пример инкапсуляции в жизни
ООП с примерами (часть 2)
Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть, представленная ниже, иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Инкапсуляция
Представим на минутку, что мы оказались в конце позапрошлого века, когда Генри Форд ещё не придумал конвейер, а первые попытки создать автомобиль сталкивались с критикой властей по поводу того, что эти коптящие монстры загрязняют воздух и пугают лошадей. Представим, что для управления первым паровым автомобилем необходимо было знать, как устроен паровой котёл, постоянно подбрасывать уголь, следить за температурой, уровнем воды. При этом для поворота колёс использовать два рычага, каждый из которых поворачивает одно колесо в отдельности. Думаю, можно согласиться с тем, что вождение автомобиля того времени было весьма неудобным и трудным занятием.
Теперь вернёмся в сегодняшний день к современным чудесам автопрома с коробкой-автоматом. На самом деле, по сути, ничего не изменилось. Бензонасос всё так же поставляет бензин в двигатель, дифференциалы обеспечивают поворот колёс на различающиеся углы, коленвал превращает поступательное движение поршня во вращательное движение колёс. Прогресс в другом. Сейчас все эти действия скрыты от пользователя и позволяют ему крутить руль и нажимать на педаль газа, не задумываясь, что в это время происходит с инжектором, дроссельной заслонкой и распредвалом. Именно сокрытие внутренних процессов, происходящих в автомобиле, позволяет эффективно его использовать даже тем, кто не является профессионалом-автомехаником с двадцатилетним стажем. Это сокрытие в ООП носит название инкапсуляции.
Инкапсуляция – это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе и скрыть детали
реализации от пользователя.
Инкапсуляция неразрывно связана с понятием интерфейса класса. По сути, всё то, что не входит в интерфейс, инкапсулируется в классе.
Абстракция
Представьте, что водитель едет в автомобиле по оживлённому участку движения. Понятно, что в этот момент он не будет задумываться о химическом составе краски автомобиля, особенностях взаимодействия шестерён в коробке передач или влияния формы кузова на скорость (разве что, автомобиль стоит в глухой пробке и водителю абсолютно нечем заняться). Однако, руль, педали, указатель поворота (ну и, возможно, пепельницу) он будет использовать регулярно.
Абстрагирование – это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения незначимые. Соответственно, абстракция – это набор всех таких характеристик.
Если бы для моделирования поведения автомобиля приходилось учитывать химический состав краски кузова и удельную теплоёмкость лампочки подсветки номеров, мы никогда бы не узнали, что такое NFS.
Полиморфизм
Любое обучение вождению не имело бы смысла, если бы человек, научившийся водить, скажем, ВАЗ 2106 не мог потом водить ВАЗ 2110 или BMW X3. С другой стороны, трудно представить человека, который смог бы нормально управлять автомобилем, в котором педаль газа находится левее педали тормоза, а вместо руля – джойстик.
Всё дело в том, что основные элементы управления автомобиля имеют одну и ту же конструкцию и принцип действия. Водитель точно знает, что для того, чтобы повернуть налево, он должен повернуть руль, независимо от того, есть там гидроусилитель или нет.
Если человеку надо доехать с работы до дома, то он сядет за руль автомобиля и будет выполнять одни и те же действия, независимо от того, какой именно тип автомобиля он использует. По сути, можно сказать, что все автомобили имеют один и тот же интерфейс, а водитель, абстрагируясь от сущности автомобиля, работает именно с этим интерфейсом. Если водителю предстоит ехать по немецкому автобану, он, вероятно выберет быстрый автомобиль с низкой посадкой, а если предстоит возвращаться из отдалённого маральника в Горном Алтае после дождя, скорее всего, будет выбран УАЗ с армейскими мостами. Но, независимо от того, каким образом будет реализовываться движение и внутреннее функционирование машины, интерфейс останется прежним.
Полиморфизм – это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.
Например, если вы читаете данные из файла, то, очевидно, в классе, реализующем файловый поток, будет присутствовать метод похожий на следующий: byte[] readBytes( int n );
Предположим теперь, что вам необходимо считывать те же данные из сокета. В классе, реализующем сокет, также будет присутствовать метод readBytes. Достаточно заменить в вашей системе объект одного класса на объект другого класса, и результат будет достигнут.
При этом логика системы может быть реализована независимо от того, будут ли данные прочитаны из файла или получены по сети. Таким образом, мы абстрагируемся от конкретной специализации получения данных и работаем на уровне интерфейса. Единственное требование при этом – чтобы каждый используемый объект имел метод readBytes.
Наследование
Представим себя, на минуту, инженерами автомобильного завода. Нашей задачей является разработка современного автомобиля. У нас уже есть предыдущая модель, которая отлично зарекомендовала себя в течение многолетнего использования. Всё бы хорошо, но времена и технологии меняются, а наш современный завод должен стремиться повышать удобство и комфорт выпускаемой продукции и соответствовать современным стандартам.
Нам необходимо выпустить целый модельный ряд автомобилей: седан, универсал и малолитражный хэтч-бэк. Очевидно, что мы не собираемся проектировать новый автомобиль с нуля, а, взяв за основу предыдущее поколение, внесём ряд конструктивных изменений. Например, добавим гидроусилитель руля и уменьшим зазоры между крыльями и крышкой капота, поставим противотуманные фонари. Кроме того, в каждой модели будет изменена форма кузова.
Очевидно, что все три модификации будут иметь большинство свойств прежней модели (старый добрый двигатель 1970 года, непробиваемая ходовая часть, зарекомендовавшая себя отличным образом на отечественных дорогах, коробку передач и т.д.). При этом каждая из моделей будет реализовать некоторую новую функциональность или конструктивную особенность. В данном случае, мы имеем дело с наследованием.
Наследование – это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым или родительским. Новый класс – потомком, наследником или производным классом.
Необходимо отметить, что производный класс полностью удовлетворяет спецификации родительского, однако может иметь дополнительную функциональность. С точки зрения интерфейсов, каждый производный класс полностью реализует интерфейс родительского класса. Обратное не верно.
Действительно, в нашем примере мы могли бы произвести с новыми автомобилями все те же действия, что и со старым: увеличить или уменьшить скорость, повернуть, включить сигнал поворота. Однако, дополнительно у нас бы появилась возможность, например, включить противотуманные фонари.
Отсутствие обратной совместимости означает, что мы не должны ожидать от старой модели корректной реакции на такие действия, как включения противотуманок (которых просто нет в данной модели).
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++.
ООП. Часть 3. Модификаторы доступа, инкапсуляция
Классы, методы и поля не всегда могут постоять за себя. Рассказываем, как быть защитником в объектно-ориентированном программировании.
Инкапсуляция (от лат. in capsule — в оболочке) — это заключение данных и функционала в оболочку. В объектно-ориентированном программировании в роли оболочки выступают классы: они не только собирают переменные и методы в одном месте, но и защищают их от вмешательства извне (сокрытие).
Важно! Инкапсуляция не является сокрытием. Сокрытие — это часть инкапсуляции.
Это может быть достаточно сложной концепцией для понимания. Поэтому, чтобы быстрее разобраться, в этой статье мы рассмотрим инкапсуляцию на примере уровней доступа.
Все статьи про ООП
Пишет о разработке сайтов, в свободное время создает игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.
Модификатор доступа public
Первый уровень, с которым сталкиваются все разработчики, — публичный. Чтобы сказать компилятору, что что-то должно быть доступно для всех, используется ключевое слово public.
Рассмотрим на примере класса Item:
Объявив экземпляр этого класса, можно обращаться к любым его полям в любом месте программы, где доступен сам объект (речь о локальных и глобальных переменных).
Так как поля публичные, в консоли они отобразятся без каких-либо проблем:
Это удобно, потому что можно в любой момент выполнить любое действие над объектом и его данными. Но в этом и кроется проблема: объект становится беззащитен перед любым вмешательством. Например, можно просто взять и изменить его цену:
Из-за того, что поле публичное, оно изменится:
Это плохо по нескольким причинам:
Разумеется, это не лучшее, что может случиться с приложением.
Модификатор доступа private
Чтобы поля были защищены от вмешательства, используется ключевое слово private — оно делает члены класса доступными только внутри самого класса.
Теперь эти поля нельзя будет изменить нигде, кроме как в методах этого класса. Но и получить их значение извне тоже не получится, а попытка вывести приведёт к ошибке:
Есть два способа сделать поле доступным только для чтения. Первый — использовать ключевое слово readonly, но оно запрещает менять значение вообще.
Второй способ заключается в том, чтобы передавать значения приватного члена класса через публичный. Например, с помощью методов:
К такой практике прибегают Java-разработчики, но в C# есть более элегантный способ — свойства.
Теперь, чтобы получить данные, нужно обратиться к свойству, а не к полю:
Преимущество этого в том, что можно разрешить получать данные, но запретить их менять. То есть прописать только геттер:
Обратите внимание, что можно просто написать set; или get; если не требуется дополнительная логика. Это сработает, если у поля и свойства одинаковые имена и если это примитивный тип (int, float, char, double и другие). Со ссылочными типами (объекты и строки) это не работает.
Также можно менять логику работы со значением:
Здесь поле будет изменено только в том случае, если ему пытаются указать значение, которое выше нуля.
То есть если запустить вот такой код:
Также можно создавать свойства без поля:
Это свойство вернёт true, если цена выше 5000, и false, если ниже.
Ключевое слово private можно также применять и к методам. Это делает их доступными только внутри класса.
Также приватным можно сделать сам класс, если он находится внутри другого класса:
Модификатор доступа internal
Иногда нужно сделать компонент доступным только внутри одного файла — например, в Program.cs, Item.cs или любом другом. Для этого используется ключевое слово internal.
Класс Backpack можно будет использовать только внутри файла Program.cs, и попытка объявить его внутри другого файла приведёт к ошибке.
Ключевое слово static
Статичность относится не совсем к уровням доступа, но тоже помогает заключить реализацию функционала в оболочку класса. Статичность позволяет обращаться к методам или полям, не создавая объект.
Метод Sum () используется в классе Program, хотя экземпляр класса Calc не создавался. При этом можно сделать статичным как отдельный метод или свойство, так и весь класс. В этом случае все поля и методы тоже должны быть статичными.
Это может быть нужно, чтобы создать набор инструментов, который будет использоваться в других частях программы. Хороший пример — класс Console, который тоже является статичным.
Другой пример — класс Math. Его можно использовать, чтобы выполнять различные математические операции (получение квадратного корня, модуляция, получение синуса, косинуса и так далее). У него много методов, а также он хранит различные константы вроде числа пи.
Домашнее задание
Напишите класс GameObject, в котором будут храниться координаты объекта. Координаты должны быть доступны для чтения, а их изменение должно происходить в методе Move ().
Заключение
Есть и другие ключевые слова:
Они будут рассмотрены в статье о наследовании.
Большая часть курса «Профессия С#-разработчик» посвящена именно ООП —
не только теории, но и практике. Вы научитесь писать программы, подбирая нужные инструменты — от инкапсуляции до полиморфизма. К концу курса у вас будет портфолио из нескольких проектов, а также все знания и навыки, которые нужны для получения первой работы.
Профессия С#-разработчик
130 часов — и вы научитесь писать программы на языке, созданном Microsoft. Вы создадите 5 проектов для портфолио, даже если до этого никогда не программировали. После обучения — гарантированное трудоустройство.
Что такое инкапсуляция в Java?
Инкапсуляция в Java – это принцип объединения данных (переменных) и кода в единое целое. Это одна из четырех концепций ООП. Другие три – это Наследование, Полиморфизм и Абстракция.
Инкапсуляция на примере
Чтобы понять, что такое инкапсуляция, рассмотрим следующий класс банковских счетов с методами депозита и отображения баланса.
Обычно переменные в классе устанавливаются как «частные», как показано ниже. Доступ к нему можно получить только с помощью методов, определенных в классе. Никакой другой класс или объект не может получить к ним доступ.
Если элемент данных является закрытым, это означает, что доступ к нему возможен только в пределах одного класса. Никакой внешний класс не может получить доступ к частному члену данных или переменной другого класса.
Но реализация метода имеет проверку на отрицательные значения. Таким образом, второй подход также терпит неудачу.
Таким образом, вы никогда не подвергаете свои данные внешней стороне. Что делает ваше приложение безопасным.
Весь код можно представить как капсулу, и вы можете общаться только через сообщения. Отсюда и название инкапсуляции.
Сокрытие данных в Java
Часто инкапсуляция Java называется скрытием данных. Но концепция инкапсуляции не просто скрывает данные, она предназначена для лучшего управления или группировки связанных данных.
Чтобы добиться меньшей степени инкапсуляции в Java, вы можете использовать такие модификаторы, как «protected» или «public». Благодаря инкапсуляции разработчики могут легко изменять одну часть кода, не затрагивая другую.
Методы получения и установки в Java
Если элемент данных объявлен как «закрытый», то доступ к нему возможен только в пределах одного класса. Никакой внешний класс не может получить доступ к данным члена этого класса. Если вам нужен доступ к этим переменным, вы должны использовать публичные методы «getter» и «setter».
Методы Getter и Setter используются для создания, изменения, удаления и просмотра значений переменных.
Следующий код является примером методов получения и установки:
В приведенном выше примере метод getBalance() – это метод получения, который считывает значение переменной account_balance, а метод setNumber() – это метод установки, который устанавливает или обновляет значение для переменной account_number.
Абстракция и Инкапсуляция – разница
Часто инкапсуляция неправильно понимается как абстракция. Давай учиться-
Простым примером, чтобы понять эту разницу, является мобильный телефон. Где сложная логика в печатной плате инкапсулирована в сенсорном экране, и интерфейс предоставлен, чтобы абстрагировать ее.
Просто о сложном: что такое объектно-ориентированное программирование (ООП)?
Объектно-ориентированное программирование — это шаблон проектирования ПО, позволяющий решать задачи разработчика с точки зрения взаимодействия объектов. При этом большая часть объектно-ориентированных языков, например, Ruby, Python, Java, C++ наследуют на основе классов. Если говорить о JavaScript, то в нём ООП реализуется через прототипное наследование.
Наиболее удачное и популярное определение ООП звучит следующим образом — это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности ряда объектов, причём каждый из этих объектов — это экземпляр определённого класса.
На сегодняшний день ООП — наиболее распространённый метод разработки ПО. Но использование этого метода предполагает понимание ряда принципов. О них и поговорим.
Сущность, определения и принципы ООП
Для освоения этих методов разработки вы должны знать четыре главные особенности. Вместе они образуют сущность данного программирования. А понимание сущности ООП, как известно, не что иное, как ключ к становлению профессионального и успешного разработчика. Давайте рассмотрим эти определения подробнее.
Наследование
Это механизм, позволяющий описать новый класс на основании родительского (существующего). Причём функциональность и свойства родительского класса заимствуются новым.
Иными словами, когда вы применяете наследование в программировании, отпадает необходимость реализовывать общий базовый функционал прочих классов, так как вполне достаточно применить наследование, благодаря которому ваш класс сразу будет обладать нужными родительскими знаниями.
При этом сам механизм довольно гибок, поэтому недостающую в потомках функциональность всегда можно дописать отдельно.
Абстракция
Тут всё предельно просто. При абстракции выделяются главные и наиболее значимые характеристики предмета, одновременно с этим отбрасываются второстепенные и незначительные.
Простой пример: представьте, что мы создаём картотеку сотрудников компании. Естественно, мы вносим их основные характеристики: дату рождения, ИНН, ФИО, номер социального страхования. Разумеется, нас не интересуют ни рост, ни цвет глаз, ни длина волос. То есть мы абстрагируемся от ненужной информации.
А что если нужно создать картотеку модельного агентства? Согласитесь, что здесь ситуация кардинально меняется и вряд ли нам понадобится индивидуальный номер налогоплательщика, а вот данные о внешности будут очень кстати.
Инкапсуляция
Этот термин для объектно-ориентированного программирования означает ограничение доступа к каким-либо данным, то есть ограничивается возможность изменения этих самых данных. Проще говоря, есть «капсула», в которую мы «прячем» важные параметры, когда не хотим, чтобы кто-либо их менял.
Поясним термин на примере вашего имени. Его знают друзья, коллеги, родственники. Но они не могут изменить ваше имя, т. к., согласно методу ООП, у них нет к этому доступа. Всё потому, что изменения «инкапсулированы» в паспортном столе и только вы сами можете что-либо подправить. Пример инкапсуляции в объектно-ориентированном программировании — модификаторы доступа, геттеры-сеттеры и т. д.
Полиморфизм
Полиморфизм позволяет работать с несколькими типами таким образом, как будто это один и тот же тип. И поведение объектов в данном случае будет разным и зависит от того, к какому типу они принадлежат. В общем, полиморфизм указывает, какую версию метода текущего объекта необходимо запустить. Также полиморфизмом называют способность функции обрабатывать данные разных типов. Пример — автомат на вокзале, принимающий для оплаты как наличные, так и банковские карты.
Причины появления объектно-ориентированного программирования
Некоторые задаются вопросом, а почему вообще возник метод ООП? Вроде бы и работающие инструменты у программистов были, и процедурные языки, и методов реализации хватало.
Тем не менее пришло время, когда без ООП стало невозможно быстро и качественно решать поставленные задачи. Во многом это связано с усложнением этих самых задач. Усложнились типы данных, возникла необходимость делить задачу на части. В итоге программы стали представлять собой древа с кучей ветвлений и вариантов работы. Реализовать всё это, используя лишь процедурное программирование, стало весьма сложным и малореалистичным.