени для решения двух или более схожих, но технически разных задач). Если функция описывает разные реализации (возможно, с различным поведением) для ограниченного набора явно заданных типов и их комбинаций, это называется ситуативным полиморфизмом (ad hoc polymorphism). Ситуативный полиморфизм поддерживается во многих языках посредством перегрузки функций и методов. Если же код написан отвлеченно от конкретного типа данных и потому может свободно использоваться с любыми новыми типами, имеет место параметрический полиморфизм. Некоторые языки совмещают различные формы полиморфизма, порой сложным образом, что формирует самобытную идеологию в них и влияет на применяемые методологии декомпозиции задач. Например, в Smalltalk любой класс способен принять сообщения любого типа, и либо обработать его самостоятельно (в том числе посредством интроспекции), либо ретранслировать другому классу — таким образом, несмотря на широкое использование перегрузки функций, формально любая операция является неограниченно полиморфной и может применяться к данным любого типа.

Другие понятия ООП

Конструктор

В объектно-ориентированном программировании конструктор класса (от англ. constructor, иногда сокращают ctor) — специальный блок инструкций, вызываемый при создании объекта. Конструктор схож с методом, но отличается от метода тем, что не имеет явным образом определённого типа возвращаемых данных, не наследуется, и обычно имеет различные правила для рассматриваемых модификаторов. Конструкторы часто выделяются наличием одинакового имени с именем класса, в котором объявляется. Их задача — инициализировать члены объекта и определить инвариант класса, сообщив в случае некорректности инварианта. Корректно написанный конструктор оставит объект в «правильном» состоянии. Неизменяемые объекты тоже должны быть проинициализированы конструктором. В большинстве языков конструктор может быть перегружен, что позволяет использовать несколько конструкторов в одном классе, причём каждый конструктор может иметь различные параметры.

Деструктор

Вызывается при уничтожении объекта. Он обычно используется для освобождения памяти.

Виртуальный метод

В объектно-ориентированном программировании метод (функция) класса, который может быть переопределён в классах-наследниках так, что конкретная реализация метода для вызова будет определяться во время исполнения. Таким образом, программисту не обязательно знать точный тип объекта для работы с ним через виртуальные методы: достаточно лишь знать, что объект принадлежит классу или наследнику класса, в котором метод объявлен. Виртуальные методы — один из важнейших приёмов реализации полиморфизма. Они позволяют создавать общий код, который может работать как с объектами базового класса, так и с объектами любого его класса-наследника. При этом базовый класс определяет способ работы с объектами и любые его наследники могут предоставлять конкретную реализацию этого способа. В некоторых языках программирования, например в Java, нет понятия виртуального метода, данное понятие следует применять лишь для языков, в которых методы родительского класса не могут быть переопределены по умолчанию, а только с помощью некоторых вспомогательных ключевых слов. В некоторых же (как, например, в Python), все методы — виртуальные. Базовый класс может и не предоставлять реализации виртуального метода, а только декларировать его существование. Такие методы без реализации называются «чистыми виртуальными» (перевод англ. pure virtual) или абстрактными. Класс, содержащий хотя бы один такой метод, тоже будет абстрактным. Объект такого класса создать нельзя (в некоторых языках допускается, но вызов абстрактного метода приведёт к ошибке). Наследники абстрактного класса должны предоставить реализацию для всех его абстрактных методов, иначе они, в свою очередь, будут абстрактными классами. Для каждого класса, имеющего хотя бы один виртуальный метод, создаётся таблица виртуальных методов. Каждый объект хранит указатель на таблицу своего класса. Для вызова виртуального метода используется такой механизм: из объекта берётся указатель на соответствующую таблицу виртуальных методов, а из неё, по фиксированному смещению, — указатель на реализацию метода, используемого для данного класса. При использовании множественного наследования ситуация несколько усложняется за счёт того, что таблица виртуальных методов становится нелинейной. Принцип единственной обязанности (Single responsibility principle) обозначает, что каждый объект должен иметь одну обязанность и эта обязанность должна быть полностью инкапсулирована в класс. Все его сервисы должны быть направлены исключительно на обеспечение этой обязанности.

В чем плюсы и минусы ООП?

Общие положения

Полиморфизм

Инкапсуляция

Наследование

Источник

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.

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):

В картинках я буду использовать такие обозначения:

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

Анимация №1

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.

(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.

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.

Анимация №2

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()).

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.

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».

Анимация №3

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:

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):

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:

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.

Анимация №4

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.

(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:

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.

Источник