Инкапсуляция — свойство
языка программирования, позволяющее объединить и защитить данные и код в
объектe и скрыть реализацию объекта от пользователя (прикладного
программиста). При этом пользователю предоставляется только спецификация
(интерфейс) объекта.
Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс. Реализуется с помощью ключевого слова: public.
Пользователь не может использовать закрытые данные и методы. Реализуется с помощью ключевых слов: private, protected, internal.
Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих случаях:
- предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,
- прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.
Полиморфизм — возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию.
Язык
программирования поддерживает полиморфизм, если классы с одинаковой
спецификацией могут иметь различную реализацию — например, реализация
класса может быть изменена в процессе наследования.
Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество реализаций».
Полиморфизм
позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент
повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в
систему, которую могут называть по-разному — интерфейс, класс. Общность
имеет внешнее и внутреннее выражение:
- внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именем методов и типами аргументов и их количеством);
- внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы. Возможность приписывать разную функциональность одному методу (функции, операции) называется перегрузкой метода (перегрузкой функций, перегрузкой операций).
В объектно-ориентированных языках класс
является абстрактным типом данных. Полиморфизм реализуется с помощью
наследования классов и виртуальных функций. Класс-потомок наследует
сигнатуры методов класса-родителя, а реализация, в результате
переопределения метода, этих методов может быть другой, соответствующей
специфике класса-потомка. Другие функции могут работать с объектом
класса-родителя, но при этом вместо него во время исполнения будет
подставляться один из классов-потомков. Это называется поздним
связыванием.
Класс-потомок сам может быть родителем. Это позволяет строить сложные схемы наследования — древовидные или сетевидные.
Абстрактные
(или чисто виртуальные) методы не имеют реализации вообще (на самом
деле некоторые языки, например C++, допускают реализацию абстрактных
методов в родительском классе). Они специально предназначены для
наследования. Их реализация должна быть определена в классах-потомках.
Класс
может наследовать функциональность от нескольких классов. Это
называется множественным наследованием. Множественное наследование
создаёт известную проблему (в C++), когда класс наследуется от
нескольких классов-посредников, которые в свою очередь наследуются от
одного класса (так называемая «Проблема ромба»): если метод общего
предка был переопределён в посредниках, неизвестно, какую реализацию
метода должен наследовать общий потомок. Решается эта проблема путём
отказа от множественного наследования для классов и разрешением
множественного наследования для полностью абстрактных классов (то есть
интерфейсов) (C#, Delphi, Java), либо через виртуальное наследование
(C++).
Наследование — механизм
объектно-ориентированного программирования, позволяющий описать новый
класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и
функциональность родительского класса заимствуются новым классом.
Другими
словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего
класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами
класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса.
Простое наследование
Класс,
от которого произошло наследование, называется базовым или родительским
(англ. base class). Классы, которые произошли от базового, называются
потомками, наследниками или производными классами (англ. derived class).
В
некоторых языках используются абстрактные классы. Абстрактный класс —
это класс, содержащий хотя бы один абстрактный метод, он описан в
программе, имеет поля, методы и не может использоваться для
непосредственного создания объекта. То есть от абстрактного класса можно
только наследовать. Объекты создаются только на основе производных
классов, наследованных от абстрактного. Например, абстрактным классом
может быть базовый класс «сотрудник вуза», от которого наследуются
классы «аспирант», «профессор» и т. д. Так как производные классы имеют
общие поля и функции (например, поле «год рождения»), то эти члены
класса могут быть описаны в базовом классе. В программе создаются
объекты на основе классов «аспирант», «профессор», но нет смысла
создавать объект на основе класса «сотрудник вуза».
Множественное наследование
При
множественном наследовании у класса может быть более одного предка. В
этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого
подхода в большей гибкости. Множественное наследование реализовано в
C++. Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить
Python и Эйфель. Множественное наследование поддерживается в языке UML.
Множественное наследование
— потенциальный источник ошибок, которые могут возникнуть из-за наличия
одинаковых имен методов в предках. В языках, которые позиционируются
как наследники C++ (Java, C# и др.), от множественного наследования было
решено отказаться в пользу интерфейсов. Практически всегда можно
обойтись без использования данного механизма. Однако, если такая
необходимость все-таки возникла, то, для разрешения конфликтов
использования наследованных методов с одинаковыми именами, возможно,
например, применить операцию расширения видимости — «::» — для вызова
конкретного метода конкретного родителя.
Попытка решения проблемы
наличия одинаковых имен методов в предках была предпринята в языке
Эйфель, в котором при описании нового класса необходимо явно указывать
импортируемые члены каждого из наследуемых классов и их именование в
дочернем классе.
Большинство современных объектно-ориентированных
языков программирования (C#, Java, Delphi и др.) поддерживают
возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать
методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм
позволяет во многом заменить множественное наследование — методы
интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при
наследовании функциональности одинаковых методов различных
классов-предков.
Единый базовый класс
В ряде
языков программирования все классы явно или неявно наследуются от некого
базового класса. Smalltalk был одним из первых языков, в которых
использовалась эта концепция. К таким языкам относятся Objective-C
(NSObject), Eiffel (ANY), Java (java.lang.Object), C# (System.Object),
Delphi (TObject).
Абстракция — в
объектно-ориентированном программировании это придание объекту
характеристик, которые отличают его от всех других объектов, четко
определяя его концептуальные границы. Основная идея состоит в том, чтобы
отделить способ использования составных объектов данных от деталей их
реализации в виде более простых объектов, подобно тому, как
функциональная абстракция разделяет способ использования функции и
деталей её реализации в терминах более примитивных функций, таким
образом, данные обрабатываются функцией высокого уровня с помощью вызова
функций низкого уровня.
Такой подход является основой
объектно-ориентированного программирования. Это позволяет работать с
объектами, не вдаваясь в особенности их реализации. В каждом конкретном
случае применяется тот или иной подход: инкапсуляция, полиморфизм или
наследование. Например, при необходимости обратиться к скрытым данным
объекта, следует воспользоваться инкапсуляцией, создав, так называемую,
функцию доступа или свойство.
Абстракция данных —
популярная и в общем неверно определяемая техника программирования.
Фундаментальная идея состоит в разделении несущественных деталей
реализации подпрограммы и характеристик существенных для корректного ее
использования. Такое разделение может быть выражено через специальный
«интерфейс», сосредотачивающий описание всех возможных применений
программы.
С точки зрения теории множеств, процесс представляет собой организацию для группы подмножеств своего множества.
