Введение
Сложность разработки программного обеспечения
Мы окружены сложными системами:
персональный компьютер;
любое дерево, цветок, животное;
любая материя –от атома до звезд и галактик;
общественные институты –корпорации и сообщества
Большинство сложных систем обладает иерархической структурой. Но не все ПО – сложное. Существует класс приложений которые проектируются, разрабатывается и используются одним и тем же человеком. Но они имеют ограниченную область применения. Вопросы сложности появляются при разработке корпоративного ПО, промышленного программирования.
Сложность ПО вызывается четырьмя основными причинами:
сложностью реальной предметной области, из которой исходит заказ на разработку;
трудностью управления проектированием;
необходимостью обеспечить достаточную гибкость программы;
сложность описания поведения больших дискретных систем.
Неструктурированное программирование
До середины 1960-х гг. преимущественно использовалась неструктурированная, “ стихийная” технология программирования. Структура первых простейших программ состояла собственно из программы, написанной на машинном языке (в двоичных или шестнадцатеричных кодах) и обрабатываемых ею данных.
Появление машинно-ориентированных языков (ассемблеров) позволило программиста вместо кодов использовать мнемонические обозначения кодов операций и символические имена данных. Программы стали “ читаемыми”.
Появление языков программирования высокого уровня (FORTRAN, ALGOL) позволило снизить уровень детализации операций. Большим достижением этих языков стала возможность использования подпрограмм. Появилась возможность совместной разработки ПО несколькими программистами.
Были созданы большие библиотеки различных подпрограмм. Теперь структура программы состояла из основной программы, области глобальных данных и набора подпрограмм. Недостаток такой структуры - возрастание вероятности искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой при увеличении количества подпрограмм. Для сокращения таких ошибок было предложено размещать в подпрограммах локальные данные.
Проблемы неструктурированного, “ стихийного” программирования - метод программирования “снизу-вверх”, т.е. сначала разрабатывались простые подпрограммы, а затем строилась сложная программа путем их сборки.
При сборке программы появлялось большое количество ошибок согласования, а при их исправлении появлялись новые ошибки. Процесс тестирования и отладки занимал 80% времени разработки ПО. Стоимость аппаратных средств снижалась, а стоимость разработки ПО все время росла из-за того, что создавались все более мощные и сложные прикладные программы при отставании технологии их разработки.
Было разработано много языков, но лишь некоторые из них получили тогда широкое применение (FORTRAN, ALGOL, COBOL). Продолжающийся рост стоимости больших программных продуктов в 1960-х гг. и их ненадежность привели к большим исследовательским работам в области создания технологий программирования.
Процедурное и модульное программирование
В результате исследовательских работ 1960-1970-х гг. была разработана технология процедурного (или структурного, модульного) программирования, внесшая ясность в написание программ, простоту тестирования и отладки, легкость модификации. По сравнению со стихийным программированием технология процедурного программирования - это дисциплинированный подход к написанию программ.
Процедурное программирование основано на модели построения программы как иерархии процедур, что и дало название данной технологии.
Для изучения процедурного программирования в 1971 г. Н. Виртом был создан язык программирования Pascal, нашедший большое применение в университетах. На протяжении 1970-х гг. создавался язык C на базе концепции предшествующих двух языков - BCPL и В, разработанных для написания компиляторов и операционных систем.
Язык С получил широкую популярность в результате его использования в разработке операционной системы UNIX. В конце 1970-х гг. был создан “классический” язык С Б. Кернигана и Д. Ритчи. На этом языке были написаны фактически все новые операционные системы и системные программные продукты.
Основные приемы процедурного программирования
Метод декомпозиции (нисходящего проектирования), т.е. разделение программы на процедуры простейшей структуры и представление программы в виде иерархии процедур;
Пример алгоритмической декомпозиции
Пример объектно-ориентированной декомпозиции
Метод модульной организации, т.е. группировка процедур и обрабатываемых ими данных в модули, которые программируются и компилируются отдельно. Преимущества данного метода заключаются в параллельной работе программистов, удобстве программирования, возможности создания библиотек;
Метод структурного программирования процедур, который заключается в следующем:
разделение процедур на вложенные блоки, что позволяет локализовать переменные и операторы их обработки, структурировать процедуру;
использование операторов ветвления и циклов, осуществляющих передачу управления только сверху - вниз, что приводит к ясности алгоритма, к облегчению программирования и сопровождения программ; операторы безусловной передачи управления
gotoиспользовать не рекомендуется;форматирование текста процедуры, т.е. использование отступов для отображения вложенности блоков, применение идентификаторов, несущих смысл, и использование комментариев, что приводит к повышению читаемости программ и к облегчению их сопровождения.
Наиболее известными процедурными языками программирования являются PL1, ALGOL-68, Pascal, С, С++.
Объектно-ориентированное программирование
Применение информационных систем в экономике и управлении привело к появлению больших по объему программ. Область применения программного обеспечения постоянно расширялась, процессы управления, подлежащие автоматизации, усложнялись.
Структурный подход к программированию не позволял адекватно моделировать сложную предметную область. Проблема сложности программного обеспечения решалась путем дробления программы на отдельные процедуры и уменьшения их размера для удобства работы и повышения читабельности программы.
При таком подходе трудно описать реальные объекты предметной области во всем их многообразии, их поведение и взаимосвязи между ними. Все вышесказанное привело к появлению нового, объектно-ориентированного, подхода к программированию (ООП).
В начале 1980-х гг. Б. Страуструп разработал язык С++, ставший первым промышленно используемым языком, использующим объектно-ориентированный подхода к программированию. Язык С++ был построен на базе двух языков-С и Simula 67, языка программного моделирования, разработанного в Европе.
К этому моменту имелись и другие объектно-ориентированные языки, наиболее известным из которых был Smalltalk, являющийся чистым объектно-ориентированным языком. Однако ни один из них не нашел такого широкого применения, как С++.
В 1991 г. нидерландским программистом Гвидо ван Россумом был разработан язык программирования Python, включающий в себя как процедурные, так и объектно-ориентированные возможности.
В 1995 г. фирмой Sun Microsystems был разработан на основе языков С и С++ новый язык Jаvа, используемый для создания интерактивных Wеb-страниц и в разработке приложений на базе Internet и Intranet, а также для реализации ПО устройств, взаимодействующих по сети. Объектный подход к программированию использован в новых версиях языков программирования Pascal, С++, Modula, Java
Ключевым понятием ООП является понятие объекта
Объекты являются программными компонентами, моделирующими элементы реального мира. Каждый объект характеризуется своим состоянием и поведением. Состояние объекта определяется совокупностью его свойств (атрибутов) и их текущими значениями.
Поведение определяет взаимодействие объекта с другими объектами: то, как он воздействует на другие объекты, и как другие объекты воздействуют на него. Поведение объекта обычно приводит к изменению состояния его и других объектов: изменяются значения их свойств. Действия, которые могут выполняться объектом, называются методами.
Однотипные объекты объединяются в классы.
Класс - это совокупность объектов, имеющих одинаковые свойства и методы.
Основные принципы ООП
Абстракция
Абстракция в ООП позволяет составить из данных и алгоритмов обработки этих данных объекты, отвлекаясь от несущественных (на некотором уровне) с точки зрения составленной информационной модели деталей.
Таким образом, программа подвергается декомпозиции на части "дозированной" сложности. Отдельный объект, даже вместе с совокупностью его связей с другими объектами, человеком воспринимается легче (именно так он привык оперировать в реальном мире), чем что-то неструктурированное и монотонное.
Перед тем как начать написание даже самой простенькой объектно-ориентированной программы, необходимо провести анализ предметной области, для того чтобы выявить в ней классы объектов.
При выделении объектов необходимо абстрагироваться (отвлечься) от большинства присущих им свойств и сконцентрироваться на свойствах, значимых для задачи.
Выделяемые объекты необязательно должны походить на физические объекты - ведь это абстракции, за которыми скрываются процессы, взаимодействия, отношения.
Удачная декомпозиция стоит многого. От нее зависят не только количественные характеристики кода (быстродействие, занимаемая память), но и трудоемкость дальнейшего развития и сопровождения.
При отсутствии соответствующего опыта лучше не загадывать будущих путей развития программы, а делать ее как можно проще, под конкретную задачу.
Даже если просто перечислить все существительные, встретившиеся в описании задачи (явно или неявно), получится неплохой список кандидатов в классы.
При процедурном подходе тоже используется декомпозиция, но при объектно-ориентированном подходе производится декомпозиция не самого алгоритма на более мелкие части, а предметной области на классы объектов.
Инкапсуляция
Инкапсуляция означает, что каждый объект полностью описывается совокупностью своих свойств и методов. Инкапсуляция позволяет скрыть внутреннюю организацию объекта, не влияющую на его внешнее поведение.
Таким образом, инкапсуляция позволяет в максимальной степени изолировать объект от внешнего окружения. Основной единицей инкапсуляции в ООП является класс. Класс описывает данные, определяющие состояние объекта, и функции, определяющие поведение объекта. Инкапсуляция обеспечивает сокрытие элементов-данных и элементов-функций (в классе с управлением доступом к ним).
Кроме того, инкапсуляция дает возможность определения правил доступа к элементам объекта класса. Атрибуты доступа private, protected, public объявляют элементы класса соответственно закрытыми, защищенными и открытыми для доступа.
Инкапсуляция упрощает создание и сопровождение больших программ, так как инкапсулированные в объекте функции обмениваются с программой сравнительно небольшими объемами данных. В результате замена или модификация данных и методов, инкапсулированных в объект, как правило, не влечет за собой существенной модификации всей программы в целом.
Наследование
Наследование позволяет создавать новые классы на основе существующих. При этом производный класс наследует данные и функции базового класса. Кроме того, производный класс может добавлять новые данные, а также дополнять или модифицировать функции базового класса.
Принцип наследования придает ООП значительную гибкость. При работе с объектами обычно подбирается объект, наиболее близкий по своим свойствам для решения конкретной задачи, и на его основе создаются потомки, обладающие дополнительными свойствами и методами.
Полиморфизм
Полиморфизм означает способность объектов (экземпляров) классов, связанных наследованием, реагировать различным образом на одно и то же сообщение (вызов функции класса). Различают несколько видов полиморфизма:
общий полиморфизм (перегрузка операций, преобразование типов, перегрузка функций);
чистый полиморфизм (виртуальные функции, абстрактные классы);
аметрический полиморфизм.
Перегрузка операций - это переопределение действий операций применительно к объектам конкретных классов. Преобразование типов данных при совместном их использовании тоже является одним из методов полиморфизма. Перегрузка функции - это использование одинакового имени для функций, выполняющих похожие действия, но с разными типами данных, и объявленных в одной области действия. Виртуальная функция - это элемент-функция базового класса в иерархии наследования, переопределенная в производных классах и вызываемая в зависимости от класса объекта, адресуемого через указатель или ссылку на базовый класс. Параметрический полиморфизм - это механизм использования обобщенного определения функции или класса (шаблона) для автоматической генерации новых функций или классов для различных типов данных.
Преимущества полиморфизма проявляются в следующем:
облегчение программирования сложных систем за счет возможности называть похожие (различающиеся только типами своих параметров) действия одним именем;
обеспечение виртуальными функциями чистого полиморфизма, т.е. возможности использовать один и тот же оператор для вызова множества функций. При этом конкретная функция определяется по типу вызываемого объекта;
механизм виртуальных функций - это возможность написания простых функций общего назначения для иерархии классов;
обеспечение компактности программ и расширяемости иерархии классов за счет использования виртуальных функций;
автоматическая генерация по обобщенному шаблону новых функций или классов для различных типов данных, реализуемая механизмом параметрического полиморфизма
возможность более адекватного моделирования предметной области и, соответственно, программирования в понятиях, максимально приближенных к предметной области;
многократное использование написанного кода;
сокращение времени разработки и отладки программ.
Недостатки ООП
Значительная глубина абстракции может привести к созданию “многослойных” приложений, где выполнение объектом требуемого действия сводится к множеству обращений к объектам более низкого уровня, что сказывается на производительности системы.
Инкапсуляция снижает скорость доступа к данным. Запрет на прямой доступ к полям класса извне приводит к необходимости создания и использования методов доступа, что ведет к дополнительным расходам.
Код, относящийся к классам-потомкам может находиться не только в этих классах, но и в их классах-предках. Это приводит к снижению скорости трансляции и выполнения программы.
Обеспечение полиморфизма приводит к необходимости связывать методы, вызываемые программой не на этапе компиляции, а в процессе исполнения программы, на что тратится дополнительное время.