Что такое объектно ориентированный язык программирования

Что такое объектно-ориентированное программирование: принципы, преимущества и недостатки

Существуют разные подходы к разработке программного обеспечения. Одним из наиболее популярных и эффективных является объектно-ориентированное программирование (ООП). С его помощью можно создавать, масштабировать и поддерживать довольно сложные проекты. Если ты хочешь стать разработчиком (Python, Java, Frontend или Fullstack), понимание основ ООП – это один из ключевых шагов на пути к успеху.

Сегодня расскажем о том, что такое объектно-ориентированное программирование, для чего оно нужно и каковы его принципы. Про плюсы с минусами тоже поговорим. Но сначала разберемся с его предшественником.

Что такое процедурное программирование и в чем его минусы

До появления ООП, доминирующим подходом к разработке было процедурное программирование. В нем программа разбивается на набор функций и работает последовательно, выполняя инструкции в строгом порядке. Это применимо для написания небольших приложений или скриптов, которые выполняют простые действия, такие как чтение и запись данных, сортировка и т.д.

В случае сложно софта могут возникнуть проблемы. Во-первых, связи между отдельными функциями не всегда очевидны. Во-вторых, процедурное программирование не обладает механизмами для повторного использования кода. Каждая функция выполняет свою уникальную задачу, и нет способа использовать ее в других частях ПО. Это усложняет разработку, поддержку и расширение софта при изменении требований.

ООП лишено таких недостатков и позволяет вносить изменения в объект, который является ключевым элементом программы.

Что такое объектно-ориентированное программирование

ООП – это подход к разработке программного обеспечения, который сосредоточен на объектах, а не на функциях. То есть программа разбивается на набор объектов, которые взаимодействуют друг с другом.

Структура ООП состоит из объектов, классов, атрибутов и методов.

• Объекты – это экземпляры классов, которые представляют реальные или абстрактные сущности.
• Классы – шаблоны для создания объектов, определяющие их атрибуты и методы.
• Атрибуты – это данные объекта, которые хранят его состояние.
• Методы – функции, которые могут изменять состояние объекта или выполнять определенные действия.

Вот пример для понимания структуры объектно-ориентированного программирования:

Объект: тестировщик Антон

Атрибуты: зарплата и обязанности

Как видишь, атрибуты и методы здесь являются свойствами объекта. Такой подход позволяет упростить разработку комплексного ПО и писать хорошо структурированный код, с которым приятно работать.

Принципы объектно-ориентированного программирования

ООП основано на четырех основных принципах: инкапсуляция, наследование, полиморфизм и абстракция. Давай подробнее рассмотрим каждый из них.

• Инкапсуляция. Данные и методы, связанные с ними, хранятся внутри объекта. Это позволяет скрывать его внутреннюю реализацию и предоставлять только интерфейс, необходимый для взаимодействия. Так разработчик может создавать надежные и защищенные программы, предотвращая несанкционированный доступ. Кибербезопасность – это очень важно сейчас.
• Наследование. В ООП можно создавать новые классы на основе уже существующих. Новый класс называется производным, а существующий – базовым или родительским. При наследовании производный класс получает все атрибуты и методы базового и может добавлять свои собственные. Наследование дает возможность повторно использовать код и создавать иерархии классов «от общего к частному» для реализации сложных схем. Это способствует повышению эффективности разработки и обеспечивает более логичную организацию кода. Не нужно постоянно переписывать одинаковые свойства для разных объектов, достаточно унаследовать их от одного «родителя».
• Полиморфизм. Объекты разных классов могут иметь одинаковые методы, но реализовывать их разными способами. Программа работает со всеми объектами, используя общий интерфейс, что делает код более гибким и универсальным.
• Абстракция. Вместо того чтобы детально описывать каждую часть системы, абстракция фокусируется только на самом важном. Она позволяет разработчикам скрыть сложность реализации и сосредоточиться на ключевых аспектах объекта.

ООП кажется идеальным подходом. Но так ли это на самом деле? Читай дальше, чтобы узнать ответ.

Преимущества и недостатки объектно-ориентированного программирования

Плюсы объектно-ориентированного программирования являются одной из причин его широкого применения в разных областях разработки. Вот некоторые из них:

• Модульность и повторное использование кода. ООП позволяет разделить программу на небольшие и понятные части, которые отвечают за определенную функциональность. Модули, классы и объекты могут быть использованы повторно, что упрощает разработку, отладку и поддержку ПО.
• Гибкость и масштабируемость. ООП делает программу более гибкой и расширяемой, позволяя добавлять новые классы и методы без необходимости переписывать весь код. Это обеспечивает возможность адаптации софта к изменяющимся требованиям.
• Простота сопровождения. Каждый объект имеет свою собственную функциональность и данные, что упрощает поиск и исправление ошибок. Код становится понятным, поэтому тестировщикам и программистам с ним проще работать.
• Безопасность. Софт с инкапсулированным кодом сложнее взломать.
• Улучшение производительности. Разработчики пишут оптимизированный и эффективный код, что может привести к повышению производительности программы.
• Легкая интеграция. ООП позволяет быстро интегрировать различные компоненты программы, создавая объекты, которые взаимодействуют друг с другом. Это упрощает разработку сложных систем.

Несмотря на множество преимуществ, объектно-ориентированное программирование имеет некоторые недостатки, которые следует учитывать при разработке ПО:

• Более сложная кривая обучения по сравнению с процедурным программированием. Потребуются время и усилия, чтобы полностью освоить концепции ООП и применять их в практике.
• Возможность дублирования кода и избыточности. В случае неправильного проектирования классов и объектов может возникнуть ситуация, когда одна и та же функциональность реализована в нескольких частях кода, что приводит к избыточности и сложности обслуживания.
• Перегрузка памяти и обработки данных. Классы и объекты потребляют больше памяти, чем простые процедурные структуры данных, поскольку они содержат дополнительную информацию, такую как методы и свойства.

ООП может быть полезным для большинства проектов. Но разработчики должны учитывать все факторы при выборе парадигмы программирования, чтобы обеспечить оптимальную производительность своих решений.

Примеры использования принципов ООП

Принципы объектно-ориентированного программирования широко применяются в разных областях разработки. Вот несколько примеров из реальной жизни:

Веб-разработка. Классы, объекты, наследование и полиморфизм позволяют заводить разные типы пользователей, товаров, заказов и других сущностей на основе общих шаблонов. Это полезно, например, при создании социальных сетей или интернет-магазинов.

Разработка игр. Чтобы добавлять персонажей, а также предметы, миры и прочие элементы с общими характеристиками.

Медицина. ООП применяется для разработки медицинских информационных систем, которые хранят и обрабатывают данные. Классы и объекты представляют пациентов, врачей, лекарства и т.д. Инкапсуляция обеспечивает безопасное хранение и доступ к ним

Какие языки программирования поддерживают ООП

Существует множество языков программирования, которые поддерживают эту парадигму. Вот несколько популярных примеров:

• Java использует классы и объекты для организации кода.
• C++ предоставляет все основные возможности ООП.
• Python – высокоуровневый язык, который подходит как для процедурного, так и для объектно-ориентированного программирования.
• C# широко применяется для разработки приложений на платформе .NET и тоже поддерживает ООП.
• Ruby – это динамический, интерпретируемый язык, который активно использует принципы объектно-ориентированного программирования.
• PHP обладает всеми необходимыми инструментами для создания классов, объектов, наследования, инкапсуляции и полиморфизма.

Большинство современных языков программирования поддерживают ООП, так как это широко распространенный и эффективный подход к написанию кода. Также нужно понимать, что объектно-ориентированное программирование не всегда является лучшим вариантом для разработки и учитывать специфику требований и задач.

Если ты хочешь стать программистом, но пока не определился с направлением, запишись на один бесплатных марафонов от GoIT. Попробуй себя в роли Python-разработчика, Java-программиста или тестировщика. Узнай больше про эти профессии, создай первые проекты и проверь свои силы. Возможно, тебе понравится одна из них.

А если уже все решил, ждем тебя на наших онлайн-курсах. Перестань откладывать жизнь на завтра и начни действовать прямо сейчас!

Что такое объектно-ориентированное программирование (ООП)?

Объектно-ориентированное программирование определяет режим программирования, который ориентируется на структурные объекты со связанными свойствами.

Организация играет решающую роль почти во всех процессах, от домашних обязанностей до управления проектами. Программирование ничем не отличается. Хотя цель программирования состоит в том, чтобы посылать инструкции машинам, делать это строка за строкой в последовательном порядке — не всегда лучший подход к такой задаче.

Осмысливая код с точки зрения объектов и классов, разработчики могут создавать программное обеспечение более гибко и интуитивно понятно, чем в противном случае. Этот метод организации долгое время использовался для написания чистого, поддерживаемого и, что наиболее важно, повторно используемого кода.

Что такое объектно-ориентированное программирование?

Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это парадигма программирования, которая использует концепцию объектов для создания четко определенных фрагментов кода, которыми можно управлять. Парадигма программирования описывает способ организации программы. До появления ООП процедурное и структурное программирование были основными парадигмами программирования того времени.

Процедурное программирование работает с помощью пошаговых инструкций. Структурированное программирование немного сложнее, оно использует потоки управления, такие как операторы if/then/else и циклы while/for.

Неотъемлемой частью ядра объектно-ориентированного программирования является манипулирование объектами. Объекты содержат данные и код, содержащие свойства, процедуры и функции. Чтобы проиллюстрировать интуитивный характер объектно-ориентированного программирования, сравните объект в программировании с объектом в реальной жизни.

Например, автомобиль — это объект с различимыми качествами, такими как цвет и тип. Автомобиль может ездить. Демонстрация поведения автомобиля в программе, использующей процедурное или структурное программирование, несомненно, будет сложной задачей. С помощью объектно-ориентированного программирования вы можете сгенерировать класс автомобиля и кодировать особенности объекта внутри класса. Хотя детали этого предприятия более растянуты, вы можете назначать определяющие аспекты автомобиля и управлять его поведением с помощью простого вызова функции.

4 основных строительных блока ООП

Четыре фундаментальных строительных блока охватывают принцип работы объектно-ориентированного программирования: классы, атрибуты, методы и объекты.

Классы предлагают шаблоны для лучшего описания объектов. По сути, классы служат чертежами для создания объектов. Внутри класса программисты должны определить переменные и методы, на которые могут ссылаться его соответствующие объекты. В примере с автомобилем класс будет обозначать свойства объекта автомобиля, заключать в себе функциональные возможности автомобиля, а также в первую очередь объявлять автомобиль как класс.

Атрибуты (или переменные) относятся к характеристикам объекта. Внешний вид, состояние и другие качественные признаки являются общими атрибутами объекта. Атрибуты класса в сочетании с экземплярами объекта отличают объекты друг от друга. Следующая программа демонстрирует объявление класса в Python:

Класс Автомобиль:
def init (я, цвет, тип):
self.color = цвет
self.type = тип

Здесь «я» представляет экземпляр класса для будущих ссылок на атрибуты и методы объекта. А «цвет» и «тип» представляют собой атрибуты класса.

Программисты также должны определять методы вместе с атрибутами. Методы инкапсулируют функции, которые обрабатывают данные и поведение экземпляра объекта.

В автомобиле метод вождения может быть уместен. Вы можете определить такой метод прямо под определениями атрибутов автомобиля.

Хотя с помощью кода можно отобразить реальный автомобиль и смоделировать приложение для вождения, программирование этого метода немного сложнее, чем строки кода ниже.

защитный диск (сам)
print(‘Я за рулем’ + self.color + self.type)

Объекты существуют наряду с классами. По сути, это поля данных с четкой структурой, которую может определить программист. Как только вы вызываете объект, программа создает экземпляр. Экземпляр — это конкретный объект, сгенерированный из класса. Чтобы вызвать объект, вам нужно будет предоставить информацию, относящуюся к классу, например, конкретный цвет и тип автомобиля.

автомобиль = Автомобиль(‘красный’, ‘Седан’)

Приведенный выше код формально установит конкретный экземпляр уникального автомобильного объекта.

Затем вы сможете увидеть, как метод привода работает в действии.

4 столпа ООП
В дополнение к фундаментальным строительным блокам объектно-ориентированного программирования, следующие технические принципы имеют решающее значение для любого подхода к объектно-ориентированному программированию.

1. Инкапсуляция
Инкапсуляция — это связывание состояния и поведения объекта вместе. Это происходит, когда атрибуты и методы заключены в единый модуль и/или класс. Из-за инкапсуляции поля класса недоступны для публики напрямую. Кроме того, инкапсуляция обеспечивает гибкость и удобство сопровождения. Например, в объекте автомобиля класс Car может быть скрыт от остальной части программы. Преимуществами являются возможность повторного использования без учета конкретных деталей, на которые опирается объект, и более чистый код в целом.

2. Абстракция
Абстракция имеет те же преимущества и происхождение, что и инкапсуляция. Принцип абстракции применяется, когда программа раскрывает пользователям только те данные, которые имеют отношение к объекту.

Конечно, абстракция играет роль в идее инкапсуляции. Объектно-ориентированное программирование гарантирует, что программы инкапсулируют объектные данные внутри класса, чтобы можно было абстрагироваться от сложных механизмов. Масштабируемость — главное преимущество абстракции и ООП в целом. Большие кодовые базы усложняют процесс внесения изменений и обслуживания. Благодаря совместной работе инкапсуляции и абстракции программисты могут вызывать объекты без необходимости доступа или открытия углубленных механизмов классов. В реальной жизни есть масса случаев, эквивалентных абстракции в программировании.

Во-первых, у смартфонов всего несколько значимых кнопок на самом устройстве. Эти кнопки позволяют пользователям выражать функциональные возможности, не увязая в сложности технологии. Точно так же объект — это абстракция чего-то скрытого за кулисами, что гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд .

3. Наследование
Когда в программе есть несколько классов со связанными свойствами, наследование может упростить ландшафт. В объектно-ориентированном программировании дочерние классы могут наследовать родительские классы и аналогичные функции. В качестве примера наследования рассмотрим, как класс Car может совместно использовать свойства с более крупной категорией, например с транспортными средствами.

«Автомобиль» в качестве родительского класса. «Автомобиль» и «Велосипед» — это дочерние классы, которые наследуют атрибуты родительского класса практически без усилий.

4. Полиморфизм
Полиморфизм — это состояние, при котором объект может принимать несколько форм. При этом полиморфизм может проявляться по-разному. Примеры полиморфизма включают:

Полиморфизм с наследованием
Методы в дочернем и родительском классах могут носить одно и то же имя, но иметь разное поведение. Благодаря инкапсуляции это не приведет ни к какой ошибке в программе. Программа по умолчанию будет использовать метод конкретного вызываемого объекта.

Полиморфизм с функциями и объектами . Вы можете определить функцию вне класса, которая зависит от методов и атрибутов класса. После создания экземпляра объекта вы можете использовать объект для развертывания функции.

Полиморфизм с методами класса
Два или более разных класса с одинаковыми именами методов используют полиморфизм для устранения несоответствий. Часто это выглядит как цикл for, в котором поток управления может перебирать кортеж объектов из каждого класса.

Каковы преимущества объектно-ориентированного программирования?

Объектно-ориентированное программирование так выгодно из-за его пластичности. Способность рассматривать структуры кода как объекты в среде программирования позволяет программистам свободно формировать программы.

• Модульность

• Возможность повторного использования

• Возможность подключения

• Простота

Какие проблемы связаны с объектно-ориентированным программированием?
Откровенно говоря, у ООП не так много недостатков. Но выполнение огромного количества кода, скрытого под одной сущностью, может оказаться сложной задачей для любой машины.

Более крупные программы также являются естественным следствием использования принципов объектно-ориентированного программирования. Если у вас есть возможность сжать код, в целом получается больше кода. Другими словами, самый главный недостаток объектно-ориентированного программирования заключается в сложности его компиляции.

В то же время масштабируемость имеет первостепенное значение для любого бизнеса в сфере разработки программного обеспечения. А этого редко можно добиться без объектно-ориентированного программирования.

5 лучших объектно-ориентированных языков программирования
Языки объектно-ориентированного программирования предоставляют разработчикам синтаксис и внутренние меры для использования ООП по своему желанию. Вот самые популярные и высокопроизводительные объектно-ориентированные языки программирования.

1. Питон
Python — это интерпретируемый язык программирования высокого уровня общего назначения. Разработчики выбирают Python для различных вариантов использования. Приложения Python варьируются от разработки игр до науки о данных и машинного обучения.

2. Java
Как язык программирования, основанный на классах, Java спроектирован так, чтобы иметь мало зависимостей; таким образом, разработчики Java могут рассчитывать на непрерывное повторное использование. Java известен как официальный язык программирования для Android-разработки .

3. Руби
Ruby выделяется среди других объектно-ориентированных языков программирования тем, что его цель — воспринимать практически все, что написано на языке, как объект. Юкихиро «Мац» Мацумото, разработчик Ruby, создал язык, когда почувствовал, что альтернативные языки ООП, такие как Python, не были по-настоящему объектно-ориентированными. Ruby on Rails — популярный веб-фреймворк, основанный на языке Ruby.

4. С++
C++, или C с классами, — это объектно-ориентированное расширение C. C — это классический язык программирования, который до сих пор занимает высокие позиции в индексе TIOBE. Тем не менее, его расширение C++ работает исключительно хорошо при работе со встроенными системами, такими как смарт-часы и медицинские машины.

5. С#
C# — это язык .NET Framework, продукт Microsoft, который помогает разработчикам создавать приложения. Как и C++, C# также является языком промежуточного программного обеспечения, который может тесно взаимодействовать с аппаратным обеспечением. C# в основном используется для разработки игр в Unity .

Объектно-ориентированное программирование — ценный подход к разработке программного обеспечения, который не следует принимать как должное. Вполне вероятно, что разработчики в вашей команде уже хорошо знакомы с принципами ООП и используют их каждый день для оптимизации ваших процессов. Чтобы полностью понять, как ООП может быть полезен для процесса разработки программного обеспечения, вы должны обратить внимание на такие концепции программирования, как инкапсуляция, абстракция, полиморфизм и наследование. Эти основы ООП дают много преимуществ для общей программы, гибкость и согласованность являются всеобъемлющими преимуществами.

HR Блог для IT рекрутера в Телеграм

Хочешь всегда получать новые статьи, бесплатные материалы и полезные HR лайфхаки! Подписывайся на нас в Telegram! С нами подбор ит персонала становится проще 😉

Язык программирования Rust

Характеристики объектно-ориентированных языков

В сообществе программистов нет единого мнения о том, какими свойствами должен обладать язык, чтобы считаться объектно-ориентированным. На Rust повлияли многие парадигмы программирования, включая ООП — например, в главе 13 мы изучали особенности, пришедшие из функционального программирования. Однозначно можно утверждать, что ООП-языкам присущи следующие характерные особенности: объекты, инкапсуляция и наследование. Давайте рассмотрим, что каждая из них означает и поддерживает ли их Rust.

Объекты содержат данные и поведение

Книга Приёмы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, и John Vlissides (Addison-Wesley Professional, 1994), в просторечии называемая Книга банды четырёх, представляет собой сборник примеров объектно-ориентированного проектирования. В ней даётся следующее определение ООП:

Объектно-ориентированные программы состоят из объектов. Объект представляет собой сущность, своего рода контейнер, с данными и процедурами, которые работают с этими данными. Процедуры обычно называются методами или операциями.

В соответствии с этим определением, Rust является объектно-ориентированным языком — в структурах и перечислениях содержатся данные, а в блоках impl определяются методы для них. Хотя структуры и перечисления, имеющие методы, не называются объектами, они обеспечивают функциональность, соответствующую определению объектов в книге банды четырёх.

Инкапсуляция, скрывающая детали реализации

Другим аспектом, обычно связанным с объектно-ориентированным программированием, является идея инкапсуляции: детали реализации объекта недоступны для кода, использующего этот объект. Единственный способ взаимодействия с объектом — через его публичный интерфейс; код, использующий этот объект, не должен иметь возможности взаимодействовать с внутренними свойствами объекта и напрямую изменять его данные или поведение. Инкапсуляция позволяет изменять и реорганизовывать внутренние свойства объекта без необходимости изменять код, который использует объект.

В главе 7 мы уже говорили о том, как управлять инкапсуляцией: мы можем использовать ключевое слово pub , чтобы определить, какие модули, типы, функции и методы в нашем коде будут публичными, а всё остальное по умолчанию будет приватными. Например, мы можем определить структуру AveragedCollection , в которой есть поле, содержащее вектор значений i32 . Также, структура будет иметь поле, содержащее среднее арифметическое чисел этого вектора, таким образом, среднее не нужно будет вычислять каждый раз, когда оно кому-то понадобится. Другими словами, AveragedCollection будет кэшировать вычисленное среднее для нас. В листинге 17-1 приведено определение структуры AveragedCollection :

pub struct AveragedCollection < list: Vec, average: f64, > 

Листинг 17-1: структура AveragedCollection содержит список целых чисел и их среднее арифметическое.

Обратите внимание, что структура помечена ключевым словом pub , что позволяет другому коду её использовать, однако, поля структуры остаются недоступными. Это важно, потому что мы хотим гарантировать обновление среднего значения при добавлении или удалении элемента из списка. Мы можем получить нужное поведение, определив в структуре методы add , remove и average , как показано в примере 17-2:

pub struct AveragedCollection  list: Vec, average: f64, > impl AveragedCollection < pub fn add(&mut self, value: i32) < self.list.push(value); self.update_average(); >pub fn remove(&mut self) -> Option  < let result = self.list.pop(); match result < Some(value) => < self.update_average(); Some(value) >None => None, > > pub fn average(&self) -> f64 < self.average >fn update_average(&mut self) < let total: i32 = self.list.iter().sum(); self.average = total as f64 / self.list.len() as f64; >> 

Листинг 17-2: Реализация публичных методов add , remove , и average для AveragedCollection

Публичные методы add , remove и average являются единственным способом получить или изменить данные в экземпляре AveragedCollection . Когда элемент добавляется в list методом add , или удаляется с помощью метода remove , код реализации каждого из этих методов вызывает приватный метод update_average , который позаботится об обновлении поля average .

Мы оставляем поля list и average приватными, чтобы внешний код не мог добавлять или удалять элементы непосредственно в поле list ; в противном случае поле average может оказаться не синхронизировано при подобном вмешательстве. Метод average возвращает значение в поле average , что позволяет внешнему коду читать значение average , но не изменять его.

Поскольку мы инкапсулировали детали реализации структуры AveragedCollection , мы можем легко изменить такие аспекты, как структура данных, в будущем. Например, мы могли бы использовать HashSet вместо Vec для поля list . Благодаря тому, что сигнатуры публичных методов add , remove и average остаются неизменными, код, использующий AveragedCollection , также не будет нуждаться в изменении. У нас бы не получилось этого достичь, если бы мы сделали поле list доступным внешнему коду: HashSet и Vec имеют разные методы для добавления и удаления элементов, поэтому внешний код, вероятно, должен измениться, если он модифицирует list напрямую.

Если инкапсуляция является обязательным аспектом для определения языка как объектно-ориентированного, то Rust соответствует этому требованию. Возможность использовать или не использовать модификатор доступа pub для различных частей кода позволяет скрыть детали реализации.

Наследование как система типов и способ совместного использования кода

Наследование — это механизм, с помощью которого объект может унаследовать элементы из определения другого объекта, то есть получить данные и поведение родительского объекта без необходимости повторно их определять.

Если язык должен иметь наследование, чтобы быть объектно-ориентированным, то Rust таким не является. Здесь нет способа определить структуру, наследующую поля и реализации методов родительской структуры, без использования макроса.

Однако, если вы привыкли иметь наследование в своём наборе инструментов для программирования, вы можете использовать другие решения в Rust, в зависимости от того, по какой причине вы изначально хотите использовать наследование.

Вы могли бы выбрать наследование по двум основным причинам. Одна из них — возможность повторного использования кода: вы можете реализовать определённое поведение для одного типа, а наследование позволит вам повторно использовать эту реализацию для другого типа. В Rust для этого есть ограниченный способ, использующий реализацию метода типажа по умолчанию, который вы видели в листинге 10-14, когда мы добавили реализацию по умолчанию в методе summarize типажа Summary . Любой тип, реализующий свойство Summary будет иметь доступный метод summarize без дополнительного кода. Это похоже на то, как родительский класс имеет реализацию метода, и класс-наследник тоже имеет реализацию метода. Мы также можем переопределить реализацию по умолчанию для метода summarize , когда реализуем типаж Summary , что похоже на дочерний класс, переопределяющий реализацию метода, унаследованного от родительского класса.

Вторая причина использования наследования относится к системе типов: чтобы иметь возможность использовать дочерний тип в тех же места, что и родительский. Эта возможность также называется полиморфизм и означает возможность подменять объекты во время исполнения, если они имеют одинаковые характеристики.

Полиморфизм

Для многих людей полиморфизм является синонимом наследования. Но на самом деле это более общая концепция, относящаяся к коду, который может работать с данными нескольких типов. Обычно такими типами выступают подклассы при наследовании.

Вместо этого Rust использует обобщённые типы для абстрагирования от типов, и ограничения типажей (trait bounds) для указания того, какие возможности эти типы должны предоставлять. Это иногда называют ограниченным параметрическим полиморфизмом.

Наследование, как подход к разработке, в последнее время утратило популярность во многих языках программирования, поскольку часто существует риск, что мы будем наследовать код чаще, чем это необходимо. Подклассы не всегда должны обладать всеми характеристиками родительского класса, но при использовании наследования другого варианта нет. Это может сделать дизайн программы менее гибким. Кроме этого, появляется возможность вызова у подклассов методов, которые не имеют смысла или вызывают ошибки, потому что эти методы неприменимы к подклассу. Кроме того, в некоторых языках разрешается только одиночное наследование (т.е. подкласс может наследоваться только от одного класса), что ещё больше ограничивает гибкость разработки программы.

По этим причинам в Rust применяется альтернативный подход, с использованием типажей-объектов вместо наследования. Давайте посмотрим как типажи-объекты реализуют полиморфизм в Rust.

Что такое объектно ориентированный язык программирования

В настоящее время насчитывается более двух тысяч языков программирования высокого уровня. Большинство этих языков возникло исходя из конкретных требований некоторой предметной области. Каждый новый язык позволял переходить ко все более и более сложным задачам. На каждом новом приложении разработчики языков что-то открывали для себя и изменяли свои представления о существенном и несущественном в языке. На развитие языков программирования значительное влияние оказали достижения теории вычислении, которые привели к формальному пониманию семантики операторов, модулей, абстрактных типов данных и процедур.
Рис. А-1. Генеалогия объектных и объектно-ориентированных языков.

В главе 2 языки программирования были сгруппированы в четыре поколения по признаку поддерживаемых ими абстракции: математические, алгоритмические, ориентированные на данные, объектно-ориентированные. Самые последние достижения в области развития языков программирования связаны с объектной моделью. К настоящему времени мы насчитали более сотни различных объектных и объектно-ориентированных языков. Как говорилось в главе 2, объектными принято называть языки, которые поддерживают абстракции данных и классы; объектно-ориентированными являются те объектные языки, которые поддерживают наследование и полиморфизм.

Общим предком практически всех используемых сегодня объектных и объектно-ориентированных языков является язык Simula, созданный в 1960 году Далем, Мюрхогом и Ныгардом [2]. Язык Simula основывался на идеях ALGOL, но был дополнен механизмом наследования и инкапсуляции. Но еще более существенно то, что Simula, предназначенная для описания систем и моделирования, ввела дисциплину написания программ, отражающих словарь предметной области.

Рис. А-1, заимствованный у Шмукера [3], демонстрирует генеалогию пяти наиболее влиятельных и популярных объектных или объектно-ориентированных языков программирования: Smalltalk. Object Pascal, C++, CLOS и Ada. В следующих разделах мы проанализируем некоторые из этих языков с точки зрения их «объектности».

Язык Smalltalk был разработан командой Xerox Palo Alto Research Center Learning Research Group (Xerox, Пало Альто, Исследовательский центр, группа исследования обучения), как программная часть Dynabook — фантастического проекта Алана Кея (Alan Kay). В основу были положены идеи Simula, хотя известное влияние оказали также язык FLEX и работы Сеймора Паперта (Seymore Papert) и Валласа Феурзейга (Wallace Feurzeig). Smalltalk является одновременно и языком программирования, и средой разработки программ. Это — чисто объектно-ориентированный язык, в котором абсолютно все рассматривается как объекты; даже целые числа — это классы. Вслед за Simula, Smalltalk является важнейшим объектно-ориентированным языком, поскольку он не только оказал влияние на последующие поколения языков программирования, но и заложил основы современного графического интерфейса пользователя, на которых непосредственно базируются интерфейсы Macintosh, Windows и Motif.

Развитие Smalltalk потребовало почти десятилетних усилий группы энтузиастов. Главным архитектором на протяжении почти всей работы был Дэн Ингалс (Dan Ingalls), но значительный вклад внесли также Питер Дейч (Peter Deutsh), Гленн Краснер (Glenn Krasner) и Ким МакКолл (Kim McCall). Параллельно, усилиями Джеймса Альтхофа (James Althoff), Роберта Флегала (Robert Flegal), Неда Келера (Ned Kaehler), Дианы Мерри (Diana Merry) и Стива Паца (Steve Putz) разрабатывалась оболочка Smalltalk. Адель Голдберг (Adele Goldberg) и Дэвид Робсон (David Robson) взяли на себя роль летописцев проекта.

Известны пять выпусков языка Smalltalk, обозначаемых по году их появления:

Smalltalk-72, -74. -76, -78, и самое свежее воплощение — Smalltalk-80. Реализации 1972 и 1974 годов заложили основу языка, в частности идею передачи сообщений и полиморфизм, хотя механизм наследования еще не появился. В последующих версиях полноправное гражданство получили классы; этим достигла завершения точка зрения, что все состоит из объектов. Smalltalk-80 был перенесен на многие компьютерные платформы.

Есть также один важный диалект (схожий со Smalltalk-80), получивший название Smalltalk/V. Он создан фирмой Digitalk для IBM PC (Windows и OS/2) и Macintosh. За исключением классов пользовательского интерфейса, библиотеки классов Smalltalk/V в обеих версиях практически идентичны. Среда и инструменты разработки также напоминают Smalltalk-80 [4].

• все является объектами;
• объекты взаимодействуют, обмениваясь сообщениями.

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Да Да
Инкапсуляция	Переменных Методов	Закрытые Открытые
Модульность	Разновидности модулей	Нет
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Одиночное Нет Да
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Нет Да (одиночный)
Параллельность	Многозадачность	Непрямая (посредством классов)
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-1. Smalltalk.

Основными руководствами по языку Smalltalk являются книги «Smalltalk-80:

The Language», Голдберг и Робсон [7]; «Smalltalk-80: The Interactive Programming Environment», Голдберг [8]; «Smalltalk-80: Bit of History Words of Advice», Kpacнер, [9]. ЛаЛонд и Пух [10] подробно исследуют Smalltalk-80, в том числе библиотеки классов и средства разработки приложений.

А.3. Object Pascal

Object Pascal создавался сотрудниками компании Apple Computer (некоторые из которых были участниками проекта Smalltalk) совместно с Никлаусом Виртом (Niklaus Wirth), создателем языка Pascal. Непосредственным предшественником Object Pascal является Clascal (объектно-ориентированная версия Pascal для компьютера Lisa). Object Pascal известен с 1986 года и является первым объектно-ориентированным языком программирования, который был включен в Macintosh Programmer’s Workshop (MPW), среду разработки для компьютеров Macintosh фирмы Apple. Для MPW создана библиотека классов, называемая МасАрр, являющаяся основой для создания прикладных приложений, отвечающих требованиям к интерфейсу пользователя Macintosh.

Шмукер (Schmucker) утверждает, что «Object Pascal — это «скелет» объектно-ориентированного языка [ В последние годы этот язык стал очень популярен благодаря системе Delphi фирмы Borland. — Примеч. ред. ]. В нем нет методов класса, переменных класса, множественного наследования и метаклассов. Эти механизмы исключены специально, чтобы сделать язык простым для изучения начинающими «объектными» программистами» [11].

В табл. А-2 приведены общие характеристики Object Pascal.

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Нет Нет
Инкапсуляция	Переменных Методов	Открытые Открытые
Модульность	Разновидности модулей	Модуль (unit)
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Одиночное Нет Нет
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Да Да (одиночный)
Параллельность	Многозадачность	Нет
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-2. Object Pascal.

Основным руководством по Object Pascal является «MPW Object Pascal Reference» от Apple [12].

Язык программирования C++ был разработан Бьерном Страуструпом, сотрудником AT&T Bell Laboratories. Непосредственным предшественником C++ является С with Classes, созданный тем же автором в 1980 году. Язык С with Classes, в свою очередь, был создан под сильным влиянием С и Simula. C++ — это в значительной степени надстройка над С. В определенном смысле можно назвать C++ улучшенным С, тем С, который обеспечивает контроль типов, перегрузку функций и ряд других удобств. Но главное в том, что C++ добавляет к С объектную ориентированность.

Известны несколько версий C++. В версии 1.0 реализованы основные механизмы объектно-ориентированного программирования, такие как одиночное наследование и полиморфизм, проверка типов и перегрузка функций. В созданной в 1989 году версии 2.0 нашли отражение многие дополнительные свойства (например, множественное наследование), возникшие на базе широкого опыта применения языка многочисленным сообществом пользователей. В версии 3.0 (1990) появились шаблоны (параметризованные классы) и обработка исключений. Комитет ANSI по C++ (X3J16) недавно одобрил предложения по введению пространств имен (что соответствует нашему обозначению категорий классов) и проверки типов во время исполнения.

Первые компиляторы C++ строились на основе препроцессора для языка С, названного cfront. Поскольку этот транслятор создавал промежуточный код на С, он позволил очень быстро перенести C++ практически на все UNIX-системы. Сейчас почти на всех платформах созданы (в том числе коммерческие) «настоящие» компиляторы C++.

Страуструп пишет: «C++ создавался с целью избавить автора и его друзей от необходимости программировать на ассемблере, С или других современных языках такого уровня. Главной задачей было придумать язык, на котором удобно писать хорошие программы и с которым программисту приятно работать. C++ никогда не проектировался на бумаге. Его проектирование, документирование и реализация выполнялись одновременно» [13]. C++ исправил многие недостатки С и ввел описания классов, контроль типов, перегрузку функций, управление памятью, постоянные типы, ссылки, встраиваемые функции, производные классы и виртуальные функции [14].

Характеристики C++ приведены в табл. А-3.

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Да Да
Инкапсуляция	Переменных Методов	Открытые, защищенные, закрытые Открытые, защищенные, закрытые
Модульность	Разновидности модулей	файл
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Множественное Да Нет
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Да Да (одиночный)
Параллельность	Многозадачность	Непрямая (посредством классов)
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-3. C++.

Снова вернемся к задаче определения фигур. В C++ принято описывать интерфейсную часть классов в заголовочных файлах. Мы можем написать:

int x;
int y;

class Shape <
public:

Shape();
void setCenter(Point p>;
virtual void draw() = 0;
Point center() const;

Point theCenter;

class Circle : public Shape <
public:

Circle();
void setRadius(int r);
virtual void draw();
int radius() const;

int theRadius;

class Rectangle : public Shape <
public:

Rectangle();
void setHeight(int h);
void setWidth(int w);
virtual void draw();
int height() conat;
int width() const;

int theHeigh;
int theWidth;

class SolidRectangle : public Rectangle <
public:

virtual void draw();

Определение C++ не предполагает наличия библиотеки классов. Для наших целей мы предположим наличие программного интерфейса Х Windows и глобальных объектов Display, window, GraphicsContext (требуемых xlib). Теперь можно завершить разработку, написав в отдельном файле реализацию методов, перечисленных выше:

theCenter.x = 0;
theCenter.y = 0;

void Shape::getCenter(Point p)

theCenter = p;

Point Shape::center() const

return theCenter;

void Circle: :setRadius( int r)

theRadius = r;

int x = (center().x — theRadius);
int y = (center().y — theRadius);
XDrawArc(Display, Window, GraphicsContext, x, y,
(theRadius ∙ 2), (theRadius * 2), 0, (360 ∙ 64));

int Circle::radius() const

return theRadius;

Rectangle::Rectangle() : theHeight(0), theWidth(0) <>;

void Rectangle::setHeight( int h)

theHeight = h;

void Rectangle::setWidth( int w)

theWidth = w;

int x = (center().x — (theWidth / 2));
int y = (center().y — (theHeight / 2));
XDrawRectangle(Display, Window, GraphicsContext, x, y, thewidth, theHeight);

int Rectangle::height() const

return theHeight;

int Rectangle::width() const

return thewidth;

Rectangle::draw();
int x — (center().x — (width() / 2));
int y — (center().y — (height() / 2));
gc oldGraphicsContext = GraphicsContext;
XSetForeground(Display, GraphicsContext, Gray);
XDrawFilled(Display, Window, GraphicsContext, x, y,
width(), height());
GraphicsContext = OldGraphicsContext;

Основной ссылкой по C++ является «Annotated C++ Reference Manual» Эллис и Страуструпа [15]. Кроме того, Страуструп [16] предложил углубленный анализ языка и его использования в контексте объектно-ориентированного проектирования.

А.5. Common Lisp Object System (CLOS)

Существуют буквально десятки диалектов языка Lisp, включая MacLisp, Standard Lisp, SpiceLisp, S-1 Lisp, ZetaLisp, Nil, InterLisp и Scheme. В начале 80-х годов под воздействием идей объектно-ориентированного программирования возникла серия новых диалектов Lisp, многие из которых были ориентированы на представление знаний. Успех в стандартизации Common Lisp стимулировал попытки стандартизировать объектно-ориентированные диалекты в 1986 году.

Идея стандартизации была поддержана летней конференцией ACM по Lisp и функциональному программированию 1986 года, в результате чего была создана специальная рабочая группа при комитете X3J13 ANSI (комитет по стандартизации Common Lisp). Поскольку новый диалект должен был стать надстройкой над Common Lisp, он получил название Common Lisp Object System (Объектная система Common Lisp) или, сокращенно, — CLOS. Возглавил комитет Дэниел Бобров (Daniel Bobrow), а его членами стали Соня Кин (Sonya Keene), Линда де Мичил (Linda DeMichiel), Патрик Дассад (Patrick Dussud), Ричард Габриель (Richard Gabriel), Джеймс Кемпф (James Kempf), Грегор Кисазлес (Gregor Kicazles) и Дэвид Мун (David Moon).

Серьезное влияние на проект CLOS оказали языки NewFlavors и CommonLoops. После двухлетней работы, в 1988 году была опубликована полная спецификация CLOS.

• представлять собой стандартное расширение языка, включающее все наиболее полезные свойства существующей объектно-ориентированной парадигмы;
• обеспечить эффективный и гибкий интерфейс программиста, позволяющий реализовать большинство прикладных задач;
• проектироваться как расширяемый протокол, так, чтобы можно было изменять его поведение, тем самым стимулируя дальнейшие исследования в области объектно-ориентированного программирования [17].

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Да Да
Инкапсуляция	Переменных Методов	Чтение, запись, доступ Открытые
Модульность	Разновидности модулей	Пакет
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Множественное Нет Да
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Возможна Да (множественный)
Параллельность	Многозадачность	Да
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-4. CLOS.

Основным руководством по языку CLOS является -«Common Lisp Object System Specification» [19].

Министерство обороны США, возможно, самый крупный в мире пользователь компьютеров. В середине 70-х годов программные разработки этого департамента достигли критической точки: проекты выходили из временных и бюджетных рамок, а заданных характеристик достичь не удавалось. Стало очевидно, что дальше ситуация только ухудшится, стоимость разработки программных систем взлетит еще выше, а потребность в программах будет расти экспоненциально. Для решения всех этих проблем, отягощенных вдобавок наличием сотен языков программирования, министерство обороны профинансировало проект создания единого общего языка высокого уровня. В некотором смысле Ada является одним из первых языков программирования, выпущенных промышленным способом. Исходные требования были сформулированы в 1975 году (Steelman) и реализованы в 1978 году. Был объявлен международный конкурс, на который откликнулось 17 участников. Это число затем было сокращено до четырех, затем до двух, и наконец до одного; при этом в проектировании и испытаниях участвовали сотни ученых по всему миру.

Проект-победитель вначале носил условное наименование Green (в конкурсе проект имел зеленый кодовый знак); позднее он получил имя Ada в честь Ады Августы графини Лавлейс (Ada Augusta Lovelace), которая была удостоена этой чести за свои соображения о потенциальных возможностях компьютеров. Основным разработчиком языка был Жан Икбьян (Jean Ichbian) из Франции. В команду разработчиков входили: Бернд Криг-Брюкнер (Bernd Krieg-Brueckner), Бриан Вичман (Brian Wichmann), Анри Ледгар (Henry Ledgard), Жан-Клод Ельяр (Jean-Claude Heliard), Жан-Лу Гайли (Jean-Loup Gailly), Жан-Раймон Абриаль (Jean-Raymond Abrial), Джон Барнс (John Barnes), Майк Вуджер (Mike Woodger), Оливье Рубин (Olivier Roubine), С. А. Шуман (S. A. Schumann) и С. С. Весталь (S. С. Vestal).

Непосредственными предшественниками Ada являются Pascal и его производные, включая Euclid, Lis, Mesa, Modula и Sue. Были использованы некоторые концепции ALGOL-68, Simula, CLU и Alphard. Стандарт ANSI для Ada был окончательно издан в 1983 году. Трансляторы Ada, хотя и не сразу, были реализованы для всех основных архитектур. Будучи созданным благодаря министерству обороны, язык Ada сегодня используется во многих государственных и коммерческих проектах. Ada — традиционный язык разработки больших и сложных систем, например, системы управления воздушным движением в США и Канаде. Стандарты ANSI должны пересматриваться каждые пять лет, поэтому в настоящее время изучается проект Ada 9x. В нем в исходное определение языка внесен ряд незначительных исправлений: уточнения, устранение очевидных пробелов, исправления ошибок. В настоящем виде Ada является объектным, но не объектно-ориентированным языком. Проект 9x подразумевает расширение языка до уровня объектно-ориентированного.

• надежности и эксплуатационных качествах программ;
• программировании как разновидности человеческой деятельности;
• эффективности [20].

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Нет Нет
Инкапсуляция	Переменных Методов	Открытые, закрытые Открытые, закрытые
Модульность	Разновидности модулей	Пакет
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Нет (входит в Ada9x) Да Нет
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Да Нет (входит в Ada9x)
Параллельность	Многозадачность	Да
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-5. Ada.

Ссылки

Основным руководством по языку Ada является «Reference Manual for the Ada Programming Language» [21].

Автор Eiffel Бертран Мейер (Bertrand Meyer) создавал не только язык объектно-ориентированного программирование, но и инструмент проектирования программ.

Несмотря на сильное влияние Simula, Eiffel — вполне самостоятельный объектно-ориентированный язык со своей собственной средой разработки.

Eiffel поддерживает динамическое связывание и статическую типизацию, тем самым обеспечивая гибкость интерфейсов классов в сочетании с безопасным использованием типов. В Eiffel есть несколько важных черт, поддерживающих более жесткий стиль программирования, в том числе параметризованные классы, утверждения и исключения. Мейер считает, что обобщенные классы хорошо дополняют наследование, учитывая горизонтальный уровень общности; новые классы на одном уровне иерархии можно создавать, используя тип в качестве параметра, а не плодя практически одинаковые подклассы.

Неотъемлемой частью языка являются пред- и постусловия, то есть утверждения, которые должны выполняться при входе в метод и выходе из него. Нарушение утверждения вызывает исключительную ситуацию. Ее можно перехватить, обработать и попробовать вызвать тот же метод еще раз.

Eiffel поощряет хорошее программирование, добротную спецификацию классов, сильную типизацию и повторное использование, как через наследование, так и через параметризацию. Формальная трактовка исключительных ситуаций позволяет жестко специфицировать интерфейсы классов при реализации.

Eiffel предоставляет законченную среду разработки программ, включая специальный редактор с выделением синтаксиса, генератор документации, библиотеки классов и броузер. Кроме того, поддерживаются средства управления кодом и сборкой программ.

Свойства языка с точки зрения нашей модели показаны в табл. А-6.

Абстракции	Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса	Да Да Нет Нет
Инкапсуляция	Переменных Методов	Закрытые Открытые, закрытые
Модульность	Разновидности модулей	Блок (unit)
Иерархии	Наследование Шаблоны Метаклассы	Множественное Да Нет
Типизация	Сильная типизация Полиморфизм	Да Да
Параллельность	Многозадачность	Нет
Сохраняемость	Долгоживущие объекты	Нет

Таблица А-6. Eiffel.

Лучше всего взять книгу Мейера «Object Oriented Software Construction» [22].

А.8. Другие объектно-ориентированные языки программирования

На рис. А-2 вы найдете названия многих важных объектных и объектно-ориентированных языков, в библиографии есть ссылки на информацию о большинстве из них.