Класс — разновидность
абстрактного типа данных в объектно-ориентированном программировании
(ООП), характеризуемый способом своего построения. Другие абстрактные
типы данных — метаклассы, интерфейсы, структуры, перечисления, —
характеризуются какими-то своими, другими особенностями. Наряду с
понятием «объекта» класс является ключевым понятием в ООП (хотя
существуют и бесклассовые объектно-ориентированные языки, например,
JavaScript; подробнее смотрите Прототипное программирование). Суть
отличия классов от других абстрактных типов данных состоит в том, что
при задании типа данных класс определяет одновременно и интерфейс, и
реализацию для всех своих экземпляров, а вызов метода-конструктора
обязателен.
На практике объектно-ориентированное
программирование сводится к созданию некоторого количества классов,
включая интерфейс и реализацию, и последующему их использованию.
Графическое представление некоторого количества классов и связей между
ними называется диаграммой классов. Объектно-ориентированный подход за
время своего развития накопил множество рекомендаций (паттернов) по
созданию классов и иерархий классов.
Идея классов пришла из работ
по базам знаний, имеющих отношение к исследованиям по искусственному
интеллекту. Используемые человеком классификации в зоологии, ботанике,
химии, деталях машин, несут в себе основную идею, что любую вещь всегда
можно представить частным случаем некоторого более общего понятия.
Конкретное яблоко — это в целом некоторое яблоко, вообще яблоко, а любое
вообще яблоко — фрукт. Именно поэтому примеры классов в учебных
пособиях по объектно-ориентированному программированию так часто
упоминают яблоки и груши.
Классы и объекты, понятие экземпляра класса, понятие членов класса
В
объектно-ориентированной программе с применением классов каждый объект
является «экземпляром» некоторого конкретного класса, и других объектов
не предусмотрено. То есть «экземпляр класса» в данном случае означает не
«пример некоторого класса» или «отдельно взятый класс», а «объект,
типом которого является какой-то класс». При этом в разных языках
программирования допускается либо не допускается существование еще
каких-то типов данных, экземпляры которых не являются объектами (то есть
язык определяет, являются ли объектами такие вещи, как числа, массивы и
указатели, или не являются, и, соответственно, есть ли такие классы как
«число», «массив» или «указатель», экземплярами которых были бы каждое
конкретное число, массив или указатель).
Например, абстрактный
тип данных «строка текста» может быть оформлен в виде класса, и тогда
все строки текста в программе будут являться объектами — экземплярами
класса «строка текста».
При использовании классов все элементы
кода программы, такие как переменные, константы, методы, процедуры и
функции, могут принадлежать (а во многих языках обязаны принадлежать)
тому или иному классу. Сам класс в итоге определяется как список своих
членов, а именно полей (свойств) и методов/функций/процедур. В
зависимости от языка программирования к этому списку могут добавиться
константы, атрибуты и внешние определения.
Как и структуры,
классы могут задавать поля — то есть переменные, принадлежащие либо
непосредственно самому классу (статические), либо экземплярам класса
(обычные). Статические поля существуют в одном экземпляре на всю
программу (или, в более сложном варианте, — в одном экземпляре на
процесс или на поток/нить). Обычные поля создаются по одной копии для
каждого конкретного объекта — экземпляра класса. Например, общее
количество строк текста, созданных в программе за время её работы, будет
являться статическим полем класса «строка текста». А конкретный массив
символов строки будет являться обычным полем экземпляра класса «строка
текста», так же как переменная «фамилия», имеющая тип «строка текста»,
будет являться обычным полем каждого конкретного экземпляра класса
«человек».
В ООП при использовании классов весь исполняемый код
программы (алгоритмы) будет оформляться в виде так называемых «методов»,
«функций» или «процедур», что соответствует обычному структурному
программированию, однако теперь они могут (а во многих языках обязаны)
принадлежать тому или иному классу. Например, по возможности, класс
«строка текста» будет содержать все основные методы/функции/процедуры,
предназначенные для работы со строкой текста, такие как поиск в строке,
вырезание части строки и т. д.
Как и поля, код в виде
методов/функций/процедур, принадлежащих классу, может быть отнесен либо к
самому классу, либо к экземплярам класса. Метод, принадлежащий классу и
соотнесенный с классом (статический метод) может быть вызван сам по
себе и имеет доступ к статическим переменным класса. Метод, соотнесенный
с экземпляром класса (обычный метод), может быть вызван только у самого
объекта, и имеет доступ как к статическим полям класса, так и к обычным
полям конкретного объекта (при вызове этот объект передастся скрытым
параметром метода). Например, общее количество созданных строк можно
узнать из любого места программы, но длину конкретной строки можно
узнать только указав, тем или иным образом, длину какой строки будем
мерить.
Сам класс не является объектом, однако, в зависимости от
языка программирования и платформы, программисту могут быть доступны те
или иные объекты, позволяющие получить информацию о классе — название,
список членов, объем памяти, занимаемой классом или отдельным
экземпляром. Например, может существовать специальный класс «тип
данных», экземпляры которого описывают тот или иной конкретный класс,
существующий в программе.
Интерфейс и реализация, наследование реализации
В
программировании существует понятие программного интерфейса,
означающего перечень возможных вычислений, которые может выполнить та
или иная часть программы, включая описание того, какие аргументы и в
каком порядке требуется передавать на вход алгоритмам из этого перечня, а
также что и в каком виде они будут возвращать. Абстрактный тип данных
интерфейс придуман для формализованного описания такого перечня. Сами
алгоритмы, то есть действительный программный код, который будет
выполнять все эти вычисления, интерфейсом не задаётся, программируется
отдельно и называется реализацией интерфейса.
Программные
интерфейсы, а также классы, могут расширяться путем наследования,
которое является одним из важных средств повторного использования
готового кода в ООП. Наследованный класс или интерфейс будет содержать в
себе всё, что указано для всех его родительских классов (в зависимости
от языка программирования и платформы, их может быть от нуля до
бесконечности). Например, можно создать свой вариант текстовой строки
путем наследования класса «моя строка текста» от уже существующего
класса «строка текста», при этом предполагается, что программисту не
придется заново переписывать алгоритмы поиска и прочее, так как они
автоматически будут унаследованы от готового класса, и любой экземпляр
класса «моя строка текста» может быть передан не только в готовые методы
родительского класса «строка текста» для проведения нужных вычислений,
но и вообще в любой алгоритм, способный работать с объектами типа
«строка текста», так как экземпляры обоих классов совместимы по
программным интерфейсам.
Класс позволяет задать не только
программный интерфейс к самому себе и к своим экземплярам, но и в явном
виде написать код, ответственный за вычисления. Если при создании своего
нового типа данных наследовать интерфейс, то мы получим возможность
передавать экземпляр своего типа данных в любой алгоритм, который умеет
работать с этим интерфейсом. Однако нам придется самим написать
реализацию интерфейса, то есть те алгоритмы, которыми будет пользоваться
интересующий нас алгоритм для проведения вычислений с использованием
нашего экземпляра. В то же время, наследуя класс, мы автоматически
наследуем готовый код под интерфейс (это не всегда так, родительский
класс может требовать реализации каких-то алгоритмов в дочернем классе в
обязательном порядке). В этой возможности наследовать готовый код и
проявляется то, что в объектно-ориентированной программе тип данных
класс определяет одновременно и интерфейс, и реализацию для всех своих
экземпляров.
Состояние объекта, понятие областей доступа, конструкторы
Одной
из проблем структурного программирования, с которой борется ООП,
является проблема поддержания правильного значения переменных программы.
Часто разные переменные программы хранят логически связанные значения, и
за поддержание этой логической связности несет ответственность
программист, то есть автоматически связность не поддерживается. Примером
могут служить флажки «уволен» и «ожидает премии по итогам года», когда
по правилам отдела кадров человек может быть одновременно не уволенным и
не ожидающим премии, не уволенным и ожидающим премии, уволенным и не
ожидающим премии, но не может быть одновременно и уволенным, и ожидающим
премии. То есть любая часть программы, которая проставляет флажок
«уволен», всегда должна снимать флажок «ожидает премии по итогам года».
Хороший
способ решить эту проблему — объявить флажок «уволен» недоступным к
изменению для всех участков программы, кроме одного специально
оговоренного. В этом специально оговоренном участке всё будет написано
один раз и правильно, а все остальные должны будут обращаться к этому
участку всегда, когда они хотят установить или снять флажок «уволен».
В
объектно-ориентированной программе флажок «уволен» будет объявлен
приватным членом некоторого класса, а для чтения и изменения его будут
написаны соответствующие публичные методы. Правила, определяющие
возможность или невозможность напрямую изменять какие-либо переменные,
называются правилами задания областей доступа. Слова «приватный» и
«публичный» в данном случае являются так называемыми «модификаторами
доступа». Они называются модификаторами потому, что в некоторых языках
они используются для изменения ранее установленных прав при наследовании
класса. Совместно классы и модификаторы доступа задают область доступа,
то есть у каждого участка кода, в зависимости от того, какому классу он
принадлежит, будет своя область доступа относительно тех или иных
элементов (членов) своего класса и других классов, включая переменные,
методы, функции, константы и т. д. Существует основное правило: ничто в
одном классе не может видеть приватных элементов другого класса.
Относительно других, более сложных правил, в различных языках существуют
другие модификаторы доступа и правила их взаимодействия с классами.
Почти
каждому члену класса можно установить модификатор доступа (за
исключением статических конструкторов и некоторых других вещей). В
большинстве объектно-ориентированных языков программирования
поддерживаются следующие модификаторы доступа:
- private (закрытый, внутренний член класса) — обращения к члену допускаются только из методов того класса, в котором этот член определён. Любые наследники класса уже не смогут получить доступ к этому члену. Наследование по типу private запрещает доступ из дочернего класса ко всем членам родительского класса, включая даже public-члены (С++);
- protected (защищённый, внутренний член иерархии классов) — обращения к члену допускаются из методов того класса, в котором этот член определён, а также из любых методов его классов-наследников. Наследование по типу protected делает все public-члены родительского класса protected-членами класса-наследника (С++);
- public (открытый член класса) — обращения к члену допускаются из любого кода. Наследование по типу public не меняет модификаторов родительского класса (С++);
Проблема поддержания правильного
состояния переменных актуальна и для самого первого момента выставления
начальных значений. Для этого в классах предусмотрены специальные
методы/функции, называемые конструкторами. Ни один объект (экземпляр
класса) не может быть создан иначе, как путем вызова на исполнение кода
конструктора, который вернет вызывающей стороне созданный и правильно
заполненный экземпляр класса. Во многих языках программирования тип
данных «структура», как и класс, может содержать переменные и методы, но
экземпляры структур, оставаясь просто размеченным участком оперативной
памяти, могут создаваться в обход конструкторов, что запрещено для
экземпляров классов (за исключением специальных исключительных методов
обхода всех подобных правил ООП, предусмотренных в некоторых языках и
платформах). В этом проявляется отличие классов от других типов данных —
вызов конструктора обязателен.
Практический подход
В
современных объектно-ориентированных языках программирования (в том
числе в php, Java, C++, Oberon, Python, Ruby, Smalltalk, Object Pascal)
создание класса сводится к написанию некоторой структуры, содержащей
набор полей и методов (среди последних особую роль играют конструкторы,
деструкторы, финализаторы). Практически класс может пониматься как некий
шаблон, по которому создаются объекты — экземпляры данного класса. Все
экземпляры одного класса созданы по одному шаблону, поэтому имеют один и
тот же набор полей и методов.
На языке Delphi класс описывается следующим образом:
TMyClass = class(TObject)
private
{Описанные в этой секции элементы не доступны извне (за пределами класса, но доступны в пределах модуля).}
{Здесь обычно находятся поля класса.}
protected
{Описанные в этой секции элементы доступны только классу и всем его потомкам.}
public
{Описанные в этой секции элементы доступны всем.}
published
{Описанные в этой секции элементы доступны всем и отображаются в Object Inspector'e.}
end;
- TMyClass — имя класса;
- class — ключевое слово, начинающее определение класса;
- TObject — класс-предок, если есть наследование;
- private, protected, public, published — ключевые слова, обозначающие секции областей доступа.
Создается экземпляр (объект) класса так:
MyClass := TMyClass.Create;
Уничтожается так:
MyClass.Free;
Класс в языке C++ создаётся следующим образом:
class MyClass: public ParentClass // ParentClass — класс-предок, если таковой имеется
{
public:
// элементы в этой секции доступны из любой части программы
MyClass(); // конструктор
~MyClass(); // деструктор
protected:
// элементы в этой секции доступны из класса и его потомков
private:
// элементы в этой секции доступны только из класса; это область доступа по умолчанию
};
После своего создания класс считается полноценным типом данных и, следовательно экземпляры класса создаются следующим образом:
MyClass myinstance;
Обращение к членам класса:
myinstance.classmember
Уничтожается
экземпляр класса, как и любая переменная, только в случае, если
функция, в которой он был создан, завершила работу или если была
принудительно освобождена динамическая память, выделенная под класс.
