Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.
В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем объекты и отношения некоторых интересующих нас классов из окружающего нас мира. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.
В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.
При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать информацию от компьютера.
В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал реляционный (процедурный, функциональный и т.п.) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС.
В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов.
С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов):
· объекты модельного (вещественного или умственного) мира,
· информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами),
· объекты процесса выполнения программ,
· объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования).
Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой.
Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические («объектные») черты:
· использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы,
· декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС,
· использование внепрограммных абстракций для упрощения процессов разработки,
· предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций.
Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.
Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.
В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем объекты и отношения некоторых интересующих нас классов из окружающего нас мира. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.
В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.
При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать информацию от компьютера.
В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал реляционный (процедурный, функциональный и т.п.) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС.
В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов.
С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов):
· объекты модельного (вещественного или умственного) мира,
· информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами),
· объекты процесса выполнения программ,
· объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования).
Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой.
Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические («объектные») черты:
· использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы,
· декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС,
· использование внепрограммных абстракций для упрощения процессов разработки,
· предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций.
Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.
Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств
Лекция 9.
ОЪЕКТНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ
ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.
В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем объекты и отношения некоторых интересующих нас классов из окружающего нас мира. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.
В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.
При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать (или захотеть получать) информацию от компьютера.
В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал функциональный (реляционный) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС.
В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов.
С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов):
· объекты модельного (вещественного или умственного) мира,
· информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами),
· объекты процесса выполнения программ,
· объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования).
Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой.
Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические («объектные») черты:
· использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы,
· декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС,
· использование внепрограммных абстракций для упрощения процессов разработки,
· предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций.
Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.
Отношения классов — от UML к коду
Введение
Диаграмма классов UML позволяет обозначать отношения между классами и их экземплярами. Для чего они нужны? Они нужны, например, для моделирования прикладной области. Но как отношения отражаются в программном коде? Данное небольшое исследование пытается ответить на этот вопрос — показать эти отношения в коде.
Сначала попробуем прояснить, как относятся друг к другу отношения между классами в UML. Используя различные источники удалось построить следующую структурную схему, демонстрирующую разновидности отношений:
Рис. 1 — Отношения между классами
Ассоциации имеют навигацию: двунаправленную или однонаправленную, указывающую на направление связи. То есть у каждого вида ассоциации еще есть два подвида, которое на рисунке не показаны.
1. Обобщение
Итак, наша цель — построить UML-диаграмму классов (Class Model), а затем отразить ее в объектно-ориентированном коде.
В качестве прикладной области возьмем отдел кадров некого предприятия и начнем строить его модель. Для примеров будем использовать язык Java.
Отношение обобщения — это наследование. Это отношение хорошо рассматривается в каждом учебнике какому-либо ООП языку. В языке Java имеет явную реализацию через расширение(extends) одного класса другим.
Рис. 2 — Отношение обобщения
Класс «Man»(человек) — более абстрактный, а «Employee»(сотрудник) более специализированный. Класс «Employee» наследует свойства и методы «Man».
Попробуем написать код для этой диаграммы:
2. Ассоциация
2.1 Бинарная
В модель добавили класс «IdCard», представляющий идентификационную карточку(пропуск) сотрудника. Каждому сотруднику может соответствовать только одна идентификационная карточка, мощность связи 1 к 1.
Рис. 3 — Бинарная ассоциация
В теле программы создаем объекты и связываем их:
Класс Employee имеет поле card, у которого тип IdCard, так же класс имеет методы для присваивания значения(setIdCard) этому полю и для
получения значения(getIdCard). Из экземпляра объекта Employee мы можем узнать о связанном с ним объектом типа IdCard, значит
навигация (стрелочка на линии) направлена от Employee к IdCard.
2.2 N-арная ассоциация
Представим, что в организации положено закреплять за работниками помещения. Добавляем новый класс Room.
Каждому объекты работник(Employee) может соответствовать несколько рабочих помещений. Мощность связи один-ко-многим.
Навигация от Employee к Room.
Рис. 4 — N-арная ассоциация
Теперь попробуем отразить это в коде. Новый класс Room:
Добавим в класс Employee поле и методы для работы с Room:
2.3 Агрегация
Введем в модель класс Department(отдел) — наше предприятие структурировано по отделам. В каждом отделе может работать один или более человек. Можно сказать, что отдел включает в себя одного или более сотрудников и таким образом их агрегирует. На предприятии могут быть сотрудники, которые не принадлежат ни одному отделу, например, директор предприятия.
Рис. 5 — Агрегация
Итак, наш класс, помимо конструктора и метода изменения имени отдела, имеет методы для занесения в отдел нового сотрудника, для удаления сотрудника и для получения всех сотрудников входящих в данный отдел. Навигация на диаграмме не показана, значит она является двунаправленной: от объекта типа «Department» можно узнать о сотруднике и от объекта типа «Employee» можно узнать к какому отделу он относится.
Так как нам нужно легко узнавать какому отделу относится какой-либо сотрудник, то добавим в класс Employee поле и методы для назначения и получения отдела.
2.3.1 Композиция
Предположим, что одним из требований к нашей системе является требование о том, чтоб хранить данные о прежней занимаемой должности на предприятии.
Введем новый класс «pastPosition». В него, помимо свойства «имя»(name), введем и свойство «department», которое свяжет его с классом «Department».
Данные о прошлых занимаемых должностях являются частью данных о сотруднике, таким образом между ними связь целое-часть и в то же время, данные о прошлых должностях не могут существовать без объекта типа «Employee». Уничтожение объекта «Employee» должно привести к уничтожению объектов «pastPosition».
Рис. 6 — Композиция
В класс Employee добавим свойства и методы для работы с данными о прошлой должности:
3. Зависимость
Для организации диалога с пользователем введем в систему класс «Menu». Встроим один метод «showEmployees», который показывает список сотрудников и их должности. Параметром для метода является массив объектов «Employee». Таким образом, изменения внесенные в класс «Employee» могут потребовать и изменения класса «Menu».
Рис. 7 — Зависимость
Заметим, что класс «Menu» не относится к прикладной области, а представляет собой «системный» класс воображаемого приложения.
Класс «Menu»:
4. Реализация
Реализация, как и наследование имеет явное выражение в языке Java: объявление интерфейса и возможность его реализации каким-либо классом.
Для демонстрации отношения «реализация» создадим интерфейс «Unit». Если представить, что организация может делиться не только на отделы, а например, на цеха, филиалы и т.д. Интерфейс «Unit» представляет собой самую абстрактную единицу деления. В каждой единице деления работает какое-то количество сотрудников, поэтому метод для получения количества работающих людей будет актуален для каждого класса реализующего интерфейс «Unit».
Рис. 8 — Реализация
Реализация в классе «Department»:
Как видим, реализация метода «getPersonCount» не совсем актуальна для класса «Department», так как он имеет метод «getEmployees», который возвращает
коллекцию объектов «Employee».
Выводы
Язык моделирования UML имеет набор отношений для построения модели классов, но даже такой развитой ООП язык, как Java имеет только две явные конструкции для отражения связей: extends(расширение) и interface/implements(реализация).
В результате моделирования получили следующую диаграмму:
Рис. 8 — Диаграмма классов
Литература
1) Г. Буч, Д. Рамбо, А. Джекобсон. Язык UML Руководство пользователя.
3) Эккель Б. Философия Java. Библиотека программиста. — СПб: Питер, 2001. — 880 с.
4) Орлов С. Технологии разработки программного обеспечения: Учебник. — СПб: Питер, 2002. — 464 с.
5) Мухортов В.В., Рылов В.Ю.Объектно-ориентированное программирование, анализ и дизайн. Методическое пособие. — Новосибирск, 2002.