Глава 3

Классы и объекты

3.1. Природа объекта

Что является и что не является объектом?

Способностью к распознанию объектов физического мира человек обладает с самого раннего возраста. Ярко окрашенный мяч привлекает внимание младенца, но, если спрятать мяч, младенец, как правило, не пытается его искать: как только предмет покидает поле зрения, он перестает существовать для младенца. Только в возрасте около года у ребенка появляется представление о предмете: навык, который незаменим для распознавания. Покажите мяч годовалому ребенку и спрячьте его: скорее всего, ребенок начнет искать спрятанный предмет. Ребенок связывает понятие предмета с постоянством и индивидуальностью формы независимо от действий, выполняемых над этим предметом [1].

В предыдущей главе объект был неформально определен как осязаемая реальность, проявляющая четко выделяемое поведение. С точки зрения восприятия человеком объектом может быть:

• осязаемый и (или) видимый предмет;
• нечто, воспринимаемое мышлением;
• нечто, на что направлена мысль или действие.

Объектами реального мира не исчерпываются типы объектов, интересные при проектировании программных систем. Другие важные типы объектов вводятся на этапе проектирования, и их взаимодействие друг с другом служит механизмом отображения поведения более высокого уровня [3]. Это приводит нас к более четкому определению, данному Смитом и Токи: "Объект представляет собой конкретный опознаваемый предмет, единицу или сущность (реальную или абстрактную), имеющую четко определенное функциональное назначение в данной предметной области" [4]. В еще более общем плане объект может быть определен как нечто, имеющее четко очерченные границы [5].

Представим себе завод, на котором создаются композитные материалы для таких различных изделий как, скажем, велосипедные рамы и крылья самолетов. Заводы часто разделяются на цеха: механический, химический, электрический и т.д. Цеха подразделяются на участки, на каждом из которых установлено несколько единиц оборудования: штампы, прессы, станки. На производственных линиях можно увидеть множество емкостей с исходными материалами, из которых с помощью химических процессов создаются блоки композитных материалов. Затем из них делается конечный продукт - рамы или крылья. Каждый осязаемый предмет может рассматриваться как объект. Токарный станок имеет четко очерченные границы, которые отделяют его от обрабатываемого на этом станке композитного блока; рама велосипеда в свою очередь имеет четкие границы по отношению к участку с оборудованием.

Существуют такие объекты, для которых определены явные концептуальные границы, но сами объекты представляют собой неосязаемые события или процессы. Например, химический процесс на заводе можно трактовать как объект, так как он имеет четкую концептуальную границу, взаимодействует с другими объектами посредством упорядоченного и распределенного во времени набора операций и проявляет хорошо определенное поведение. Рассмотрим систему пространственного проектирования CAD/CAM. Два тела, например, сфера и куб, имеют как правило нерегулярное пересечение. Хотя эта линия пересечения не существует отдельно от сферы и куба, она все же является самостоятельным объектом с четко определенными концептуальными границами.

Объекты могут быть осязаемыми, но иметь размытые физические границы: реки, туман или толпы людей [Это верно только на достаточно высоком уровне абстракции. Для человека, идущего через полосу тумана, бессмысленно отличать "мой туман" от "твоего тумана". Однако, рассмотрим карту погоды: полосы тумана в Сан-Франциско и в Лондоне представляют собой совершенно разные объекты]. Подобно тому, как взявший в руки молоток начинает видеть во всем окружающем только гвозди, проектировщик с объектно-ориентированным мышлением начинает воспринимать весь мир в виде объектов. Разумеется, такой взгляд несколько упрощен, так как существуют понятия, явно не являющиеся объектами. К их числу относятся атрибуты, такие, как время, красота, цвет, эмоции (например, любовь или гнев). Однако, потенциально все перечисленное - это свойства, присущие объектам. Можно, например, утверждать, что некоторый человек (объект) любит свою жену (другой объект), или что конкретный кот (еще один объект) - серый.
 

Полезно понимать, что объект - это нечто, имеющее четко определенные границы, но этого недостаточно, чтобы отделить один объект от другого или дать оценку качества абстракции. На основе имеющегося опыта можно дать следующее определение:

Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью; структура и поведение схожих объектов определяет общий для них класс; термины "экземпляр класса" и "объект" взаимозаменяемы.

Состояние

Семантика. Рассмотрим торговый автомат, продающий напитки. Поведение такого объекта состоит в том, что после опускания в него монеты и нажатия кнопки автомат выдает выбранный напиток. Что произойдет, если сначала будет нажата кнопка выбора напитка, а потом уже опущена монета? Большинство автоматов при этом просто ничего не сделают, так как пользователь нарушил их основные правила.

Другими словами, автомат играл роль (ожидание монеты), которую пользователь игнорировал, нажав сначала кнопку. Или предположим, что пользователь автомата не обратил внимание на предупреждающий сигнал "Бросьте столько мелочи, сколько стоит напиток" и опустил в автомат лишнюю монету. В большинстве случаев автоматы не дружественны к пользователю и радостно заглатывают все деньги.

В каждой из таких ситуаций мы видим, что поведение объекта определяется его историей: важна последовательность совершаемых над объектом действий. Такая зависимость поведения от событий и от времени объясняется тем, что у объекта есть внутреннее состояние. Для торгового автомата, например, состояние определяется суммой денег, опущенных до нажатия кнопки выбора. Другая важная информация - это набор воспринимаемых монет и запас напитков.

На основе этого примера дадим следующее низкоуровневое определение:

Состояние объекта характеризуется перечнем (обычно статическим) всех свойств данного объекта и текущими (обычно динамическими) значениями каждого из этих свойств.

Одним из свойств торгового автомата является способность принимать монеты. Это статическое (фиксированное) свойство, в том смысле, что оно - существенная характеристика торгового автомата. С другой стороны, этому свойству соответствует динамическое значение, характеризующее количество принятых монет. Сумма увеличивается по мере опускания монет в автомат и уменьшается, когда продавец забирает деньги из автомата. В некоторых случаях значения свойств объекта могут быть статическими (например, заводской номер автомата), поэтому в данном определении использован термин "обычно динамическими".

К числу свойств объекта относятся присущие ему или приобретаемые им характеристики, черты, качества или способности, делающие данный объект самим собой. Например, для лифта характерным является то, что он сконструирован для поездок вверх и вниз, а не горизонтально. Перечень свойств объекта является, как правило, статическим, поскольку эти свойства составляют неизменяемую основу объекта. Мы говорим "как правило", потому что в ряде случаев состав свойств объекта может изменяться. Примером может служить робот с возможностью самообучения. Робот первоначально может рассматривать некоторое препятствие как статическое, а затем обнаруживает, что это дверь, которую можно открыть. В такой ситуации по мере получения новых знаний изменяется создаваемая роботом концептуальная модель мира.

Все свойства имеют некоторые значения. Эти значения могут быть простыми количественными характеристиками, а могут ссылаться на другой объект. Состояние лифта может описываться числом 3, означающим номер этажа, на котором лифт в данный момент находится. Состояние торгового автомата описывается в терминах других объектов, например, имеющихся в наличии напитков. Конкретные напитки - это самостоятельные объекты, отличные от торгового автомата (их можно пить, а автомат нет, и совершать с ними иные действия).

Таким образом, мы установили различие между объектами и простыми величинами: простые количественные характеристики (например, число 3) являются "постоянными, неизменными и непреходящими", тогда как объекты "существуют во времени, изменяются, имеют внутреннее состояние, преходящи и могут создаваться, уничтожаться и разделяться" [6].

Тот факт, что всякий объект имеет состояние, означает, что всякий объект занимает определенное пространство (физически или в памяти компьютера).

Примеры. Предположим, что на языке C++ нам нужно создать регистрационные записи о сотрудниках. Можно сделать это следующим образом:

struct PersonnelRecord {

char name[100];
int socialSecurityNumber;
char department[10];
float salary;

Каждый компонент в приведенной структуре обозначает конкретное свойство нашей абстракции регистрационной записи. Описание определяет не объект, а класс, поскольку оно не вводит какой-либо конкретный экземпляр [Точнее, это описание определяет структуру в C++, семантика которой соответствует классу, у которого все поля открыты. Таким образом, структуры - это неинкапсулированные абстракции]. Для того чтобы создать объекты данного класса, необходимо написать следующее:

PersonnelRecord deb, dave, karen, jim, torn, denise, kaitlyn, krista, elyse;

В данном случае объявлено девять различных объектов, каждый из которых занимает определенный участок в памяти. Хотя свойства этих объектов являются общими (их состояние представляется единообразно), в памяти объекты не пересекаются и занимают каждый свое место. На практике принято ограничивать доступ к состоянию объекта, а не делать его общедоступным, как в предыдущем определении класса. С учетом сказанного, изменим данное определение следующим образом:

class PersonnelRecord {
public:

char* employeeName() const;
int employeeSocialSecurityNumber() const;
char* employeeDepartment() const;

Новое определение несколько сложнее предыдущего, но по ряду соображений предпочтительнее [К вопросу о стилях: по критериям, которые вводятся в этой главе далее, предложенное определение класса PersonnelRecord - это далеко не шедевр. Мы хотим здесь только показать семантику состояния класса. Иметь в классе функцию, которая возвращает значение char*, часто опасно, так как это нарушает парадигму защиты памяти: если метод отводит себе память, за которую получивший к ней доступ клиент не отвечает, результатом будет замусоривание памяти. В наших системах мы предпочитаем использовать параметризованный класс строк переменной длины, который можно найти в базовой библиотеке классов, вроде той, что описана в главе 9. И еще: классы - это больше чем структуры из С с синтаксисом классов C++; как объясняется в главе 4, классификация требует определенного согласования структуры и поведения]. В частности, в новом определении реализация класса скрыта от других объектов. Если реализация класса будет в дальнейшем изменена, код придется перекомпилировать, но семантически клиенты не будут зависеть от этих изменении (то есть их код сохранится). Кроме того, решается также проблема занимаемой объектом памяти за счет явного определения операций, которые разрешены клиентам над объектами данного класса. В частности, мы даем всем клиентам право узнать имя, код социальной защиты и место работы сотрудника, но только особым клиентам (а именно, подклассам данного класса) разрешено устанавливать значения указанных параметров. Только этим специальным клиентам разрешен доступ к сведениям о заработной плате. Другое достоинство последнего определения связано с возможностью его повторного использования. В следующем разделе мы увидим, что механизм наследования позволяет повторно использовать абстракцию, а затем уточнить и многими способами специализировать ее.

В заключение скажем, что все объекты в системе инкапсулируют некоторое состояние, и все состояние системы инкапсулировано в объекты. Однако, инкапсуляция состояния объекта - это только начало, которого недостаточно, чтобы мы могли охватить полный смысл абстракций, которые мы вводим при разработке. По этой причине нам нужно разобраться, как объекты функционируют.

Поведение

Что такое поведение. Объекты не существуют изолированно, а подвергаются воздействию или сами воздействуют на другие объекты.

Поведение - это то, как объект действует и реагирует; поведение выражается в терминах состояния объекта и передачи сообщений.

Иными словами, поведение объекта - это его наблюдаемая и проверяемая извне деятельность.

Операцией называется определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию. Например, клиент может активизировать операции append и pop для того, чтобы управлять объектом-очередью (добавить или изъять элемент). Существует также операция length, которая позволяет определить размер очереди, но не может изменить это значение. В чисто объектно-ориентированном языке, таком как Smalltalk, принято говорить о передаче сообщений между объектами. В языках типа C++, в которых четче ощущается процедурное прошлое, мы говорим, что один объект вызывает функцию-член другого. В основном понятие сообщение совпадает с понятием операции над объектами, хотя механизм передачи различен. Для наших целей эти два термина могут использоваться как синонимы.

В объектно-ориентированных языках операции, выполняемые над данным объектом, называются методами и входят в определение класса объекта. В C++ они называются функциями-членами. Мы будем использовать эти термины как синонимы.

Передача сообщений - это одна часть уравнения, задающего поведение. Из нашего определения следует, что состояние объекта также влияет на его поведение. Рассмотрим торговый автомат. Мы можем сделать выбор, но поведение автомата будет зависеть от его состояния. Если мы не опустили в него достаточную сумму, скорее всего ничего не произойдет. Если же денег достаточно, автомат выдаст нам желаемое (и тем самым изменит свое состояние). Итак, поведение объекта определяется выполняемыми над ним операциями и его состоянием, причем некоторые операции имеют побочное действие: они изменяют состояние. Концепция побочного действия позволяет уточнить наше определение состояния:

Состояние объекта представляет суммарный результат его поведения.

Наиболее интересны те объекты, состояние которых не статично: их состояние изменяется и запрашивается операциями.

Примеры. Опишем на языке C++ класс Queue (очередь):

class Queue {
public:

Queue();
Queue(const Queue&);
virtual ~Queue();
virtual Queue& operator=(const Queue&);
virtual int operator==(const Queue&) const;
int operator!=(const Queue&) const;
virtual void clear();
virtual void append(const void*);
virtual void pop();
virtual void remove(int at);
virtual int length() const;
virtual int isEmpty() const;
virtual const void* front() const;
virtual int location(const void*);

В определении класса используется обычная для С идиома ссылки на данные неопределенного типа с помощью void*, благодаря чему в очередь можно вставлять объекты разных классов. Эта техника не безопасна - клиент должен ясно понимать, с каким (какого класса) объектом он имеет дело. Кроме того, при использовании void* очередь не "владеет" объектами, которые в нее помещены. Деструктор ~Queue() уничтожает очередь, но не ее участников. В следующем разделе мы рассмотрим параметризованные типы, которые помогают справляться с такими проблемами.

Так как определение Queue задает класс, а не объект, мы должны объявить экземпляры класса, с которыми могут работать клиенты:

Queue a, b, c, d;

Мы можем выполнять операции над объектами:

a.append(&deb);
a.append(&karen);
a.append (&denise);
b = a;
a.pop();

Теперь очередь а содержит двух сотрудников (первой стоит karen), а очередь b - троих (первой стоит deb). Таким образом, очереди имеют определенное состояние, которое влияет на их будущее поведение - например, одну очередь можно безопасно продвинуть (pop) еще два раза, а вторую - три.

Операции. Операция - это услуга, которую класс может предоставить своим клиентам. На практике типичный клиент совершает над объектами операции пяти видов [Липпман предложил несколько иную классификацию: функции управления, функции реализации, вспомогательные функции (все виды модификаторов) и функции доступа (эквивалентные селекторам) [7]]. Ниже приведены три наиболее распространенные операции:
 

• Модификатор	Операция, которая изменяет состояние объекта
• Селектор	Операция, считывающая состояние объекта, но не меняющая состояния
• Итератор	Операция, позволяющая организовать доступ ко всем частям объекта в строго определенной последовательности

 
Поскольку логика этих операций весьма различна, полезно выбрать такой стиль программирования, который учитывает эти различия в коде программы. В нашей спецификации класса Queue мы вначале перечислили все модификаторы (функции-члены без спецификаторов const - clear, append, pop, remove), а потом все селекторы (функции со спецификаторами const - length, isEmpty, front и location). Позднее в главе 9, следуя нашему стилю, мы определим отдельный класс, который действует как агент, отвечающий за итеративный просмотр очередей.

Две операции являются универсальными; они обеспечивают инфраструктуру, необходимую для создания и уничтожения экземпляров класса:
 

• Конструктор	Операция создания объекта и/или его инициализации
• Деструктор	Операция, освобождающая состояние объекта и/или разрушающая сам объект

 
В языке C++ конструктор и деструктор составляют часть описания класса, тогда как в Smalltalk и CLOS эти операторы определены в протоколе метакласса (то есть класса класса).

В чисто объектно-ориентированных языках, таких как Smalltalk, операции могут быть только методами, так как процедуры и функции вне классов в этом языке определять не допускается. Напротив, в языках Object Pascal, C++, CLOS и Ada допускается описывать операции как независимые от объектов подпрограммы. В C++ они называются функциями-нечленами; мы же будем здесь называть их свободными подпрограммами. Свободные подпрограммы - это процедуры и функции, которые выполняют роль операций высокого уровня над объектом или объектами одного или разных классов. Свободные процедуры группируются в соответствии с классами, для которых они создаются. Это дает основание называть такие пакеты процедур утилитами класса. Например, для определенного выше класса Queue можно написать следующую свободную процедуру:

void copyUntilFound(Queue& from, Queue& to, void* item)
{

Смысл в том, что содержимое одной очереди переходит в другую до тех пор, пока в голове первой очереди не окажется заданный объект. Это операция высокого уровня; она строится на операциях-примитивах класса Queue.

В C++ (и Smalltalk) принято собирать все логически связанные свободные подпрограммы и объявлять их частью некоторого класса, не имеющего состояния. Все такие функции будут статическими.

Таким образом, можно утверждать, что все методы - операции, но не все операции - методы: некоторые из них представляют собой свободные подпрограммы. Мы склонны использовать только методы, хотя, как будет показано в следующем разделе, иногда трудно удержаться от искушения, особенно если операция по своей природе выполняется над несколькими объектами разных классов и нет никаких причин объявить ее операцией именно одного класса, а не другого.

Роли и ответственности. Совокупность всех методов и свободных процедур, относящихся к конкретному объекту, образует протокол этого объекта. Протокол, таким образом, определяет поведение объекта, охватывающее все его статические и динамические аспекты. В самых нетривиальных абстракциях полезно подразделять протокол на частные аспекты поведения, которые мы будет называть ролями. Адамс говорит, что роль - это маска, которую носит объект [8]; она определяет контракт абстракции с ее клиентами.

Объединяя наши определения состояния и поведения объекта, Вирфс-Брок вводит понятие ответственности. "Ответственности объекта имеют две стороны - знания, которые объект поддерживает, и действия, которые объект может исполнить. Они выражают смысл его предназначения и место в системе. Ответственность понимается как совокупность всех услуг и всех контрактных обязательств объекта" [9]. Таким образом можно сказать, что состояние и поведение объекта определяют исполняемые им роли, а те, в свою очередь, необходимы для выполнения ответственности данной абстракции.

Действительно большинство интересных объектов исполняют в своей жизни разные роли, например [10]:

• Банковский счет может быть в хорошем или плохом состоянии (две роли), и от этой роли зависит, что произойдет при попытке снятия с него денег.
• Для фондового брокера пакет акций - это товар, который можно покупать или продавать, а для юриста это знак обладания определенными правами.
• В течении дня одна и та же персона может играть роль матери, врача, садовника и кинокритика.

Как мы увидим в главах 4 и 6, мы часто начинаем наш анализ с перечисления разных ролей, которые может играть объект. Во время проектирования мы выделяем эти роли, вводя конкретные операции, выполняющие ответственности каждой роли.

Объекты как автоматы. Наличие внутреннего состояния объектов означает, что порядок выполнения операций имеет существенное значение. Это наводит на мысль представить объект в качестве маленькой независимой машины [11]. Действительно, для ряда объектов такой временной порядок настолько существен, что наилучшим способом их формального описания будет конечный автомат. В главе 5 мы введем обозначения для описания иерархических конечных автоматов, которые можно использовать для выражения соответствующей семантики.

Продолжая аналогию с машинами, можно сказать, что объекты могут быть активными и пассивными. Активный объект имеет свой поток управления, а пассивный - нет. Активный объект в общем случае автономен, то есть он может проявлять свое поведение без воздействия со стороны других объектов. Пассивный объект, напротив, может изменять свое состояние только под воздействием других объектов. Таким образом, активные объекты системы - источники управляющих воздействий. Если система имеет несколько потоков управления, то и активных объектов может быть несколько. В последовательных системах обычно в каждый момент времени существует только один активный объект, например, главное окно, диспетчер которого ловит и обрабатывает все сообщения. В таком случае остальные объекты пассивны: их поведение проявляется, когда к ним обращается активный объект. В других видах последовательных архитектур (системы обработки транзакций) нет явного центра активности, и управление распределено среди пассивных объектов системы.

Идентичность

Семантика. Хошафян и Коуплэнд предложили следующее определение:

"Идентичность - это такое свойство объекта, которое отличает его от всех других объектов" [12].

Они отмечают, что "в большинстве языков программирования и управления базами данных для различения временных объектов их именуют, тем самым путая адресуемость и идентичность. Большинство баз данных различают постоянные объекты по ключевому атрибуту, тем самым смешивая идентичность и значение данных". Источником множества ошибок в объектно-ориентированном программировании является неумение отличать имя объекта от самого объекта.

Примеры. Начнем с определения точки на плоскости.

struct Point {

int x;
int y;
Point() : x(0), y(0) {}
Point(int xValue, int yValue) : x(xValue), y(yValue) {)

Мы определили point как структуру, а не как полноценный класс. Правило, на основании которого мы так поступили, очень просто. Если абстракция представляет собой собрание других объектов без какого-либо собственного поведения, мы делаем ее структурой. Однако, когда наша абстракция подразумевает более сложное поведение, чем простой доступ к полям структуры, то нужно определять класс. В данном случае абстракция point - это просто пара координат (x, y). Для удобства предусмотрено два конструктора: один инициализирует точку нулевыми значениями координат, а другой - некоторыми заданными значениями.

Теперь определим экранный объект (DisplayItem). Это абстракция довольно обычна для систем с графическим интерфейсом (GUI) - она является базовым классом для всех объектов, которые можно отображать в окне. Мы хотим сделать его чем-то большим, чем просто совокупностью точек. Надо, чтобы клиенты могли рисовать, выбирать объекты и перемещать их по экрану, а также запрашивать их положение и состояние. Мы записываем нашу абстракцию в виде следующего объявления на C++:

class DisplayItem {
public:

DisplayItem();
DisplayItem(const Point& location);
virtual ~DisplayItem();
virtual void draw();
virtual void erase();
virtual void select();
virtual void unselect();
virtual void move(const Point& location);
int isSelected() const;
Point location() const;
int isUnder(const Point& location) const;

В этом объявлении мы намеренно опустили конструкторы, а также операторы для копирования, присваивания и проверки на равенство. Их мы оставим до следующего раздела.

Мы ожидаем, что у этого класса будет много наследников, поэтому деструктор и все модификаторы объявлены виртуальными. В особенности это относится к draw. Напротив, селекторы скорее всего не будут переопределяться в подклассах. Заметьте, что один из них, isUnder, должен вычислять, накрывает ли объект данную точку, а не просто возвращать значение какого-то свойства.

Объявим экземпляры указанных классов:

DisplayItem item1;
DisplayItem* item2 = new DisplayItem(Point(75, 75));
DisplayItem* item3 = new DisplayItem(Point(100, 100));
DisplayItem* item4 = 0;

Рис. 3-1а показывает, что при выполнении этих операторов возникают четыре имени и три разных объекта. Конкретно, в памяти будут отведены четыре места под имена item1, item2, item3, item4. При этом item1 будет именем объекта класса DisplayItem, а три других будут указателями. Кроме того, лишь item2 и item3 будут на самом деле указывать на объекты класса DisplayItem. У объектов, на которые указывают item2 и item3, к тому же нет имен, хотя на них можно ссылаться "разыменовывая" соответствующие указатели: например, *item2. Поэтому мы можем сказать, что item2 указывает на отдельный объект класса DisplayItem, на имя которого мы можем косвенно ссылаться через *item2. Уникальная идентичность (но не обязательно имя) каждого объекта сохраняется на все время его существования, даже если его внутреннее состояние изменилось. Эта ситуация напоминает парадокс Зенона о реке: может ли река быть той же самый, если в ней каждый день течет разная вода?
 

Рассмотрим результат выполнения следующих операторов (рис. 3-1б):

item1.move(item2->location());
item4 = item3;
item4->move(Point(38, 100));

Объект item1 и объект, на который указывает item2, теперь относятся к одной и той же точке экрана. Указатель item4 стал указывать на тот же объект, что и item3. Кстати, заметьте разницу между выражениями "объект item2" и "объект, на который указывает item2". Второе выражение более точно, хотя для краткости мы часто будем использовать их как синонимы.

Хотя объект item1 и объект, на который указывает item2, имеют одинаковое состояние, они остаются разными объектами. Кроме того, мы изменили состояние объекта *item3, использовав его новое косвенное имя item4. Эта ситуация, которую мы называем структурной зависимостью, подразумевая под этим ситуацию, когда объект именуется более чем одним способом несколькими синонимичными именами. Структурная зависимость порождает в объектно-ориентированном программировании много проблем. Трудность распознания побочных эффектов при действиях с синонимичными объектами часто приводит к "утечкам памяти", неправильному доступу к памяти, и, хуже того, непрогнозируемому изменению состояния. Например, если мы уничтожим объект через указатель item3, то значение указателя item4 окажется бессмысленным; эта ситуация называется повисшей ссылкой. На рис. 3-1в иллюстрируется результат выполнения следующих действий:

item2 = &item1;
item4->move(item2->location());

В первой строке создается синоним: item2 указывает на тот же объект, что и item1. Во второй доступ к состоянию item1 получен через этот новый синоним. К сожалению, при этом произошла утечка памяти, - объект, на который первоначально указывала ссылка item2, никак не именуется ни прямо, ни косвенно, и его идентичность потеряна. В Smalltalk и CLOS память, отведенная под объекты, будет вновь возвращена системе сборщиком мусора. В языках типа C++ такая память не освобождается, пока не завершится программа, создавшая объект. Такие утечки памяти могут вызвать и просто неудобство, и крупные сбои, особенно, если программа должна непрерывно работать длительное время [Представьте себе утечку памяти в программе управления спутником или сердечным стимулятором. Перезапуск компьютера на спутнике в нескольких миллионах километров от Земли очень неудобен. Аналогично, непредсказуемая сборка мусора в программе, управляющей стимулятором, может оказаться смертельным для пациента. В таких случаях разработчики систем реального времени предпочитают воздерживаться от динамического распределения памяти].

Копирование, присваивание и равенство. Структурная зависимость имеет место, когда объект имеет несколько имен. В наиболее интересных приложениях объектно-ориентированного подхода использование синонимов просто неизбежно. Например, рассмотрим следующие две функции:

void highLight(DisplayItem& i);
void drag(DisplayItem i); // Опасно

Если вызвать первую функцию с параметром item1, будет создан псевдоним: формальный параметр i означает указатель на фактический параметр, и следовательно item1 и i именуют один и тот же объект во время выполнения функции. При вызове второй функции с аргументом item1 ей передается новый объект, являющийся копией item1: i обозначает совершенно другой объект, хотя и с тем же состоянием, что и item1. В C++ различается передача параметров по ссылке и по значению. Надо следить за этим, иначе можно нечаянно изменить копию объекта, желая изменить сам объект [В Smalltalk семантика передачи объектов методам в качестве аргументов является по своему духу эквивалентом передачи параметра по ссылке в C++]. Как мы увидим в следующем разделе, передача объектов по ссылке в C++ необходима для программирования полиморфного поведения. В общем случае, передача объектов по ссылке крайне желательна для достаточно сложных объектов, поскольку при этом копируется ссылка, а не состояние, и следовательно, достигается большая эффективность (за исключением тех случаев, когда передаваемое значение очень простое).

В некоторых обстоятельствах, однако, подразумевается именно копирование. В языках типа C++ семантику копирования можно контролировать. В частности, мы можем ввести копирующий конструктор в определение класса, как в следующем фрагменте кода, который можно было бы включить в описание класса DisplayItem:

DisplayItem(const DisplayItem&);

В C++ копирующий конструктор может быть вызван явно (как часть описания объекта) или неявно (с передачей объекта по значению). Отсутствие этого специального конструктора вызывает копирующий конструктор, действующий по умолчанию, который копирует объект поэлементно. Однако, когда объект содержит ссылки или указатели на другие объекты, такая операция приводит к созданию синонимов указателей на объекты, что делает поэлементное копирование опасным. Мы предлагаем эмпирическое правило: разрешать неявное размножение путем копирования только для объектов, содержащих исключительно примитивные значения, и делать его явным для более сложных объектов.

Это правило поясняет то, что некоторые языки называют "поверхностным" и "глубоким" копированием. Чтобы копировать объект, в языке Smalltalk введены методы shallowCopy (метод копирует только объект, а состояние является разделяемым) и deepCopy (метод копирует объект и состояние, если нужно - рекурсивно). Переопределяя эти методы для классов с агрегацией, можно добиваться эффекта "глубокого" копирования для одних частей объекта, и "поверхностного" копирования остальных частей.

Присваивание - это, вообще говоря, копирование. В C++ его смысл тоже можно изменять. Например, мы могли бы добавить в определение класса DisplayItem следующую строку:

virtual DisplayItem& operator=(const DisplayItem&);

Этот оператор намеренно сделан виртуальным, так как ожидается, что подклассы будут его переопределять. Как и в случае копирующего конструктора, копирование можно сделать "глубоким" и "поверхностным". Если оператор присваивания не переопределен явно, то по умолчанию объект копируется поэлементно.

С вопросом присваивания тесно связан вопрос равенства. Хотя вопрос кажется простым, равенство можно понимать двумя способами. Во-первых, два имени могут обозначать один и тот же объект. Во-вторых, это может быть равенство состояний у двух разных объектов. В примере на рис. 3-1в оба варианта тождественности будут справедливы для item1 и item2. Однако для item2 и item3 истинным будет только второй вариант.

В C++ нет предопределенного оператора равенства, поэтому мы должны определить равенство и неравенство, объявив эти операторы при описании:

virtual int operator=(const DisplayItem&) const;
int operator!=(const DisplayItem&) const;

Мы предлагаем описывать оператор равенства как виртуальный (так как ожидаем, что подклассы могут переопределять его поведение), и описывать оператор неравенства как невиртуальный (так как хотим, чтобы он всегда был логическим отрицанием равенства: подклассам не следует переопределять это).

Аналогичным образом мы можем создавать операторы сравнения объектов типа >= и <=.

Время жизни объектов. Началом времени существования любого объекта является момент его создания (отведение участка памяти), а окончанием - возвращение отведенного участка памяти системе.

Объекты создаются явно или неявно. Есть два способа создать их явно. Во-первых, это можно сделать при объявлении (как это было с item1): тогда объект размещается в стеке. Во-вторых, как в случае item3, можно разместить объект, то есть выделить ему память из "кучи". В C++ в любом случае при этом вызывается конструктор, который выделяет известное ему количество правильно инициализированной памяти под объект. В Smalltalk этим занимаются метаклассы, о семантике которых мы поговорим позже.

Часто объекты создаются неявно. Так, передача параметра по значению в C++ создает в стеке временную копию объекта. Более того, создание объектов транзитивно: создание объекта тянет за собой создание других объектов, входящих в него. Переопределение семантики копирующего конструктора и оператора присваивания в C++ разрешает явное управление тем, когда части объекта создаются и уничтожаются. К тому же в C++ можно переопределять и оператор new, тем самым изменяя политику управления памятью в "куче" для отдельных классов.

В Smalltalk и некоторых других языках при потере последней ссылки на объект его забирает сборщик мусора. В языках без сборки мусора, типа C++, объекты, созданные в стеке, уничтожаются при выходе из блока, в котором они были определены, но объекты, созданные в "куче" оператором new, продолжают существовать и занимать место в памяти: их необходимо явно уничтожать оператором delete. Если объект "забыть", не уничтожить, это вызовет, как уже было сказано выше, утечку памяти. Если же объект попробуют уничтожить повторно (например, через другой указатель), последствием будет сообщение о нарушении памяти или полный крах системы.

При явном или неявном уничтожении объекта в C++ вызывается соответствующий деструктор. Его задача не только освободить память, но и решить, что делать с другими ресурсами, например, с открытыми файлами [Деструкторы не освобождают автоматически память, размещенную оператором new, программисты должны явно освободить ее].

Уничтожение долгоживущих объектов имеет несколько другую семантику. Как говорилось в предыдущей главе, некоторые объекты могут быть долгоживущими; под этим понимается, что их время жизни может выходить за время жизни породивших их программ. Обычно такие объекты являются частью некой долговременной объектной структуры, поэтому вопросы их жизни и смерти относятся скорее к политике соответствующей объектно-ориентированной базы данных. В таких системах для обеспечения долгой жизни наиболее принят подход на основе постоянных "подмешиваемых классов". Все объекты, которым мы хотим обеспечить долгую жизнь, должны наследовать от этих классов.

3.2. Отношения между объектами

Типы отношений

Сами по себе объекты не представляют никакого интереса: только в процессе взаимодействия объектов реализуется система. По выражению Ингалса: "Вместо процессора, беззастенчиво перемалывающего структуры данных, мы получаем сообщество хорошо воспитанных объектов, которые вежливо просят друг друга об услугах" [13]. Самолет, по определению, "совокупность элементов, каждый из которых по своей природе стремится упасть на землю, но за счет совместных непрерывных усилий преодолевающих эту тенденцию" [14]. Он летит только благодаря согласованным усилиям своих компонентов.

Отношения двух любых объектов основываются на предположениях, которыми один обладает относительно другого: об операциях, которые можно выполнять, и об ожидаемом поведении. Особый интерес для объектно-ориентированного анализа и проектирования представляют два типа иерархических соотношений объектов:

• связи;
• агрегация.

Связи

Семантика. Мы заимствуем понятие связи у Румбаха, который определяет его как "физическое или концептуальное соединение между объектами" [16]. Объект сотрудничает с другими объектами через связи, соединяющие его с ними. Другими словами, связь - это специфическое сопоставление, через которое клиент запрашивает услугу у объекта-сервера или через которое один объект находит путь к другому.

На рис. 3-2 показано несколько разных связей. Они отмечены линиями и означают как бы пути прохождения сообщений. Сами сообщения показаны стрелками (соответственно их направлению) и помечены именем операции. На рисунке объект aController связан с двумя объектами класса DisplayItem (объекты a и b). В свою очередь, оба, вероятно, связаны с aView, но нам была интересна только одна из этих связей. Только вдоль связи один объект может послать сообщение другому.

Связь между объектами и передача сообщений обычно односторонняя (как на рисунке; хотя технически она может быть и взаимной). Как мы увидим в главе 5, подобное разделение прав и обязанностей типично для хорошо структурированных объектных систем [На самом деле организация объектов, показанная на рис. 3-2, встречается настолько часто, что ее можно считать типовым проектным решением. В Smalltalk аналогичный механизм известен как MVC, model/view/controller (модель/представление/контроллер). Как мы увидим в следующей главе, хорошо структурированные системы имеют много таких опознаваемых типовых решений]. Заметьте также, что хотя передаваемое сообщение инициализировано клиентом (в данном случае aController), данные передаются в обоих направлениях. Например, когда aController вызывает операцию move для пересылки данных объекту а, данные передаются от клиента серверу, но при выполнении операции isUnder над объектом b, результат передается от сервера клиенту.

Участвуя в связи, объект может выполнять одну из следующих трех ролей:

• Актер [Actor - это деятель, исполнитель. А исполнитель ролей, это и есть актер. - Примеч. ред.]. Объект может воздействовать на другие объекты, но сам никогда не подвергается воздействию других объектов; в определенном смысле это соответствует понятию активный объект.
 

• Сервер. Объект может только подвергаться воздействию со стороны других объектов, но он никогда не выступает в роли воздействующего объекта.

• Агент. Такой объект может выступать как в активной, так и в пассивной роли; как правило, объект-агент создается для выполнения операций в интересах какого-либо объекта-актера или агента.

На рис. 3-2 объект aController выступает как актер, объект a - как агент и объект aView - как сервер.

Пример. Во многих промышленных процессах требуется непрерывное изменение температуры. Необходимо поднять температуру до заданного значения, выдержать заданное время и понизить до нормы. Профиль изменения температуры у разных процессов разный; зеркало телескопа надо охлаждать очень медленно, а закаляемую сталь очень быстро.

Абстракция нагрева имеет достаточно четкое поведение, что дает нам право на описание такого класса. Сначала определим тип, значение которого задает прошедшее время в минутах.

// Число прошедших минут
typedef unsigned int Minute;

Теперь опишем сам класс TemperatureRamp, который по смыслу задает функцию времени от температуры:

class TemperatureRamp {
public:

TemperatureRamp();
virtual ~TemperatureRamp();
virtual void clear();
virtual void bind (Temperature, Minute);
Temperature TemperatureAt (Minute);

Выдерживая наш стиль, мы описали некоторые из операций виртуальными, так как ожидаем, что этот класс будет иметь подклассы.

На самом деле в смысле поведения нам надо нечто большее, чем просто зависимость температуры от времени. Пусть, например, известно, что на 60-й минуте должна быть достигнута температура 250¦F, а на 180-й - 150¦F. Спрашивается, какой она должна быть на 120-й минуте? Это требует линейной интерполяции, так что требуемое от абстракции поведение усложняется.

Вместе с тем, управления нагревателем, поддерживающего требуемый профиль, мы от этой абстракции не требуем. Мы предпочитаем разделение понятий, при котором нужное поведение достигается взаимодействием трех объектов: экземпляра TemperatureRamp, нагревателя и контроллера. Класс TemperatureController можно определить так:

class TemperatureController {
public:

TemperatureController(Location);
~TemperatureController();
void process(const TemperatureRamp&);
Minute schedule(const TemperatureRamp&) const;

Тип Location был определен в главе 2. Заметьте, что мы не ожидаем наследования от этого класса и поэтому не объявляем в нем никаких виртуальных функций.

Операция process обеспечивает основное поведение этой абстракции; ее назначение - передать график изменения температуры нагревателю, установленному в конкретном месте. Например, объявим:

TemperatureRamp growingRamp;
TemperatureController rampController(7);

Теперь зададим пару точек и загрузим план в контроллер::

growingRamp.bind (250, 60);
growingRamp.bind(150, 180);
rampController.process(growingRamp);

В этом примере rampController - агент, ответственный за выполнение температурного плана, он использует объект growingRamp как сервер. Эта связь проявляется хотя бы в том, что rampController явно получает growingRamp в качестве параметра одной из своих операций.

Одно замечание по поводу нашего стиля. На первый взгляд может показаться, что наши абстракции - лишь объектные оболочки для элементов, полученных в результате обычной функциональной декомпозиции. Пример операции schedule показывает, что это не так. Объекты класса TemperatureController имеют достаточно интеллекта, чтобы определять расписание для конкретных профилей, и мы включаем эту операцию как дополнительное поведение нашей абстракции. В некоторых энергоемких технологиях (например, плавка металлов) можно существенно выиграть, если учитывать остывание установки и тепло, остающееся после предыдущей плавки. Поскольку существует операция schedule, клиент может запросить объект TemperatureController, чтобы тот рекомендовал оптимальный момент запуска следующего нагрева.

Видимость. Пусть есть два объекта А и в и связь между ними. Чтобы А мог послать сообщение в, надо, чтобы в был в каком-то смысле видим для А. Мы можем не заботиться об этом на стадии анализа, но когда дело доходит до реализации системы, мы должны обеспечить видимость связанных объектов.

В предыдущем примере объект rampController видит объект growingRamp, поскольку оба они объявлены в одной области видимости и потому, что growingRamp передается объекту rampController в качестве параметра. В принципе есть следующие четыре способа обеспечить видимость.

• Сервер глобален по отношению к клиенту.
• Сервер (или указатель на него) передан клиенту в качестве параметра операции.
• Сервер является частью клиента.
• Сервер локально порождается клиентом в ходе выполнения какой-либо операции.

Синхронизация. Когда один объект посылает по связи сообщение другому, связанному с ним, они, как говорят, синхронизируются. В строго последовательном приложении синхронизация объектов и состоит в запуске метода (см. врезку ниже). Однако в многопоточной системе объекты требуют более изощренной схемы передачи сообщений, чтобы разрешить проблемы взаимного исключения, типичные для параллельных систем. Активные объекты сами по себе выполняются как потоки, поэтому присутствие других активных объектов на них обычно не влияет. Если же активный объект имеет связь с пассивным, возможны следующие три подхода к синхронизации:

• Последовательный - семантика пассивного объекта обеспечивается в присутствии только одного активного процесса.
• Защищенный - семантика пассивного объекта обеспечивается в присутствии многих потоков управления, но активные клиенты должны договориться и обеспечить взаимное исключение.
• Синхронный - семантика пассивного объекта обеспечивается в присутствии многих потоков управления; взаимное исключение обеспечивает сервер.

Агрегация

Семантика. В то время, как связи обозначают равноправные или "клиент-серверные" отношения между объектами, агрегация описывает отношения целого и части, приводящие к соответствующей иерархии объектов, причем, идя от целого (агрегата), мы можем придти к его частям (атрибутам). В этом смысле агрегация - специализированный частный случай ассоциации. На рис. 3-3 объект rampController имеет связь с объектом growingRamp и атрибут h класса Heater (нагреватель). В данном случае rampController - целое, a h - его часть. Другими словами, h - часть состояния rampController. Исходя из rampController, можно найти соответствующий нагреватель. Однако по h нельзя найти содержащий его объект (называемый также его контейнером), если только сведения о нем не являются случайно частью состояния h.
 

Агрегация может означать физическое вхождение одного объекта в другой, но не обязательно. Самолет состоит из крыльев, двигателей, шасси и прочих частей. С другой стороны, отношения акционера с его акциями - это агрегация, которая не предусматривает физического включения. Акционер монопольно владеет своими акциями, но они в него не входят физически. Это, несомненно, отношение агрегации, но скорее концептуальное, чем физическое по своей природе.

Выбирая одно из двух - связь или агрегацию - надо иметь в виду следующее. Агрегация иногда предпочтительнее, поскольку позволяет скрыть части в целом. Иногда наоборот предпочтительнее связи, поскольку они слабее и менее ограничительны. Принимая решение, надо взвесить все.

Объект, являющийся атрибутом другого объекта (агрегата), имеет связь со своим агрегатом. Через эту связь агрегат может посылать ему сообщения.

Пример. Добавим в спецификацию класса TemperatureController описание нагревателя:

Heater h;

После этого каждый объект TemperatureController будет иметь свой нагреватель. В соответствии с нашим определением класса Heater в предыдущей главе мы должны инициализировать нагреватель при создании нового контроллера, так как сам этот класс не предусматривает конструктора по умолчанию. Мы могли бы определить конструктор класса TemperatureController следующим образом:

TemperatureController::TemperatureController(Location 1) : h(1) {}

3.3. Природа классов

Что такое класс?

Понятия класса и объекта настолько тесно связаны, что невозможно говорить об объекте безотносительно к его классу. Однако существует важное различие этих двух понятий. В то время как объект обозначает конкретную сущность, определенную во времени и в пространстве, класс определяет лишь абстракцию существенного в объекте. Таким образом, можно говорить о классе "Млекопитающие", который включает характеристики, общие для всех млекопитающих. Для указания на конкретного представителя млекопитающих необходимо сказать "это - млекопитающее" или "то - млекопитающее".
 

В общепонятных терминах можно дать следующее определение класса: "группа, множество или вид с общими свойствами или общим свойством, разновидностями, отличиями по качеству, возможностями или условиями" [17]. В контексте объектно-ориентированного анализа дадим следующее определение класса:

Класс - это некое множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение.

Любой конкретный объект является просто экземпляром класса. Что же не является классом? Объект не является классом, хотя в дальнейшем мы увидим, что класс может быть объектом. Объекты, не связанные общностью структуры и поведения, нельзя объединить в класс, так как по определению они не связаны между собой ничем, кроме того, что все они объекты.

Важно отметить, что классы, как их понимают в большинстве существующих языков программирования, необходимы, но не достаточны для декомпозиции сложных систем. Некоторые абстракции так сложны, что не могут быть выражены в терминах простого описания класса. Например, на достаточно высоком уровне абстракции графический интерфейс пользователя, база данных или система учета как целое, это явные объекты, но не классы [Можно попытаться выразить такие абстракции одним классом, но повторной используемости и возможности наследования не получится. Иметь громоздкий интерфейс - плохая практика, так как большинство клиентов использует только малую его часть. Более того, изменение одной части этого гигантского интерфейса требует обновления каждого из клиентов, независимо от того, затронуло ли его это изменение по сути. Вложенность классов не устраняет этих проблем, а только откладывает их]. Лучше считать их некими совокупностями (кластерами) сотрудничающих классов. Страуструп называет такие кластеры компонентами [18]. Мы же, по причинам, которые будут объяснены в главе 5, называем такие кластеры категориями классов.

Интерфейс и реализация

Мейер [19] и Снайдерс [20] высказали идею контрактного программирования:

большие задачи надо разделить на много маленьких и перепоручить их мелким субподрядчикам. Нигде эта идея не проявляет себя так ярко, как в проектировании классов.

По своей природе, класс - это генеральный контракт между абстракцией и всеми ее клиентами. Выразителем обязательств класса служит его интерфейс, причем в языках с сильной типизацией потенциальные нарушения контракта можно обнаружить уже на стадии компиляции.

Идея контрактного программирования приводит нас к разграничению внешнего облика, то есть интерфейса, и внутреннего устройства класса, реализации. Главное в интерфейсе - объявление операций, поддерживаемых экземплярами класса. К нему можно добавить объявления других классов, переменных, констант и исключительных ситуаций, уточняющих абстракцию, которую класс должен выражать. Напротив, реализация класса никому, кроме него самого, не интересна. По большей части реализация состоит в определении операций, объявленных в интерфейсе класса.

Мы можем разделить интерфейс класса на три части:

• открытую (public) - видимую всем клиентам;
• защищенную (protected) - видимую самому классу, его подклассам и друзьям (friends);
• закрытую (private) - видимую только самому классу и его друзьям.

В частности, в C++ все три перечисленных уровня доступа определяются явно. В дополнение к этому есть еще и механизм друзей, с помощью которого посторонним классам можно предоставить привилегию видеть закрытую и защищенную области класса. Тем самым нарушается инкапсуляция, поэтому, как и в жизни, друзей надо выбирать осторожно. В Ada объявления могут быть сделаны закрытыми или открытыми. В Smalltalk все переменные - закрыты, а методы - открыты. В Object Pascal все поля и операции открыты, то есть никакой инкапсуляции нет [Речь идет о старых версиях Object Pascal - Прим. редактора-2]. В CLOS обобщенные функции открыты, а слоты могут быть закрытыми, хотя узнать их значения все равно можно.

Состояние объекта задается в его классе через определения констант или переменных, помещаемые в его защищенной или закрытой части. Тем самым они инкапсулированы, и их изменения не влияют на клиентов.

Внимательный читатель может спросить, почему же представление объекта определяется в интерфейсной части класса, а не в его реализации. Причины чисто практические: в противном случае понадобились бы объектно-ориентированные процессоры или очень хитроумные компиляторы. Когда компилятор обрабатывает объявление объекта, например, такое:

DisplayItem item1;

он должен знать, сколько отвести под него памяти. Если бы эта информация содержалась в реализации класса, нам пришлось бы написать ее полностью, прежде, чем мы смогли бы задействовать его клиентов. То есть, весь смысл отделения интерфейса от реализации был бы потерян.

Константы и переменные, составляющие представление класса, известны под разными именами. В Smalltalk их называют переменные экземпляра, в Object Pascal - поля, в C++ - члены класса, а в CLOS - слоты. Мы часто будем использовать эти термины как синонимы.

Жизненный цикл класса

В поведении простых классов можно разобраться, изучая операции их открытой части. Однако поведение более интересных классов (такое как перемещение объекта класса DisplayItem или составление расписания для экземпляра класса TemperatureController) включает взаимодействие разных операций, входящих в класс. Как уже говорилось выше, объекты таких классов действуют как маленькие машины, части которых взаимодействуют друг с другом, и так как все такие объекты имеют одно и то же поведение, можно использовать класс для описания их общей семантики, упорядоченной по времени и событиям. Как будет показано в главе 5, мы можем описывать динамику поведения объектов, используя модель конечного автомата.

3.4. Отношения между классами

Типы отношений

Рассмотрим сходства и различия между следующими классами: цветы, маргаритки, красные розы, желтые розы, лепестки и божьи коровки. Мы можем заметить следующее:

• Маргаритка - цветок.
• Роза - (другой) цветок.
• Красная и желтая розы - розы.
• Лепесток является частью обоих видов цветов.
• Божьи коровки питаются вредителями, поражающими некоторые цветы.

Отношения между классами могут означать одно из двух. Во-первых, у них может быть что-то общее. Например, и маргаритки, и розы - это разновидности цветов: и те, и другие имеют ярко окрашенные лепестки, испускают аромат и так далее. Во-вторых, может быть какая-то семантическая связь. Например, красные розы больше похожи на желтые розы, чем на маргаритки. Но между розами и маргаритками больше общего, чем между цветами и лепестками. Также существует симбиотическая связь между цветами и божьими коровками: божьи коровки защищают цветы от вредителей, которые, в свою очередь, служат пищей божьим коровкам.

Известны три основных типа отношений между классами [22]. Во-первых, это отношение "обобщение/специализация" (общее и частное), известное как "is-a". Розы суть цветы, что значит: розы являются специализированным частным случаем, подклассом более общего класса "цветы". Во вторых, это отношение "целое/ часть", известное как "part of". Так, лепестки являются частью цветов. В-третьих, это семантические, смысловые отношения, ассоциации. Например, божьи коровки ассоциируются с цветами - хотя, казалось бы, что у них общего. Или вот: розы и свечи - и то, и другое можно использовать для украшения стола.

Языки программирования выработали несколько общих подходов к выражению отношений этих трех типов. В частности, большинство объектно-ориентированных языков непосредственно поддерживают разные комбинации следующих видов отношений:

• ассоциация
• наследование
• агрегация
• использование
• инстанцирование
• метакласс.

Из шести перечисленных видов отношений наиболее общим и неопределенным является ассоциация. Как мы увидим в главе 6, обычно аналитик констатирует наличие ассоциации и, постепенно уточняя проект, превращает ее в какую-то более специализированную связь.

Наследование, вероятно, следует считать самым интересным семантически. Оно выражает отношение общего и частного. Однако, по нашему опыту, одного наследования недостаточно, чтобы выразить все многообразие явлений и отношений жизни. Полезна также агрегация, отражающая отношения целого и части между экземплярами классов. Нелишне добавить отношение использования, означающее наличие связи между экземплярами классов. Имея дело с языками Ada, Eiffel и C++, нам не обойтись без инстанцирования, которое, подобно наследованию, является специфической разновидностью обобщения. "Метаклассовые" отношения - это нечто совершенно иное, в явном виде встречающееся только в языках Smalltalk и CLOS. Метакласс - это класс классов, что позволяет нам трактовать классы как объекты.
 

Ассоциация

Пример. Желая автоматизировать розничную торговую точку, мы обнаруживаем две абстракции - товары и продажи. На рис. 3-4 показана ассоциация, которую мы при этом усматриваем. Класс Product - это то, что мы продали в некоторой сделке, а класс Sale - сама сделка, в которой продано несколько товаров. Надо полагать, ассоциация работает в обе стороны: задавшись товаром, можно выйти на сделку, в которой он был продан, а пойдя от сделки, найти, что было продано.

В C++ это можно выразить с помощью того, что Румбах называет погребенными указателями [24]. Вот две выдержки из объявления соответствующих классов:

class Product;

class Sale;

class Product {
public:
...
protected:

Sale* lastSale;

Это ассоциация вида "один-ко-многим": каждый экземпляр товара относится только к одной последней продаже, в то время как каждый экземпляр Sale может указывать на совокупность проданных товаров.

Семантические зависимости. Как показывает этот пример, ассоциация - смысловая связь. По умолчанию, она не имеет направления (если не оговорено противное, ассоциация, как в данном примере, подразумевает двухстороннюю связь) и не объясняет, как классы общаются друг с другом (мы можем только отметить семантическую зависимость, указав, какие роли классы играют друг для друга). Однако именно это нам требуется на ранней стадии анализа. Итак, мы фиксируем участников, их роли и (как будет сказано далее) мощность отношения.

Мощность. В предыдущем примере мы имели ассоциацию "один ко многим". Тем самым мы обозначили ее мощность (то есть, грубо говоря, количество участников). На практике важно различать три случая мощности ассоциации:

• "один-к-одному"
• "один-ко-многим"
• "многие-ко-многим".

Наследование

Примеры. Находящиеся в полете космические зонды посылают на наземные станции информацию о состоянии своих основных систем (например, источников энергоснабжения и двигателей) и измерения датчиков (таких как датчики радиации, масс-спектрометры, телекамеры, фиксаторы столкновений с микрометеоритами и т.д.). Вся совокупность передаваемой информации называется телеметрическими данными. Как правило, они передаются в виде потока данных, состоящего из заголовка (включающего временные метки и ключи для идентификации последующих данных) и нескольких пакетов данных от подсистем и датчиков. Все это выглядит как простой набор разнотипных данных, поэтому для описания каждого типа данных телеметрии сами собой напрашиваются структуры:

class Time...

struct ElectricalData {

Time timeStamp;
int id;
float fuelCell1Voltage, fuelCell2Voltage;
float fuelCell1Amperes, fuelCell2Amperes;
float currentPower;

Однако такое описание имеет ряд недостатков. Во-первых, структура класса ElectricalData не защищена, то есть клиент может вызвать изменение такой важной информации, как timeStamp или currentPower (мощность, развиваемая обеими электробатареями, которую можно вычислить из тока и напряжения). Во-вторых, эта структура является полностью открытой, то есть ее модификации (добавление новых элементов в структуру или изменение типа существующих элементов) влияют на клиентов. Как минимум, приходится заново компилировать все описания, связанные каким-либо образом с этой структурой. Еще важнее, что внесение в структуру изменений может нарушить логику отношений с клиентами, а следовательно, логику всей программы. Кроме того, приведенное описание структуры очень трудно для восприятия. По отношению к такой структуре можно выполнить множество различных действий (пересылка данных, вычисление контрольной суммы для определения ошибок и т.д.), но все они не будут связаны с приведенной структурой логически. Наконец, предположим, что анализ требований к системе обусловил наличие нескольких сотен разновидностей телеметрических данных, включающих показанную выше структуру и другие электрические параметры в разных контрольных точках системы. Очевидно, что описание такого количества дополнительных структур будет избыточным как из-за повторяемости структур, так и из-за наличия общих функций обработки.
 

Лучше было бы создать для каждого вида телеметрических данных отдельный класс, что позволит защитить данные в каждом классе и увязать их с выполняемыми операциями. Но этот подход не решает проблему избыточности.

Значительно лучше построить иерархию классов, в которой от общих классов с помощью наследования образуются более специализированные; например, следующим образом:

class TelemetryData {
public:

TelemetryData();
virtual ~TelemetryData();
virtual void transmit();
Time currentTime() const;

int id;
Time timeStamp;

В этом примере введен класс, имеющий конструктор, деструктор (который иаследники могут переопределить) и функции transmit и currentTime, видимые для всех клиентов. Защищенные элементы id и timeStamp несколько лучше инкапсулированы - они доступны только классу и его подклассам. Заметьте, что функция currentTlrne сделана открытой, благодаря чему значение timeStamp можно читать (но не изменять).

Теперь разберемся с ElectricalData:

class ElectricalData : public TelemetryData {
public:

ElectricalData(float v1, float v2, float a1, float a2);
virtual ~ElectricalData();
virtual void.transmit();
float currentPower() const;

float fuelCell1Voltage, fuelCell2Voltage;
float fuelCell1Amperes, fuelCell2Amperes;

Этот класс - наследник класса TelemetryData, но исходная структура дополнена (четырьмя новыми элементами), а поведение - переопределено (изменена функция transmit). Кроме того, добавлена функция currentPower.

Одиночное наследование. Попросту говоря, наследование - это такое отношение между классами, когда один класс повторяет структуру и поведение другого класса (одиночное наследование) или других (множественное наследование) классов. Класс, структура и поведение которого наследуются, называется суперклассом. Так, TelemetryData. является суперклассом для ElectricalData. Производный от суперкласса класс называется подклассом. Это означает, что наследование устанавливает между классами иерархию общего и частного. В этом смысле ElectricalData является более специализированным классом более общего TelemetryData. Мы уже видели, что в подклассе структура и поведение исходного суперкласса дополняются и переопределяются. Наличие механизма наследования отличает объектно-ориентированные языки от объектных.

Подкласс обычно расширяет или ограничивает существующую структуру и поведение своего суперкласса. Например, подкласс GuardedQueue может добавлять к поведению суперкласса Queue операции, которые защищают состояние очереди от одновременного изменения несколькими независимыми потоками. Обратный пример: подкласс UnselectableDisplayItem может ограничить поведение своего суперкласса DisplayItem, запретив выделение объекта на экране. Часто подклассы делают и то, и другое.

Отношения одиночного наследования от суперкласса TelemetryData показаны на рис. 3-5. Стрелки обозначают отношения общего к частному. В частности, Cameradata - это разновидность класса SensorData, который в свою очередь является разновидностью класса TelemetryData. Такой же тип иерархии характерен для семантических сетей, которые часто используются специалистами по распознаванию образов и искусственному интеллекту для организации баз знаний [25]. В главе 4 мы покажем, что правильная организация иерархии абстракций - это вопрос логической классификации.
 

Можно ожидать, что для некоторых классов на рис. 3-5 будут созданы экземпляры, а для других - нет. Наиболее вероятно образование объектов самых специализированных классов ElectricalData и SpectrometerData (такие классы называют конкретными классами, или листьями иерархического дерева). Образование объектов из классов, занимающих промежуточное положение (SensorData или тем более TelemetryData), менее вероятно. Классы, экземпляры которых не создаются, называются абстрактными. Ожидается, что подклассы абстрактных классов доопределят их до жизнеспособной абстракции, наполняя класс содержанием. В языке Smalltalk разработчик может заставить подкласс переопределить метод, помещая в реализацию метода суперкласса вызов метода SubclassResponsibility. Если метод не переопределен, то при попытке выполнить его генерируется ошибка. Аналогично, в C++ существует возможность объявлять функции чисто виртуальными. Если они не переопределены, экземпляр такого класса невозможно создать.

Самый общий класс в иерархии классов называется базовым. В большинстве приложений базовых классов бывает несколько, и они отражают наиболее общие абстракции предметной области. На самом деле, особенно в C++, хорошо сделанная структура классов - это скорее лес из деревьев наследования, чем одна многоэтажная структура наследования с одним корнем. Но в некоторых языках программирования определен базовый класс самого верхнего уровня, который является единым суперклассом для всех остальных классов. В языке Smalltalk эту роль играет класс object.

У класса обычно бывает два вида клиентов [26]:

• экземпляры;
• подклассы.

Есть серьезные противоречия между потребностями наследования и инкапсуляции. В значительной мере наследование открывает наследующему классу некоторые секреты. На практике, чтобы понять, как работает какой-то класс, часто надо изучить все его суперклассы в их внутренних деталях.

Наследование подразумевает, что подклассы повторяют структуры их суперклассов. В предыдущем примере экземпляры класса ElectricalData содержат элементы структуры суперкласса (id и timeStamp) и более специализированные элементы (fuelCell1Voltage, fuelCell2Voltage, fuelCell1Amperes, fuelCell2Amperes) [Некоторые языки объектно-ориентированного программирования, главным образом экспериментальные, позволяют подклассу сокращать структуру его суперкласса].

Поведение суперклассов также наследуется. Применительно к объектам класса ElectricalData можно использовать операции currentTime (унаследована от суперкласса), currentPower (определена в классе) и transmit (переопределена в подклассе). В большинстве языков допускается не только наследование методов суперкласса, но также добавление новых и переопределение существующих методов. В Smalltalk любой метод суперкласса можно переопределить в подклассе.

В C++ степень контроля за этим несколько выше. Функция, объявленная виртуальной (функция transmit в предыдущем примере), может быть в подклассе переопределена, а остальные (currentTime) - нет.

Одиночный полиморфизм. Пусть функция transmit класса TelemetryData реализована следующим образом:

void TelemetryData::transmit()
{

В классе ElectricalData та же функция переопределена:

void ElectricalData::transmit()
{

Эта функция сначала вызывает одноименную функцию суперкласса с помощью ее явно квалифицированного имени TelemetryData::transmit(). Та передаст заголовок пакета (id и timeStamp), после чего в подклассе передаются его собственные данные.

Определим теперь экземпляры двух описанных выше классов:

TelemetryData telemetry;
ElectricalData electrical(5.0, -5.0, 3.0, 7.0);

Теперь определим свободную процедуру:

void transmitFreshData (TelemetryData& d, const Time& t)
{

Что произойдет, если выполнить следующие два оператора?

transmitFreshData(telemetry, Time(60));
transmitFreshData(electrical, Time(120));

В первом операторе будет передан уже известный нам заголовок. Во втором будет передан он же, плюс четыре числа в формате с плавающей точкой, содержащие результаты измерений электрических параметров. Почему это так? Ведь функция transmitFreshData ничего не знает о классе объекта, она просто выполняет d.transmit()! Это был пример полиморфизма. Переменная d может обозначать объекты разных классов. У этих классов есть общий суперкласс и они, хотя и по разному, могут реагировать на одно и то же сообщение, одинаково понимая его смысл.

Карделли и Вегнер заметили, что "традиционные типизированные языки типа Pascal основаны на той идее, что функции и процедуры, а следовательно, и операнды должны иметь определенный тип. Это свойство называется мономорфизмом, то есть каждая переменная и каждое значение относятся к одному определенному типу. В противоположность мономорфизму полиморфизм допускает отнесение значений и переменных к нескольким типам" [28]. Впервые идею полиморфизма ad hoc описал Страчи [29], имея в виду возможность переопределять смысл символов, таких, как "+", сообразно потребности. В современном программировании мы называем это перегрузкой. Например, в C++ можно определить несколько функций с одним и тем же именем, и они будут автоматически различаться по количеству и типам своих аргументов. Совокупность этих признаков называется сигнатурой функции; в языке Ada к этому списку добавляется тип возвращаемого значения. Страчи говорил также о параметрическом полиморфизме, который мы сейчас называем просто полиморфизмом.

При отсутствии полиморфизма код программы вынуждено содержит множество операторов выбора case или switch. Например, на языке Pascal невозможно образовать иерархию классов телеметрических данных; вместо этого придется определить одну большую запись с вариантами, включающую все разновидности данных. Для выбора варианта нужно проверить метку, определяющую тип записи. На языке Pascal процедура TransmitFreshData может быть написана следующим образом:

const

Electrical = 1;
Propulsion = 2;
Spectrometer = 3;

Чтобы ввести новый тип телеметрических данных, нужно модифицировать эту вариантную запись, добавив новый тип в каждый оператор case. В такой ситуации увеличивается вероятность ошибок, и проект становится нестабильным.

Наследование позволяет различать разновидности абстракций, и монолитные типы становятся не нужны. Каплан и Джонсон отметили, что "полиморфизм наиболее целесообразен в тех случаях, когда несколько классов имеют одинаковые протоколы" [30]. Полиморфизм позволяет обойтись без операторов выбора, поскольку объекты сами знают свой тип.

Наследование без полиморфизма возможно, но не очень полезно. Это видно на примере Ada, где можно объявлять производные типы, но из-за мономорфизма языка операции жестко задаются на стадии компиляции.

Полиморфизм тесно связан с механизмом позднего связывания. При полиморфизме связь метода и имени определяется только в процессе выполнения программ. В C++ программист имеет возможность выбирать между ранним и поздним связыванием имени с операцией. Если функция виртуальная, связывание будет поздним и, следовательно, функция полиморфна. Если нет, то связывание происходит при компиляции и ничего изменить потом нельзя. Этому вопросу посвящена следующая врезка.

Наследование и типизация. Рассмотрим еще раз переопределение функции transmit:

void ElectricalData::transmit()
{

В большинстве объектно-ориентированных языков программирования при реализации метода подкласса разрешается вызывать напрямую метод какого-либо суперкласса. Как видно из примера, это допускается и в том случае, если метод подкласса имеет такое же имя и фактически переопределяет метод суперкласса. В Smalltalk метод вышестоящего класса вызывают с помощью ключевого слова super, при этом вызывающий может указывать на самого себя с помощью ключевого слова self. В C++ метод любого достижимого вышестоящего класса можно вызывать, добавляя имя класса в качестве префикса, формируя квалифицированное имя метода (как TelemetryData::transmit() в нашем примере). Вызывающий объект может ссылаться на себя с помощью предопределенного указателя this.

На практике метод суперкласса вызывается до или после дополнительных действий. Метод подкласса уточняет или дополняет поведение суперкласса [В CLOS эти различные роли метода выражаются явно с помощью дополнительных квалификаторов :before, :after или :around. Метод без дополнительного квалификатора считается первичным и выполняет основную работу, обеспечивающую требуемое поведение. Before-метод вызывается до первичного, after-метод - после первичного, around-метод действует как оболочка вокруг первичного метода, которая вызывается изнутри этого метода функцией call-next-method].

Все подклассы на рис. 3-5 являются также подтипами вышестоящего класса. В частности, ElectricalData является подтипом TelemetryData. Система типов, развивающаяся параллельно наследованию, обычна для объектно-ориентированных языков с сильной типизацией, включая C++. Для Smalltalk, который едва ли вообще можно считать типизированным, типы не имеют значения.
 

Поиск метода Рассмотрим иерархию (рис. 3-6), в которой имеется базовый класс и три подкласса с именами circle, Triangle и Rectangle. Для класса Rectangle определен в свою очередь подкласс SolidRectangle. Предположим, что в классе DisplayItem определена переменная экземпляра theCenter (задающая координаты центра изображения), а также следующие операции: draw - нарисовать изображение; move - передвинуть изображение; location - вернуть координаты изображения. Операция location является общей для всех подклассов и не требует обязательного переопределения. Однако, поскольку только подклассы могут знать, как их изображать и передвигать, операции draw и move должны быть переопределены.   Рис. 3-6. Диаграмма класса DisplayItem. Класс Circle имеет переменную theRadius и соответственно операции для установки (set) и чтения значения этой переменной. Для этого класса операция draw формирует изображение окружности заданного радиуса с центром в точке theCenter. В классе Rectangle есть переменные theHeight и theWidth и соответствующие операции установки и чтения их значений. Операция draw в данном случае формирует изображение прямоугольника заданной высоты и ширины с центром в заданной точке theCenter. Подкласс SolidRectangle наследует все особенности класса Rectangle, но операция draw в этом подклассе переопределена. Сначала вызывается draw вышестоящего класса, а затем полученный контур заполняется цветом. Теперь рассмотрим следующий фрагмент программы: DisplayItem* items[10];  for (unsigned index = 0; index < 10; index++) items[index]->draw(); Вызов draw требует полиморфного поведения. У нас есть разнородный массив объектов, содержащий указатели на любые разновидности DisplayItem. Пусть некоторый клиент хочет, чтобы они все изобразили себя на экране. Наш подход - перебрать элементы массива и послать каждому указываемому объекту сообщение draw. Компилятор не может определить, какую функцию и откуда надо при этом вызвать, так как невозможно предсказать, на что будут указывать элементы массива во время выполнения программы. Посмотрим, как эта задача будет решаться в разных объектно-ориентированных языках. Поскольку в Smalltalk нет типов, методы вызываются строго динамически. Когда клиент посылает сообщение draw очередному получателю, происходит следующее: получатель ищет селектор сообщения в словаре методов своего класса; если метод найден, то запускается его код; если нет, поиск производится в словаре методов суперкласса. Таким образом, поиск распространяется вверх по иерархии и заканчивается на классе object, который является "предком" всех классов. Если метод не найден и там, посылается сообщение doesNotUnderstand, то есть, генерируется ошибка. Главным действующим лицом в этом алгоритме является словарь методов. Он формируется при создании класса и, являясь частью его реализации, скрыт от клиентов. Вызов метода в Smalltalk требует примерно в 1.5 раза больше времени, чем вызов простой подпрограммы. В коммерческих версиях Smalltalk вызов методов ускорен на 20-30% за счет кеширования доступа к словарю [31]. Операция draw в подклассе solidRectangle представляет собой особый случай. Мы уже отмечали, что вначале вызывается одноименный метод суперкласса Rectangle. В Smalltalk для вызова метода суперкласса используется ключевое слово super. Поиск метода super draw начинается сразу с суперкласса. Исследования Дейча дают основание полагать, что полиморфизм в 85% случаев не нужен, так что вызов метода часто можно свести к обычному вызову процедуры [32]. Дафф замечает, что в таких ситуациях программист часто делает неявные предположения, которые бы позволили раннее связывание [33]. К сожалению, в нетипизированных языках у него нет способа сообщить об этом компилятору. В более строго типизированных языках, таких как C++, такой способ есть. В этих языках алгоритм вызова методов несколько отличается от описанного выше и позволяет сократить во многих случаях время поиска, сохранив при этом свойства полиморфизма. В C++ операции для позднего связывания объявляются виртуальными (virtual), а все остальные обрабатываются компилятором как обычные вызовы подпрограмм. В нашем примере draw - виртуальная функция, a location - обычная. Есть еще одно средство, используя которое можно выиграть в скорости. Невиртуальные методы могут быть объявлены подставляемыми (inline), при этом соответствующая подпрограмма не вызывается, а явно включается в код на манер макроподстановки. Для управления виртуальными функциями в C++ используется концепция vtable (виртуальных таблиц), которые формируются для каждого объекта при его создании (то есть когда класс объекта уже известен). Такая таблица содержит список указателей на виртуальные функции. Например, при создании объекта класса Rectangle виртуальная таблица будет содержать запись для виртуальной функции draw, содержащую указатель на ближайшую в иерархии реализацию функции draw. Если в классе DisplayItem есть виртуальная функция rotate, которая в классе Rectangle не переопределена, то соответствующий указатель для rotate останется связан с классом DisplayItem. Во время исполнения программы происходит косвенное обращение через соответствующий указатель и сразу выполняется нужный код без всякого поиска [34]. Операция draw в классе SolidRectangle представляет собой особый случай и в языке C++. Чтобы вызвать метод draw из суперкласса, применяется специальный префикс, указывающий на место определения функции. Это выглядит следующим образом: Rectangle::Draw();  Исследование Страуструпа показало, что вызов виртуальной функции по эффективности мало уступает вызову обычной функции [35]. Для одиночного наследования вызов виртуальной функции требует дополнительно выполнения трех-четырех операций доступа к памяти по отношению к обычному вызову; при множественном наследовании число таких дополнительных операций составляет пять или шесть. Существенно сложнее выполняется поиск нужных функций в языке CLOS, здесь используются дополнительные квалификаторы: : before, : after, : around. Наличие множественного полиморфизма еще более усложняет проблему. При вызове метода в языке CLOS, как правило, реализуется следующий алгоритм: Определяется тип аргументов.  Вычисляется множество допустимых методов.  Методы сортируются в направлении от наиболее специализированных к более общим.  Выполняются вызовы всех методов с квалификатором : before.  Выполняется вызов наиболее специализированного первичного метода.  Выполняются вызовы всех методов с квалификаторами : after.  Возвращается значение первичного метода [36].  В CLOS есть протокол для метаобъектов, который позволяет переопределять в том числе и этот алгоритм. На практике, однако, мало кто заходит так далеко. Как справедливо отметили Винстон и Хорн: "Алгоритмы, используемые в языке CLOS, сложны, и даже кудесники программирования стараются не вникать в их детали, так же как физики предпочитают иметь дело с механикой Ньютона, а не с квантовой механикой" [37].

 
Параллелей между типизацией и наследованием следует ожидать там, где иерархия общего и частного предназначена для выражения смысловых связей между абстракциями. Рассмотрим снова объявления в C++:

TelenetryData telemetry;
ElectrycalData electrical(5.0, -5.0, 3.0, 7.0);

Следующий оператор присваивания правомочен:

telemetry = electrical; //electrical - это подтип telemetry

Хотя он формально правилен, он опасен: любые дополнения в состоянии подкласса по сравнению с состоянием суперкласса просто срезаются. Таким образом, дополнительные четыре параметра, определенные в подклассе electrical, будут потеряны при копировании, поскольку их просто некуда записать в объекте telemetry клacca TelemetryData.

Следующий оператор неправилен:

electrical = telemetry; //неправильно: telemetry - это не подтип electrical

Можно сделать заключение, что присвоение объекту y значения объекта x допустимо, если тип объекта x совпадает с типом объекта y или является его подтипом.

В большинстве строго типизированных языков программирования допускается преобразование значений из одного типа в другой, но только в тех случаях, когда между двумя типами существует отношение класс/подкласс. В языке C++ есть оператор явного преобразования, называемый приведением типов. Как правило, такие преобразования используются по отношению к объекту специализированного класса, чтобы присвоить его значение объекту более общего класса. Такое приведение типов считается безопасным, поскольку во время компиляции осуществляется семантический контроль. Иногда необходимы операции приведения объектов более общего класса к специализированным классам. Эти операции не являются надежными с точки зрения строгой типизации, так как во время выполнения программы может возникнуть несоответствие (несовместимость) приводимого объекта с новым типом [Новейшие усовершенствования C++, направленные на динамическое определение типа, смягчили эту проблему]. Однако такие преобразования достаточно часто используются в тех случаях, когда программист хорошо представляет себе все типы объектов. Например, если нет параметризованных типов, часто создаются классы set или bag, представляющие собой наборы произвольных объектов. Их определяют для некоторого базового класса (это гораздо безопаснее, чем использовать идиому void*, как мы делали, определяя класс Queue). Итерационные операции, определенные для такого класса, умеют возвращать только объекты этого базового класса. Внутри конкретного приложения разработчик может использовать этот класс, создавая объекты только какого-то специализированного подкласса, и, зная, что именно он собирается помещать в этот класс, может написать соответствующий преобразователь. Но вся эта стройная конструкция рухнет во время выполнения, если в наборе встретится какой-либо объект неожиданного типа.

Большинство сильно типизированных языков позволяют приложениям оптимизировать технику вызова методов, зачастую сводя пересылку сообщения к простому вызову процедуры. Если, как в C++, иерархия типов совпадает с иерархией классов, такая оптимизация очевидна. Но у нее есть недостатки. Изменение структуры или поведения какого-нибудь суперкласса может поставить вне закона его подклассы. Вот что об этом пишет Микаллеф: "Если правила образования типов основаны на наследовании и мы переделываем какой-нибудь класс так, что меняется его положение в иерархии наследования, клиенты этого класса могут оказаться вне закона с точки зрения типов, несмотря на то, что внешний интерфейс класса остается прежним" [38].

Тем самым мы подходим к фундаментальным вопросам наследования. Как было сказано выше, наследование используется в связи с тем, что у объектов есть что-то общее или между ними есть смысловая ассоциация. Выражая ту же мысль иными словами, Снайдерс пишет: "наследование можно рассматривать, как способ управления повторным использованием программ, то есть, как простое решение разработчика о заимствовании полезного кода. В этом случае механика наследования должна быть гибкой и легко перестраиваемой. Другая точка зрения: наследование отражает принципиальную родственность абстракций, которую невозможно отменить" [39]. В Smalltalk и CLOS эти два аспекта неразделимы. C++ более гибок. В частности, при определении класса его суперкласс можно объявить public (как ElectricalData в нашем примере). В этом случае подкласс считается также и подтипом, то есть обязуется выполнять все обязательства суперкласса, в частности обеспечивая совместимое с суперклассом подмножество интерфейса и обладая неразличимым с точки зрения клиентов суперкласса поведением. Но если при определении класса объявить его суперкласс как private, это будет означать, что, наследуя структуру и поведение суперкласса, подкласс уже не будет его подтипом [Мы можем также объявить суперкласс защищенным, что даст ту же семантику, что и в случае закрытого суперкласса, но открытые и защищенные элементы такого суперкласса будут доступны подклассам]. Это означает, что открытые и защищенные члены суперкласса станут закрытыми членами подкласса, и следовательно они будут недоступны подклассам более низкого уровня. Кроме того, тот факт, что подкласс не будет подтипом, означает, что класс и суперкласс обладают несовместимыми (вообще говоря) интерфейсами с точки зрения клиента. Определим новый класс:

class InternalElectricalData: private ElectricalData {
public:

InternalElectricalData(float v1, float v2, float a1, float a2);
virtual ~InternalElectricalData();
ElectricalData::currentPower;

Здесь суперкласс ElectricalData объявлен закрытым. Следовательно, его методы, такие, например, как transmit, недоступны клиентам. Поскольку класс InternalElectricalData не является подтипом ElectricalData, мы уже не сможем присваивать экземпляры подкласса объектам суперкласса, как в случае объявления суперкласса в качестве открытого. Отметим, что функция currentPower сделана видимой путем ее явной квалификации. Иначе она осталась бы закрытой. Как можно было ожидать, правила C++ запрещают делать унаследованный элемент в подклассе "более открытым", чем в суперклассе. Так, член timeStamp, объявленный в классе TelemetryData защищенным, не может быть сделан в подклассе открытым путем явного упоминания (как это было сделано для функции currentpower).

В языке Ada для достижения аналогичного эффекта вместо подтипов используется механизм производных типов. Определение подтипа означает не появление нового типа, а лишь ограничение существующего. А вот определение производного типа создает самостоятельный новый тип, который имеет структуру, заимствованную у исходного типа.

В следующем разделе мы покажем, что наследование с целью повторного использования и агрегация до некоторой степени противоречат друг другу.

Множественное наследование. Мы рассмотрели вопросы, связанные с одиночным наследованием, то есть, когда подкласс имеет ровно один суперкласс. Однако, как указали Влиссидес и Линтон: "одиночное наследование при всей своей полезности часто заставляет программиста выбирать между двумя равно привлекательными классами. Это ограничивает возможность повторного использования предопределенных классов и заставляет дублировать уже имеющиеся коды. Например, нельзя унаследовать графический элемент, который был бы одновременно окружностью и картинкой; приходится наследовать что-то одно и добавлять необходимое от второго" [40].

Множественное наследование прямо поддерживается в языках C++ и CLOS, а также, до некоторой степени, в Smalltalk. Необходимость множественного наследования в OOP остается предметом горячих споров. По нашему опыту, множественное наследование - как парашют: как правило, он не нужен, но, когда вдруг он понадобится, будет жаль, если его не окажется под рукой.

Представьте себе, что нам надо организовать учет различных видов материального и нематериального имущества - банковских счетов, недвижимости, акций и облигаций. Банковские счета бывают текущие и сберегательные. Акции и облигации можно отнести к ценным бумагам, управление ими совершенно отлично от банковских счетов, но и счета и ценные бумаги - это разновидности имущества.

Однако есть много других полезных классификаций тех же видов имущества. В каком-то контексте может потребоваться отличать то, что можно застраховать (недвижимость и, до некоторой степени, сберегательные вклады). Другой аспект - способность имущества приносить дивиденды; это общее свойство банковских счетов и ценных бумаг.

Очевидно, одиночное наследование в данном случае не отражает реальности, так что придется прибегнуть к множественному [В действительности, это - "лакмусовая бумажка" для множественного наследования. Если мы составим структуру классов, в которой конечные классы (листья) могут быть сгруппированы в множества по разным ортогональным признакам (как в нашем примере, где такими признаками были способность приносить дивиденды и возможность страховки) и эти множества перекрываются, то это служит признаком невозможности обойтись одной структурой наследования, в которой бы существовали какие-то промежуточные классы с нужным поведением. Мы можем исправить ситуацию, используя множественное наследование, чтобы соединить два нужных поведения там, где это необходимо]. Получившаяся структура классов показана на рис. 3-7. На нем класс Security (ценные бумаги) наследует одновременно от классов InterestBearingItem (источник дивидендов) и Asset (имущество). Сходным образом, BankAccount (банковский счет) наследует сразу от трех классов: InsurableItem (страхуемое) и уже известным Asset и InterestBearingItem.

Вот как это выражается на C++. Сначала базовые классы:

class Asset ...
class InsurableItem ...
class InterestBearingItem ...

Теперь промежуточные классы; каждый наследует от нескольких суперклассов:

class BankAccount: public Asset, public InsurableItem, public InterestBearingItem ...
class RealEstate: public Asset, public InsurableItem ...
class Security: public Asset, public InterestBearingItem ...

Наконец, листья:

class SavingsAccount: public BankAccount ...
class CheckingAccount: public BankAccount ...
class Stock: public Security ...
class Bond: public Security ...

Проектирование структур классов со множественным наследованием - трудная задача, решаемая путем последовательных приближений. Есть две специфические для множественного наследования проблемы - как разрешить конфликты имен между суперклассами и что делать с повторным наследованием.

Конфликт имен происходит, когда в двух или более суперклассах случайно оказывается элемент (переменная или метод) с одинаковым именем. Представьте себе, что как Asset, так и InsurableItem содержат атрибут presentValue, обозначающий текущую стоимость. Так как класс RealEstate наследует обоим этим классам, как понимать наследование двух операций с одним и тем же именем? Это, на самом деле, главная беда множественного наследования: конфликт имен может ввести двусмысленность в поведение класса с несколькими предками.

Борются с этим конфликтом тремя способами. Во-первых, можно считать конфликт имен ошибкой и отвергать его при компиляции (так делают Smalltalk и Eiffel, хотя в Eiffel конфликт можно разрешить, исправив имя). Во-вторых, можно считать, что одинаковые имена означают одинаковый атрибут (так делает CLOS). В третьих, для устранения конфликта разрешается добавить к именам префиксы, указывающие имена классов, откуда они пришли. Такой подход принят в C++ [В C++ конфликт имен элементов подкласса может быть разрешен полной квалификацией имени члена класса. Функции-члены с одинаковыми именами и сигнатурами семантическими считаются идентичными].

О второй проблеме, повторном наследовании, Мейер пишет следующее: "Одно тонкое затруднение при использовании множественного наследования встречается, когда один класс является наследником другого по нескольким линиям. Если в языке разрешено множественное наследование, рано или поздно кто-нибудь напишет класс D, который наследует от B и C, которые, в свою очередь, наследуют от A. Эта ситуация называется повторным наследованием, и с ней нужно корректно обращаться" [41]. Рассмотрим следующий класс:

class MutualFund: public Stock, public Bond ...

который дважды наследует от класса security.

Проблема повторного наследования решается тремя способами. Во-первых, можно его запретить, отслеживая при компиляции. Так сделано в языках Smalltalk и Eiffel (но в Eiffel, опять-таки допускается переименование для устранения неопределенности). Во-вторых, можно явно развести две копии унаследованного элемента, добавляя к именам префиксы в виде имени класса-источника (это один из подходов, принятых в C++). В-третьих, можно рассматривать множественные ссылки на один и тот же класс, как обозначающие один и тот же класс. Так поступают в C++, где повторяющийся суперкласс определяется как виртуальный базовый класс. Виртуальный базовый класс появляется, когда какой-либо подкласс именует другой класс своим суперклассом и отмечает этот суперкласс как виртуальный, чтобы показать, что это - общий (shared) класс. Аналогично, в языке CLOS повторно наследуемые классы "обобществляются" с использованием механизма, называемого список следования классов. Этот список заводят для каждого нового класса, помещая в него сам этот класс и все его суперклассы без повторений на основе следующих правил:

• класс всегда предшествует своему суперклассу;
• каждый класс сам определяет порядок следования своих непосредственных родителей.

При множественном наследовании часто используется прием создания примесей (mixin). Идея примесей происходит из языка Flavors: можно комбинировать (смешивать) небольшие классы, чтобы строить классы с более сложным поведением. Хендлер пишет об этом так: "примесь синтаксически ничем не отличается от класса, но назначение их разное. Примесь не предназначена для порождения самостоятельно используемых экземпляров - она смешивается с другими классами" [44]. На рис. 3-7 классы InsurableItem и interestBearingItem - это примеси. Ни один из них не может существовать сам по себе, они используются для придания смысла другим классам [Для языка CLOS при обогащении поведения существующих первичных методов обычной практикой является строить примесь, используя только :before- и :after-методы]. Таким образом, примесь - это класс, выражающий не поведение, а одну какую-то хорошо определенную повадку, которую можно привить другим классам через наследование. При этом повадка эта обычно ортогональна собственному поведению наследующего ее класса. Классы, сконструированные целиком из примесей, называют агрегатными.

Множественный полиморфизм. Вернемся к одной из функций-членов класса DisplayItem:

virtual void draw();

Эта операция изображает объект на экране в некотором контексте. Она объявлена виртуальной, то есть полиморфной, переопределяемой подклассами. Когда эту операцию вызывают для какого-то объекта, программа определяет, что, собственно, выполнять (см. врезку выше). Это одиночный полиморфизм в том смысле, что смысл сообщения зависит только от одного параметра, а именно, объекта, для которого вызывается операция.

На самом деле операция draw должна бы зависеть от характеристик используемой системы отображения, в частности от графического режима. Например, в одном случае мы хотим получить изображение с высоким разрешением, а в другом - быстро получить черновое изображение. Можно ввести две различных операции, скажем, drawGraphic и drawText, но это не совсем то, что хотелось бы. Дело в том, что каждый раз, когда требуется учесть новый вид устройства, его надо проводить по всей иерархии надклассов для класса DisplayItem.

В CLOS есть так называемые мультиметоды. Они полиморфны, то есть их смысл зависит от множества параметров (например, от графического режима и от объекта). В C++ мультиметодов нет, поэтому там используется идиома так называемый двойной диспетчеризации.

Например, мы могли бы вести иерархию устройств отображения информации от базового класса DisplayDevice, а атем определить метод класса DisplayItem так:

virtual void draw(DisplayDevice&);

При реализации этого метода мы вызываем графические операции, которые полиморфны относительно переданного параметра типа DisplayItem, таким образом происходит двойная диспетчеризация: draw сначала демонстрирует полиморфное поведение в зависимости от того, к какому подклассу класса DisplayItem принадлежит объект, а затем полиморфизм проявляется в зависимости от того, к какому подклассу класса DisplayDevice принадлежит аргумент. Эту идиому можно продолжить до множественной диспетчеризации.

Агрегация

Пример. Отношение агрегации между классами имеет непосредственное отношение к агрегации между их экземплярами. Рассмотрим вновь класс TemperatureController:

class TemperatureController {
public:

TemperatureController(Location);
~TemratureController();
void process(const TemperatureRamp&);
Minute schedule(const TemperatureRamp&) const;

Heater h;

Как явствует из рис. 3-8, класс TemperatureController это, несомненно, целое, а экземпляр класса Heater - одна из его частей. Совершенно такое же отношение агрегации между экземплярами этих классов показано на рис. 3-3.

Физическое включение. В случае класса TemperatureController мы имеем агрегацию по значению; эта разновидность физического включения означает, что объект класса Heater не существует отдельно от объемлющего экземпляра класса TemperatureController.

Менее обязывающим является включение по ссылке. Мы могли бы изменить закрытую часть TemperatureController так [В качестве альтернативы мы могли бы описать h как ссылку на нагреватель (Heater& в C++), в этом случае семантика инициализации и модификации этого объекта будет совершенно отличной от семантики указателей]:

Heater* h;

В этом случае класс TemperatureController по-прежнему означает целое, но его часть, экземпляр класса Heater, содержится в целом косвенно. Теперь эти объекты живут отдельно друг от друга: мы можем создавать и уничтожать экземпляры классов независимо. Чтобы избежать структурной зависимости через ссылки важно придерживаться какой-то договоренности относительно создания и уничтожения объектов, ссылки на которые могут содержаться в разных местах. Нужно, чтобы это делал кто-то один.

Агрегация является направленной, как и всякое отношение "целое/часть". Объект Heater входит в объект TemperatureController, и не наоборот. Физическое вхождение одного в другое нельзя "зациклить", а вот указатели - можно (каждый из двух объектов может содержать указатель на другой).

Конечно, как уже говорилось, агрегация не требует обязательного физического включения, ни по значению, ни по ссылке. Например, акционер владеет акциями, но они не являются его физической частью. Более того, время жизни этих объектов может быть совершенно различным, хотя концептуально отношение целого и части сохраняется и каждая акция входит в имущество своего акционера. Поэтому агрегация может быть очень косвенной. Например, объект класса Shareholder (акционер) может содержать ключ записи об этом акционере в базе данных акций. Это тоже агрегация без физического включения. "Лакмусовая бумажка" для выявления агрегации такова: если (и только если) налицо отношение "целое/часть" между объектами, их классы должны находиться в отношении агрегации друг с другом.
 

Часто агрегацию путают с множественным наследованием. Действительно, в C++ скрытое (защищенное или закрытое) наследование почти всегда можно заменить скрытой агрегацией экземпляра суперкласса. Решая, с чем вы имеете дело - с наследованием или агрегацией - будьте осторожны. Если вы не уверены, что налицо отношение общего и частного (is а), вместо наследования лучше применить агрегацию или что-нибудь еще.

Использование

Пример. В недавнем примере объекты rampController и growingRamp иллюстрировали связь между объектами, которую мы представляли в виде отношения использования между их классами TemperatureController и TemperatureRamp.

class TemperatureController {
public:

TemperatureController(Location);
~TemperatureController();
void process(const TemperatureRamp&);
Minute schedule(const TemperatureRamp&) const;

Heater h;

Класс TemperatureRamp упомянут как часть сигнатуры функции-члена process; это дает нам основания сказать, что класс TemperatureController пользуется услугами класса TemperatureRamp.

Клиенты и серверы. Отношение использования между классами соответствует равноправной связи между их экземплярами. Это то, во что превращается ассоциация, если оказывается, что одна из ее сторон (клиент) пользуется услугами другой (сервера). Пример клиент-серверных отношений показан на рис. 3-9.

На самом деле, один класс может использовать другой по-разному. В нашем примере это происходит в сигнатуре интерфейсной функции. Можно представить, что TemperatureController внутри реализации функции schedule использует, например, экземпляр класса Predictor (предсказатель). Отношения целого и части тут ни при чем, поскольку этот объект не входит в объект TemperatureController, а только используется. В типичном случае такое отношение использования проявляет себя, если в реализации какой-либо операции происходит объявление локального объекта используемого класса.

Строгое отношение использования иногда несколько ограничительно, поскольку клиент имеет доступ только к открытой части интерфейса сервера. Иногда по тактическим соображениям мы должны нарушить инкапсуляцию, для чего, собственно, и служат "дружеские" отношения классов в C++.

Инстанцирование

Примеры. Наша первая попытка сконструировать класс Queue (очередь) была не особенно успешной, поскольку нам не удалось сделать его безопасным в отношении типов. Мы можем значительно усовершенствовать нашу абстракцию, если прибегнем к конструкции параметризованных классов, которая поддерживается языками C++ и Eiffel.

Template<class Item>
class Queue {
public:

Queue();
Queue(const Queue<Item>&);
virtual ~Queue();
virtual Queue<Item>& operator=(const Queue<Item>&);
virtual int operator==(const Queue<Item>&) const;
int operator!=(const Queue<Item>&) const;
virtual void clear();
virtual void append(const Item&);
virtual void pop();
virtual void remove(int at);
virtual int length() const;
virtual int isEmpty() const;
virtual const Item& front() const;
virtual int location(const void*);

В этом новом варианте не используется идиома void*, вместо этого объекты помещаются в очередь и достаются из нее через класс item, объявленный как аргумент шаблона.

Параметризованный класс не может иметь экземпляров, пока он не будет инстанцирован. Объявим две конкретных очереди - очередь целых чисел и очередь экранных объектов:

Queue<int> intQueue;
Queue<DisplayItem*> itemQueue;

Объекты intQueue и itemQueue - это экземпляры совершенно различных классов, которые даже не имеют общего суперкласса. Тем не менее, они получены из одного параметризованного класса Queue. По причинам, которые мы объясним позже в главе 9, во втором случае мы поместили в очередь указатели. Благодаря этому, любые объекты подклассов DisplayItem, помещенные в очередь, не будут "срезаться", но сохранят свое полиморфное поведение.
 

Это инстанцирование безопасно с точки зрения типов. По правилам C++ будет отвергнута любая попытка поместить в очередь или извлечь из нее что-либо кроме, соответственно, целых чисел и разновидностей DisplayItem.

Отношения между параметризованным классом Queue, его инстанцированием для класса DisplayItem и экземпляром itemQueue показаны на рис. 3-10.

Обобщенные классы. Существует четыре основных способа создавать такие классы, как параметризованный класс Queue. Во-первых, мы можем использовать макроопределения. Именно так это было в раннем C++, но, как пишет Страуструп, "данный подход годился только для небольших проектов" [45], так как макросы неуклюжи и находятся вне семантики языка, более того, при каждом инстанцировании создается новая копия программного кода. Во-вторых, можно положиться на позднее связывание и наследование, как это делается в Smalltalk [46]. При таком подходе мы можем строить только неоднородные контейнерные классы, так как в языке нет средства ввести нужный класс элементов контейнера; каждый элемент в контейнере трактуется как экземпляр некоторого удаленного базового класса. Третий способ реализован в языках семейства Object Pascal, которые имеют и сильные типы, и наследование, но не поддерживают никакой разновидности параметризованных классов. В этом случае приходится создавать обобщенные контейнеры, как в Smalltalk, но использовать явную проверку типа объекта, прежде чем помещать его в контейнер. Наконец, есть собственно параметризованные классы, впервые появившиеся в CLU. Параметризованный класс представляет собой что-то вроде шаблона для построения других классов; шаблон может быть параметризован другими классами, объектами или операциями. Параметризованный класс должен быть инстанцирован перед созданием экземпляров. Механизм обобщенных классов есть в C++ и Eiffel.

Как можно заметить из рис. 3-10, чтобы инстанцировать параметризованный класс Queue мы должны использовать другой класс, например, DisplayItem. Благодаря этому отношение инстанцирования почти всегда подразумевает отношение использования.

Мейер указывает, что наследование - более мощный механизм, чем обобщенные классы и что через наследование можно получить большинство преимуществ обобщенных классов, но не наоборот [47]. Нам кажется, что лучше, когда языки поддерживают и то, и другое.

Параметризованные классы полезны далеко не только для создания контейнеров. Например, Страуструп отмечает их значение для обобщенной арифметики [48].

При проектировании обобщенные классы позволяют выразить некоторые свойства протоколов классов. Класс экспортирует операции, которые можно выполнять над его экземплярами. Наоборот, параметризующий аргумент класса служит для импорта классов и значений, предоставляющих некоторый протокол. C++ проверяет их взаимное соответствие при компиляции, когда фактически и происходит инстанцирование. Например, мы могли бы определить упорядоченную очередь объектов, отсортированных по некоторому критерию. Этот параметризованный класс должен иметь аргумент (класс Item), и требовать от этого аргумента определенное поведение (наличие операции вычисления порядка). При инстанцировании в качестве класса Item годится любой класс, который имеет соответствующий протокол. Таким образом, поведение классов в семействе, происходящем от одного параметризованного класса, может изменяться в весьма широких пределах.

Метаклассы

Как было сказано, любой объект является экземпляром какого-либо класса. Что будет, если мы попробуем и с самими классами обращаться как с объектами? Для этого нам надо ответить на вопрос, что же такое класс класса? Ответ - это метакласс. Иными словами, метакласс - это класс, экземпляры которого суть классы. Метаклассы венчают объектную модель в чисто объектно-ориентированных языках. Соответственно, они есть в Smalltalk и CLOS, но не в C++.

Вот как Робсон мотивирует потребность в метаклассах: "классы доставляют программисту интерфейс для определения объектов. Если так, то желательно, чтобы и сами классы были объектами, так, чтобы ими можно было манипулировать, как всеми остальными описаниями" [49].

В языках типа Smalltalk первичное назначение метакласса - поддержка переменных класса (которые являются общими для всех экземпляров этого класса), операции инициализации переменных класса и создания единичного экземпляра метакласса [50]. По соглашению, метакласс Smalltalk обычно содержит примеры использования его классов. Например, как показано на рис. 3-11, мы могли бы задать переменную класса nextId для метакласса TelemetryData, чтобы вырабатывать идентифицирующие метки при создании каждого экземпляра TelemetryData. Аналогично, мы могли бы определить оператор порождения новых экземпляров класса, который изготавливал бы их, скажем, в некотором предварительно выделенном пуле памяти.

Хотя в C++ метаклассов нет, семантика его конструкторов и деструкторов служит целям, аналогичным тем, что вызвали к жизни метаклассы. C++ имеет средства поддержки и переменных класса, и операций метакласса. Конкретно, в C++ можно описать члены данных или функции класса как статические (static), что будет означать: этот элемент является общим для всех экземпляров класса. Статические члены класса в C++ эквивалентны переменным класса в Smalltalk. Статическая функция-член класса играет роль операций метакласса в Smalltalk.

Как мы уже отмечали, в CLOS аппарат метаклассов еще сильнее чем в Smalltalk. Через него можно изменять саму семантику элементов: следование классов, обобщенные функции и методы. Главное преимущество - возможность экспериментировать с другими объектно-ориентированными парадигмами и создавать такие инструменты для разработчика, как броузеры классов и объектов.
 

В CLOS есть предопределенный класс с именем standard-class, который является метаклассом для всех нетипизированных классов, определенных с помощью defclass. В этом метаклассе есть метод make-instance, который создает экземпляры. Кроме того, в нем определена вся техника работы со списком следования классов. Все это можно изменить.

Методы и обобщенные функции в CLOS тоже можно рассматривать как объекты. Так как они несколько отличаются от обычных объектов, то в совокупности объекты, соответствующие классам, методам и обобщенным функциям, называются метаобьектами. Каждый метод является экземпляром предопределенного класса standard-method, а каждая функция является экземпляром предопределенного класса standard-generic-function. Поскольку поведение этих предопределенных классов можно изменить, удается влиять на трактовку методов и обобщенных функций.

3.5. Взаимосвязь классов и объектов.

Отношения между классами и объектами

Классы и объекты - это отдельные, но тесно связанные понятия. В частности, каждый объект является экземпляром какого-либо класса; класс может порождать любое число объектов. В большинстве практических случаев классы статичны, то есть все их особенности и содержание определены в процессе компиляции программы. Из этого следует, что любой созданный объект относится к строго фиксированному классу. Сами объекты, напротив, в процессе выполнения программы создаются и уничтожаются.

В качестве примера рассмотрим классы и объекты для задачи управления воздушным движением. Наиболее важные абстракции в этой сфере - самолеты, графики полетов, маршрут и коридоры в воздушном пространстве. Трактовка этих классов объектов по самому их определению достаточно статична. Иначе невозможно было бы построить никакого приложения, использующего такие общепонятные факты, как то, что самолеты могут взлетать, летать и приземляться, а также что никакие два самолета не должны находиться одновременно в одной и той же точке.

Объекты же этих классов, напротив, динамичны. Набор маршрутов полетов сменяется не очень часто. Существенно быстрее изменяется множество самолетов, находящихся в полете. Частота, с которой самолеты занимают и покидают воздушные коридоры, еще выше.

Роль классов и объектов в анализе и проектировании

На этапе анализа и ранних стадиях проектирования решаются две основные задачи:

• Выявление классов и объектов, составляющих словарь предметной области.
• Построение структур, обеспечивающих взаимодействие объектов, при котором выполняются требования задачи.

На ранних стадиях внимание проектировщика сосредоточивается на внешних проявлениях ключевых абстракций и механизмов. Такой подход создает логический каркас системы: структуры классов и объектов. На последующих фазах проекта, включая реализацию, внимание переключается на внутреннее поведение ключевых абстракций и механизмов, а также их физическое представление. Принимаемые в процессе проектирования решения задают архитектуру системы: и архитектуру процессов, и архитектуру модулей.

3.6. Качество классов и объектов

Измерение качества абстракции

По мнению Ингалса "для построения системы должен использоваться минимальный набор неизменяемых компонент; сами компоненты должны быть по возможности стандартизованы и рассматриваться в рамках единой модели" [51]. Применительно к объектно-ориентированному проектированию такими компонентами являются классы и объекты, отражающие ключевые абстракции системы, а единство обеспечивается соответствующими механизмами реализации.

Опыт показывает, что процесс выделения классов и объектов является последовательным, итеративным. За исключением самых простых задач с первого раза не удается окончательно выделить и описать классы. В главах 4 и 7 показано, как в процессе работы сглаживаются противоречия, возникающие при начальном определении абстракций. Очевидно, такой процесс связан с дополнительными затратами на перекомпиляцию, согласование и внесение изменений в проект системы. Очень важно, следовательно, с самого начала по возможности приблизиться к правильным решениям, чтобы сократить число последующих шагов приближения к истине. Для оценки качества классов и объектов, выделяемых в системе, можно предложить следующие пять критериев:

• зацепление;
• связность;
• достаточность;
• полнота;
• примитивность.

Кроме зацепления между модулями в объектно-ориентированном анализе, существенно зацепление между классами и объектами. Существует определенное противоречие между явлениями зацепления и наследования. С одной стороны, желательно избегать сильного зацепления классов; с другой стороны, механизм наследования, тесно связывающий подклассы с суперклассами, помогает выгодно использовать сходство абстракций.

Понятие связности также заимствовано из структурного проектирования. Связность - это степень взаимодействия между элементами отдельного модуля (а для OOD еще и отдельного класса или объекта), характеристика его насыщенности. Наименее желательной является связность по случайному принципу, когда в одном классе или модуле собираются совершенно независимые абстракции. Для примера можно вообразить класс, соединяющий абстракции собак и космических аппаратов. Наиболее желательной является функциональная связность, при которой все элементы класса или модуля тесно взаимодействуют в достижении определенной цели. Так, например, класс Dog будет функционально связным, если он описывает поведение собаки, всей собаки, и ничего, кроме собаки.

К идеям зацепления и связности тесно примыкают понятия достаточности, полноты и примитивности. Под достаточностью подразумевается наличие в классе или модуле всего необходимого для реализации логичного и эффективного поведения. Иначе говоря, компоненты должны быть полностью пригодны к использованию. Для примера рассмотрим класс set (множество). Операция удаления элемента из множества в этом классе, очевидно, необходима, но будет ошибкой не включить в этот класс и операцию добавления элемента. Нарушение требования достаточности обнаруживается очень быстро, как только создается клиент, использующий абстракцию. Под полнотой подразумевается наличие в интерфейсной части класса всех характеристик абстракции. Идея достаточности предъявляет к интерфейсу минимальные требования, а идея полноты охватывает все аспекты абстракции. Полнотой характеризуется такой класс или модуль, интерфейс которого гарантирует все для взаимодействия с пользователями. Полнота является субъективным фактором, и разработчики часто ею злоупотребляют, вынося на верх такие операции, которые можно реализовать на более низком уровне. Из этого вытекает требование примитивности. Примитивными являются только такие операции, которые требуют доступа к внутренней реализации абстракции. Так, в примере с классом set операция Add (добавление к множеству элемента) примитивна, а операция добавления четырех элементов не будет примитивной, так как вполне эффективно реализуется через операцию добавления одного элемента. Конечно, эффективность тоже вещь субъективная. Операция, которая требует прямого доступа к структуре данных, примитивна по определению. Операция, которая может быть описана в терминах существующих примитивных операций, но ценой значительно больших вычислительных затрат, также является кандидатом на включение в разряд примитивных [Примером может служить операция добавления к множеству произвольного числа элементов (а не обязательно четырех). - Примеч. ред.].

Как выбрать операции?

Функциональность. Описание интерфейса класса или модуля - трудная работа. Обычно первое приближение делается, исходя из структурного смысла класса, а затем, когда появляются клиенты класса, интерфейс уточняется, модифицируется и дополняется. В частности может возникнуть потребность в создании новых классов или в изменении взаимодействия существующих.

В пределах каждого класса принято иметь только примитивные операции, отражающие отдельные аспекты поведения. Такие методы называются точными. Принято также отделять методы, не связанные между собой. Это облегчает образование подклассов с переопределением поведения. Решение о количестве методов может быть обусловлено двумя причинами: описание поведения в одном методе упрощает интерфейс, но усложняет и увеличивает размеры самого метода; расщепление метода усложняет интерфейс, но делает каждый из методов проще. По наблюдению Мейера "хороший проектировщик умеет найти компромисс между большим числом связей (дробление системы на фрагменты) и большим размером модулей (что может привести к потере управляемости)" [54].

В объектно-ориентированном проектировании принято рассматривать методы класса как единое целое, поскольку все они взаимодействуют друг с другом для реализации протокола абстракции. Таким образом, определив поведение, нужно решить, в каком из классов это поведение реализуется. Халберт и O'Брайен предложили следующие критерии для принятия такого решения:
 

• Повторная используемость	Будет ли это поведение полезно более чем в одном контексте?
• Сложность	Насколько трудно реализовать такое поведение?
• Применимость	Насколько данное поведение характерно для класса, в который мы хотим включить поведение?
• Знание реализации	Надо ли для реализации данного поведения знать секреты класса?

 
Обычно операции объявляются, как методы класса, к объектам которого относятся данные действия. Однако в языках Object Pascal, C++, CLOS и Ada допускается описание операций в виде свободных подпрограмм (утилит класса). Свободная подпрограмма, в терминологии C++, - это функция, не являющаяся элементом класса. Свободные подпрограммы не могут переопределяться подобно обычным методам, в них нет такой общности. Наличие утилит позволяет выполнить требование примитивности и уменьшить зацепление между классами, особенно если эти операции высокого уровня задействуют объекты многих различных классов.

Аспекты расхода памяти и времени. После того, как мы приняли решение о необходимости конкретной функции и определили ее семантику, следует принять решение об использовании ею времени и памяти. Для выражения таких решений принято использовать понятие лучшего, среднего и худшего вариантов, где худший - это верхний допустимый предел расходов.

Раньше мы уже отмечали, что поскольку один объект посылает другому сообщение, эти два объекта должны быть каким-то образом синхронизированы. В случае многих потоков управления это означает, что передача сообщений сложнее, чем управление вызовами подпрограмм. Для большинства языков программирования синхронизация просто не нужна, поскольку в них программы однопотоковые, и все объекты действуют последовательно. Мы говорим в таких случаях о простой передаче сообщений, так как ее семантика больше похожа на простой вызов подпрограмм. Однако в языках, поддерживающих параллелизм [Ada и Smalltalk имеют прямую поддержку параллельности. Языки типа C++ такой поддержкой не обладают, но в них часто можно обеспечить семантику параллельности за счет расширения классами (зависящими от платформы): примером служит библиотека AT&T для C++], нужно побеспокоиться о более изощренных системах передачи сообщений, чтобы избежать случаев, когда два потока работают одновременно и несогласованно с одним и тем же объектом. Объекты, семантика которых сохраняется при многопоточности, являются или синхронизированными, или защищенными.

В некоторых обстоятельствах полезно отмечать параллельность как для отдельных операций, так и для объекта в целом, так как разные операции могут потребовать разных форм синхронизации. Выделяют следующие формы передачи сообщений:
 

• Синхронная	Операция активизируется только при готовности передающего и принимающего сообщения объектов; ожидание взаимной готовности может быть неопределенно долгим.
• С учетом задержки	То же, что и синхронная, однако, в случае, если принимающий не готов, передающий не выполняет операцию.
• С ограничением времени	То же, что и синхронная, однако, посылающий будет ждать готовности принимающего не дольше некоторого времени.
• Асинхронная	Операция выполняется вне зависимости от готовности принимающего.

 
Нужная форма выбирается для каждой операции отдельно, но только после того, как ее функциональная семантика определена.

Как выбирать отношения

Сотрудничество. Отношения между классами и объектами связаны с конкретными действиями. Если мы хотим, чтобы объект X послал объекту Y сообщение M, то прямо или косвенно класс X должен иметь доступ к классу Y, иначе невозможно вызвать в классе X операцию M. Под доступностью мы понимаем способность одной абстракции видеть другую и обращаться к ее открытым ресурсам. Абстракции доступны одна другой только тогда, когда перекрываются их области видимости и даны необходимые права доступа (так, закрытая часть класса доступна только ему самому и его друзьям). Таким образом, зацепление связано с видимостью.

Одним из полезных правил является закон Деметера, который утверждает, что "методы любого класса не должны зависеть от структуры других классов, а только от структуры (верхнего уровня) самого класса. В каждом методе посылаются сообщения только объектам из предельно ограниченного множества классов" [56]. Следование этому закону позволяет создавать слабо зацепленные классы, реализация которых скрыта. Такие классы достаточно автономны и для понимания их логики нет необходимости знать строение других классов.

При анализе структуры классов системы в целом можно обнаружить, что иерархия наследования либо широкая и мелкая, либо узкая и глубокая, либо сбалансированная. В первом случае структура классов выглядит как лес из свободно стоящих деревьев. Классы могут свободно смешиваться и вступать во взаимоотношения [57]. Во втором случае структура классов напоминает одно дерево с ветвями классов, имеющих общего предка [58]. Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Классы, составляющие лес, независимы друг от друга, но, вероятно, не лучшим образом используют возможности специализации и обобществления кода. В случае дерева классов эта "коммунальность" используется максимально, поэтому каждый из классов имеет меньший размер. Однако в последнем случае классы невозможно понять без контекста всех их предков.

Иногда требуется выбирать между отношениями наследования, агрегации и использования. Например, должен ли класс Car (автомобиль) наследовать, содержать или использовать классы Engine (двигатель) и wheel (колесо)? В данном случае более целесообразны отношения использования. По мнению Мейера, между классами A и B "отношения наследования более пригодны тогда, когда любой объект класса B может одновременно рассматриваться и как объект A" [59]. С другой стороны, если объект является чем-то большим, чем сумма его частей, то отношение агрегации не совсем уместно.

Механизмы и видимость. Отношения между объектами определяется в основном механизмами их взаимодействия. Вопрос состоит только в том, кто о чем должен знать. Например, на ткацкой фабрике материалы (партии) поступают на участки для обработки. Как только они попадают на участок, об этом надо известить управляющего. Является ли поступление материала на участок операцией над участком, над материалом, или тем и другим сразу? Если это операция над участком, то класс участка должен быть видим для материала. Если это операция над материалом, то класс материала должен быть видим для участка, так как партия материала должна различать участки. В случае операции над помещением и участком нужно обеспечить взаимную видимость. Аналогично следует определить отношение между управляющим и участком (но не материалом и управляющим): либо управляющий должен знать об участке, либо участок об управляющем.

Иногда в процессе проектирования полезно явно определить видимость объектов. Существуют четыре основных способа сделать так, чтобы объект X (клиент) видел объект Y (сервер):

• сервер является глобальным;
• сервер передается клиенту в качестве параметра операции;
• сервер является частью клиента в смысле классов;
• сервер локально объявляется в области видимости клиента.

Выбор реализации

Внутреннее строение (реализация) классов и объектов разрабатывается только после завершения проектирования их внешнего поведения. При этом необходимо принять два проектных решения: выбрать способ представления класса или объекта и способ размещения их в модуле.

Представление. Представление классов и объектов почти всегда должно быть инкапсулировано (скрыто). Это позволяет вносить изменения (например, перераспределение памяти и временных ресурсов) без нарушения функциональных связей с другими классами и объектами. Как мудро отметил Вирт: "выбор способа представления является нелегкой задачей и не определяется одними лишь техническими средствами. Он всегда должен рассматриваться с точки зрения операций над данными" [60]. Рассмотрим, например, класс, соответствующий расписаниям полетов самолетов. Как его нужно оптимизировать - по эффективности поиска или по скорости добавления/удаления рейса? Поскольку невозможно реализовать и то, и другое одновременно, нужно сделать выбор, исходя из целей системы. Иногда такой выбор сделать непросто, и тогда создается семейство классов с одинаковым интерфейсом, но с принципиально разной реализацией для обеспечения вариативности поведения.

Одним из наиболее трудных решений является выбор между вычислением элементов состояния объекта и хранением их в виде полей данных. Рассмотрим, например, класс Cone (конус) с соответствующим ему методом volume (объем). Этот метод возвращает значение объема объекта. В структуре конуса в виде отдельных полей хранятся данные о его высоте и радиусе основания. Следует ли еще создать поле данных для объема или следует вычислять его по мере необходимости внутри метода volume [60]? Если мы хотим получать значение объема максимально быстро, нужно создавать соответствующее поле данных. Если важнее экономия памяти, лучше вычислить это значение. Оптимальный способ представления объекта всегда определяется характером решаемой задачи. В любом случае этот выбор не должен влиять на интерфейс класса.

Модульная структура. Аналогичные вопросы возникают при распределении деклараций классов и объектов по модулям. В языке Smalltalk эта проблема отсутствует, здесь модульный механизм не реализован. В языках Object Pascal, C++, CLOS и Ada существует понятие модуля как отдельной языковой конструкции. Решение о месте декларирования классов и объектов в этих языках является компромиссом между требованиями видимости и скрытия информации. В общем случае модули должны быть функционально связными внутри и слабо связанными друг с другом. При этом следует учитывать ряд нетехнических факторов, таких, как повторное использование, безопасность, документирование. Проектирование модулей - не более простой процесс, чем проектирование классов и объектов. О скрытии информации Парнас, Клеменс и Вейс говорят следующее: "Применение этого принципа не всегда очевидно. Принцип нацелен на минимизацию стоимости программных средств (в целом за время эксплуатации), для чего от проектировщика требуется способность оценивать вероятность изменений. Такие оценки основываются на практическом опыте и знаниях предметной области, включая понимание технологии программирования и аппаратных особенностей" [61].

Выводы

• Объект характеризуется состоянием, поведением и идентичностью.
• Структура и поведение одинаковых объектов описывается в общем для них классе.
• Состояние объекта определяет его статические и динамические свойства.
• Поведение объекта характеризуется изменением его состояния в процессе взаимодействия (посредством передачи сообщений) с другими объектами.
• Идентичность объекта - это его отличия от всех других объектов.
• Иерархия объектов может строиться на принципах связи или агрегации.
• Множество объектов с одинаковой структурой и поведением является классом.
• Шесть типов иерархий классов включают: ассоциирование, наследование, агрегация, использование, инстанцирование и метаклассирование.
• Классы и объекты, образующие словарь предметной области, называются ключевыми абстракциями.
• Структура, объединяющая множество объектов и обеспечивающая их совместное целенаправленное функционирование, называется механизмом.
• Качество абстракций измеряется их зацеплением, связностью, достаточностью, полнотой и примитивностью.

МакЛеннан (MacLennan) [G 1982] обсуждал различие между значениями и объектами. Работа Мейера (Meyer) [F 1987] предлагает контрактный подход к программированию.

По поводу иерархии классов было написано много, особое внимание уделялось наследованию и полиморфизму. Работы Альбано (Albano) [G 1983], Аллена (Allen) [A 1982], Брахмана (Brachman) [J 1983], Хайлперна и Нгуена (Hailpern and Nguyen) [G 1987], и Вегнера и Здоника (Wegner and Zdonik) [J 1988] создали блестящее теоретическое обоснование всех основных вопросов и концепций. Кук и Палсберг (Cook and Palsberg) [I 1989] и Турецкий (Touretzky) [G 1986] дали формальное истолкование семантики наследования. Вирт (Wirth) [G 1987] предложил сходные решения для обобщенных структурных типов в Oberon. Ингалс (Ingalls) [G 1986] дал полезное обсуждение вопроса множественного полиморфизма. Грогоно (Grogono) [G 1989] изучает взаимодействие полиморфизма и проверки типов, а Пондер и Бач (Ponder and Buch) [G 1992] предупреждают об опасностях безграничного полиморфизма. Практические рекомендации по эффективному использованию наследования предложили Мейер (Meyer) [G 1988] и Халберд и О'Брайан (Halberd and O'Brien) [G 1988]. ЛаЛонд и Пух (LaLonde and Pugh) [I 1985] изучали задачи обучения эффективному использованию специализации и обобщения.

Природа ролей и обязанностей абстракции подробна рассмотрена в работе Рубина и Голдберга (Rubin and Goldberg) [В 1992], а также Вирфс-Брока, Вилкерсона и Винера (Wirfs-Brock, Wilkerson and Wiener) [F 1990]. Качество классов рассматривал также Коад (Coad) [F 1991].

Мейер (Meyer) [G 1986] изучал связи между обобщенными функциями и наследованием применительно к языку Eiffel. Страуструп (Stroustrup) [G 1988] предложил механизм параметризованных типов в C++. Протокол метаобъектов в CLOS описали в деталях Кишалец, Ривьерес и Бобров (Kiczales, Rivieres, and Bobrow) [G 1991].

Альтернативу иерархии, основанной на классах, предоставляет делегирование, использующее только экземпляры. Этот подход детально рассмотрел Стейн (Stein) [G 1987].

©F1 Group