Что такое полиморфизм ооп
ООП с примерами (часть 2)
Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть, представленная ниже, иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Инкапсуляция
Представим на минутку, что мы оказались в конце позапрошлого века, когда Генри Форд ещё не придумал конвейер, а первые попытки создать автомобиль сталкивались с критикой властей по поводу того, что эти коптящие монстры загрязняют воздух и пугают лошадей. Представим, что для управления первым паровым автомобилем необходимо было знать, как устроен паровой котёл, постоянно подбрасывать уголь, следить за температурой, уровнем воды. При этом для поворота колёс использовать два рычага, каждый из которых поворачивает одно колесо в отдельности. Думаю, можно согласиться с тем, что вождение автомобиля того времени было весьма неудобным и трудным занятием.
Теперь вернёмся в сегодняшний день к современным чудесам автопрома с коробкой-автоматом. На самом деле, по сути, ничего не изменилось. Бензонасос всё так же поставляет бензин в двигатель, дифференциалы обеспечивают поворот колёс на различающиеся углы, коленвал превращает поступательное движение поршня во вращательное движение колёс. Прогресс в другом. Сейчас все эти действия скрыты от пользователя и позволяют ему крутить руль и нажимать на педаль газа, не задумываясь, что в это время происходит с инжектором, дроссельной заслонкой и распредвалом. Именно сокрытие внутренних процессов, происходящих в автомобиле, позволяет эффективно его использовать даже тем, кто не является профессионалом-автомехаником с двадцатилетним стажем. Это сокрытие в ООП носит название инкапсуляции.
Инкапсуляция – это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе и скрыть детали
реализации от пользователя.
Инкапсуляция неразрывно связана с понятием интерфейса класса. По сути, всё то, что не входит в интерфейс, инкапсулируется в классе.
Абстракция
Представьте, что водитель едет в автомобиле по оживлённому участку движения. Понятно, что в этот момент он не будет задумываться о химическом составе краски автомобиля, особенностях взаимодействия шестерён в коробке передач или влияния формы кузова на скорость (разве что, автомобиль стоит в глухой пробке и водителю абсолютно нечем заняться). Однако, руль, педали, указатель поворота (ну и, возможно, пепельницу) он будет использовать регулярно.
Абстрагирование – это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения незначимые. Соответственно, абстракция – это набор всех таких характеристик.
Если бы для моделирования поведения автомобиля приходилось учитывать химический состав краски кузова и удельную теплоёмкость лампочки подсветки номеров, мы никогда бы не узнали, что такое NFS.
Полиморфизм
Любое обучение вождению не имело бы смысла, если бы человек, научившийся водить, скажем, ВАЗ 2106 не мог потом водить ВАЗ 2110 или BMW X3. С другой стороны, трудно представить человека, который смог бы нормально управлять автомобилем, в котором педаль газа находится левее педали тормоза, а вместо руля – джойстик.
Всё дело в том, что основные элементы управления автомобиля имеют одну и ту же конструкцию и принцип действия. Водитель точно знает, что для того, чтобы повернуть налево, он должен повернуть руль, независимо от того, есть там гидроусилитель или нет.
Если человеку надо доехать с работы до дома, то он сядет за руль автомобиля и будет выполнять одни и те же действия, независимо от того, какой именно тип автомобиля он использует. По сути, можно сказать, что все автомобили имеют один и тот же интерфейс, а водитель, абстрагируясь от сущности автомобиля, работает именно с этим интерфейсом. Если водителю предстоит ехать по немецкому автобану, он, вероятно выберет быстрый автомобиль с низкой посадкой, а если предстоит возвращаться из отдалённого маральника в Горном Алтае после дождя, скорее всего, будет выбран УАЗ с армейскими мостами. Но, независимо от того, каким образом будет реализовываться движение и внутреннее функционирование машины, интерфейс останется прежним.
Полиморфизм – это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.
Например, если вы читаете данные из файла, то, очевидно, в классе, реализующем файловый поток, будет присутствовать метод похожий на следующий: byte[] readBytes( int n );
Предположим теперь, что вам необходимо считывать те же данные из сокета. В классе, реализующем сокет, также будет присутствовать метод readBytes. Достаточно заменить в вашей системе объект одного класса на объект другого класса, и результат будет достигнут.
При этом логика системы может быть реализована независимо от того, будут ли данные прочитаны из файла или получены по сети. Таким образом, мы абстрагируемся от конкретной специализации получения данных и работаем на уровне интерфейса. Единственное требование при этом – чтобы каждый используемый объект имел метод readBytes.
Наследование
Представим себя, на минуту, инженерами автомобильного завода. Нашей задачей является разработка современного автомобиля. У нас уже есть предыдущая модель, которая отлично зарекомендовала себя в течение многолетнего использования. Всё бы хорошо, но времена и технологии меняются, а наш современный завод должен стремиться повышать удобство и комфорт выпускаемой продукции и соответствовать современным стандартам.
Нам необходимо выпустить целый модельный ряд автомобилей: седан, универсал и малолитражный хэтч-бэк. Очевидно, что мы не собираемся проектировать новый автомобиль с нуля, а, взяв за основу предыдущее поколение, внесём ряд конструктивных изменений. Например, добавим гидроусилитель руля и уменьшим зазоры между крыльями и крышкой капота, поставим противотуманные фонари. Кроме того, в каждой модели будет изменена форма кузова.
Очевидно, что все три модификации будут иметь большинство свойств прежней модели (старый добрый двигатель 1970 года, непробиваемая ходовая часть, зарекомендовавшая себя отличным образом на отечественных дорогах, коробку передач и т.д.). При этом каждая из моделей будет реализовать некоторую новую функциональность или конструктивную особенность. В данном случае, мы имеем дело с наследованием.
Наследование – это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым или родительским. Новый класс – потомком, наследником или производным классом.
Необходимо отметить, что производный класс полностью удовлетворяет спецификации родительского, однако может иметь дополнительную функциональность. С точки зрения интерфейсов, каждый производный класс полностью реализует интерфейс родительского класса. Обратное не верно.
Действительно, в нашем примере мы могли бы произвести с новыми автомобилями все те же действия, что и со старым: увеличить или уменьшить скорость, повернуть, включить сигнал поворота. Однако, дополнительно у нас бы появилась возможность, например, включить противотуманные фонари.
Отсутствие обратной совместимости означает, что мы не должны ожидать от старой модели корректной реакции на такие действия, как включения противотуманок (которых просто нет в данной модели).
Полиморфизм для начинающих
Постановка задачи
Предположим, на сайте нужны три вида публикаций — новости, объявления и статьи. В чем-то они похожи — у всех них есть заголовок и текст, у новостей и объявлений есть дата. В чем-то они разные — у статей есть авторы, у новостей — источники, а у объявлений — дата, после которой оно становится не актуальным.
Самые простые варианты, которые приходят в голову — написать три отдельных класса и работать с ними. Или написать один класс, в которым будут все свойства, присущие всем трем типам публикаций, а задействоваться будут только нужные. Но ведь для разных типов аналогичные по логике методы должны работать по-разному. Делать несколько однотипных методов для разных типов (get_news, get_announcements, get_articles) — это уже совсем неграмотно. Тут нам и поможет полиморфизм.
Абстрактный класс
Грубо говоря, это класс-шаблон. Он реализует функциональность только на том уровне, на котором она известна на данный момент. Производные же классы ее дополняют. Но, пора перейти от теории к практике. Сразу оговорюсь, рассматривается примитивный пример с минимальной функциональностью. Все объяснения — в комментариях в коде.
// а этот метод должен напечатать публикацию, но мы не знаем, как именно это сделать, и потому объявляем его абстрактным
abstract public function do_print ();
>
Производные классы
Теперь можно перейти к созданию производных классов, которые и реализуют недостающую функциональность.
Теперь об использовании
Суть в том, что один и тот же код используется для обьектов разных классов.
Вот и все. Легким движением руки брюки превращаются в элегантные шорты :-).
Основная выгода полиморфизма — легкость, с которой можно создавать новые классы, «ведущие себя» аналогично родственным, что, в свою очередь, позволяет достигнуть расширяемости и модифицируемости. В статье показан всего лишь примитивный пример, но даже в нем видно, насколько использование абстракций может облегчить разработку. Мы можем работать с новостями точно так, как с объявлениями или статьями, при этом нам даже не обязательно знать, с чем именно мы работаем! В реальных, намного более сложных приложениях, эта выгода еще ощутимей.
Немного теории
Что такое полиморфизм ооп
ООП – парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов. В центре ООП находится понятие объекта. Объект — это сущность, которой можно посылать сообщения, и которая может на них реагировать, используя свои данные. Объект — это экземпляр класса. Данные объекта скрыты от остальной программы. Сокрытие данных называется инкапсуляцией. Наличие инкапсуляции достаточно для объектности языка программирования, но ещё не означает его объектной ориентированности — для этого требуется наличие наследования. Но даже наличие инкапсуляции и наследования не делает язык программирования в полной мере объектным с точки зрения ООП. Основные преимущества ООП проявляются только в том случае, когда в языке программирования реализован полиморфизм; то есть возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию. Первым языком программирования, в котором были предложены принципы объектной ориентированности, была Симула. В момент своего появления (в 1967 году), этот язык программирования предложил поистине революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Тем не менее, большинство концепций были развиты Аланом Кэйем и Дэном Ингаллсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования. (C#, C++, Java, Ruby, PHP, Perl, Python). ООП дает возможность создавать расширяемые системы (extensible systems). Это одно из самых значительных достоинств ООП и именно оно отличает данный подход от традиционных методов программирования. Расширяемость (extensibility) означает, что существующую систему можно заставить работать с новыми компонентами, причем без внесения в нее каких-либо изменений. Компоненты могут быть добавлены на этапе выполнения. Smalltalk — объектно-ориентированный язык программирования с динамической типизацией, разработанный в Xerox PARC Аланом Кэйем, Дэном Ингаллсом, Тедом Кэглером, Адель Голдберг, и другими в 1970-х годах. Язык был представлен как Smalltalk-80. Smalltalk оказал большое влияние на развитие многих других языков, таких как: Objective-C, Actor, Java, Groovy и Ruby. Многие идеи 1980-х и 1990-х по написанию программ появились в сообществе Smalltalk. К ним можно отнести рефакторинг, шаблоны проектирования (применительно к ПО), карты «класс — обязанности — взаимодействие» и экстремальное программирование в целом. Си — язык программирования, разработанный в 1969—1973 годах сотрудниками Bell Labs Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи как развитие языка Би. Благодаря близости по скорости выполнения программ, написанных на Си, к языку ассемблера, этот язык получил широкое применение при создании системного программного обеспечения и прикладное программное обеспечение для решения широко круга задач. Язык программирования Си оказал существенное влияние на развитие индустрии программного обеспечения, а его синтаксис стал основой для таких языков программирования как C++, C# и Java.
Основные понятия ООП: абстракция, инкапсуляция, наследование, полиморфизм.
Абстракция – это придание объекту характеристик, которые чётко определяют его концептуальные границы, отличая от всех других объектов. 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. (Пример: говорить о предметах, не упоминая материалы, из которых они сделаны). Абстракция позволяет задействовать концепцию, игнорируя ее некоторые детали и работая с разными деталями на разных уровнях. Имея дело с составным объектом, вы имеете дело с абстракцией. Если вы рассматриваете объект как «дом», а не как комбинацию стекла, древесины и гвоздей, вы прибегаете к абстракции. Если вы рассматриваете множество домов как «город», вы прибегаете к другой абстракции. Базовые классы представляют собой абстракции, позволяющие концентрироваться на общих атрибутах производных классов и игнорировать детали конкретных классов при работе с базовым классом. Удачный интерфейс класса — это абстракция, позволяющая сосредоточиться на интерфейсе, не беспокоясь о внутренних механизмах работы класса. Мы используем абстракции на каждом шагу. Если б, открывая или закрывая дверь, вы должны были иметь дело с отдельными волокнами древесины, молекулами лака и стали, вы вряд ли смогли бы войти в дом или выйти из него. Абстракция — один из главных способов борьбы со сложностью реального мира. Слой абстрагирования (или уровень абстракции) — это способ уйти от деталей реализации конкретного множества функций.
Инкапсуляция – скрытие методов и переменных от других методов или переменных или других частей программы. Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих целях:
Когда абстракция нас покидает, на помощь приходит инкапсуляция. Абстракция говорит: «Вы можете рассмотреть объект с общей точки зрения». Инкапсуляция добавляет: «Более того, вы не можете рассмотреть объект с иной точки зрения». Продолжим нашу аналогию: инкапсуляция позволяет вам смотреть на дом, но не дает подойти достаточно близко, чтобы узнать, из чего сделана дверь. Инкапсуляция позволяет вам знать о существовании двери, о том, открыта она или заперта, но при этом вы не можете узнать, из чего она сделана (из дерева, стекловолокна, стали или другого материала), и уж никак не сможете рассмотреть отдельные волокна древесины.
(Абстрактный класс белым цветом)
Как имитировать множественное наследование?
Полиморфизм – возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию (использование одного имени для решения двух или более схожих, но технически разных задач). Если функция описывает разные реализации (возможно, с различным поведением) для ограниченного набора явно заданных типов и их комбинаций, это называется ситуативным полиморфизмом (ad hoc polymorphism). Ситуативный полиморфизм поддерживается во многих языках посредством перегрузки функций и методов. Если же код написан отвлеченно от конкретного типа данных и потому может свободно использоваться с любыми новыми типами, имеет место параметрический полиморфизм. Некоторые языки совмещают различные формы полиморфизма, порой сложным образом, что формирует самобытную идеологию в них и влияет на применяемые методологии декомпозиции задач. Например, в Smalltalk любой класс способен принять сообщения любого типа, и либо обработать его самостоятельно (в том числе посредством интроспекции), либо ретранслировать другому классу — таким образом, несмотря на широкое использование перегрузки функций, формально любая операция является неограниченно полиморфной и может применяться к данным любого типа.
Другие понятия ООП
Конструктор
В объектно-ориентированном программировании конструктор класса (от англ. constructor, иногда сокращают ctor) — специальный блок инструкций, вызываемый при создании объекта. Конструктор схож с методом, но отличается от метода тем, что не имеет явным образом определённого типа возвращаемых данных, не наследуется, и обычно имеет различные правила для рассматриваемых модификаторов. Конструкторы часто выделяются наличием одинакового имени с именем класса, в котором объявляется. Их задача — инициализировать члены объекта и определить инвариант класса, сообщив в случае некорректности инварианта. Корректно написанный конструктор оставит объект в «правильном» состоянии. Неизменяемые объекты тоже должны быть проинициализированы конструктором. В большинстве языков конструктор может быть перегружен, что позволяет использовать несколько конструкторов в одном классе, причём каждый конструктор может иметь различные параметры.
Деструктор
Вызывается при уничтожении объекта. Он обычно используется для освобождения памяти.
Виртуальный метод
В объектно-ориентированном программировании метод (функция) класса, который может быть переопределён в классах-наследниках так, что конкретная реализация метода для вызова будет определяться во время исполнения. Таким образом, программисту не обязательно знать точный тип объекта для работы с ним через виртуальные методы: достаточно лишь знать, что объект принадлежит классу или наследнику класса, в котором метод объявлен. Виртуальные методы — один из важнейших приёмов реализации полиморфизма. Они позволяют создавать общий код, который может работать как с объектами базового класса, так и с объектами любого его класса-наследника. При этом базовый класс определяет способ работы с объектами и любые его наследники могут предоставлять конкретную реализацию этого способа. В некоторых языках программирования, например в Java, нет понятия виртуального метода, данное понятие следует применять лишь для языков, в которых методы родительского класса не могут быть переопределены по умолчанию, а только с помощью некоторых вспомогательных ключевых слов. В некоторых же (как, например, в Python), все методы — виртуальные. Базовый класс может и не предоставлять реализации виртуального метода, а только декларировать его существование. Такие методы без реализации называются «чистыми виртуальными» (перевод англ. pure virtual) или абстрактными. Класс, содержащий хотя бы один такой метод, тоже будет абстрактным. Объект такого класса создать нельзя (в некоторых языках допускается, но вызов абстрактного метода приведёт к ошибке). Наследники абстрактного класса должны предоставить реализацию для всех его абстрактных методов, иначе они, в свою очередь, будут абстрактными классами. Для каждого класса, имеющего хотя бы один виртуальный метод, создаётся таблица виртуальных методов. Каждый объект хранит указатель на таблицу своего класса. Для вызова виртуального метода используется такой механизм: из объекта берётся указатель на соответствующую таблицу виртуальных методов, а из неё, по фиксированному смещению, — указатель на реализацию метода, используемого для данного класса. При использовании множественного наследования ситуация несколько усложняется за счёт того, что таблица виртуальных методов становится нелинейной. Принцип единственной обязанности (Single responsibility principle) обозначает, что каждый объект должен иметь одну обязанность и эта обязанность должна быть полностью инкапсулирована в класс. Все его сервисы должны быть направлены исключительно на обеспечение этой обязанности.
В чем плюсы и минусы ООП?
Общие положения
Полиморфизм
Инкапсуляция
Наследование
Введение в ООП с примерами на C#. Часть первая. Все, что нужно знать о полиморфизме
Я много писал на смежные темы, вроде концепции MVC, Entity Framework, паттерна «Репозиторий» и т.п. Моим приоритетом всегда было полное раскрытие темы, чтобы читателю не приходилось гуглить недостающие детали. Этот цикл статей опишет абсолютно все концепции ООП, которые могут интересовать начинающих разработчиков. Однако эта статья предназначена не только для тех, кто начинает свой путь в программировании: она написана и для опытных программистов, которым может потребоваться освежить свои знания.
Сразу скажу, далеко в теорию мы вдаваться не будем — нас интересуют специфичные вопросы. Где это будет нужно, я буду сопровождать повествование кодом на C#.
Что такое ООП и в чём его плюсы?
«ООП» значит «Объектно-Ориентированное Программирование». Это такой подход к написанию программ, который основывается на объектах, а не на функциях и процедурах. Эта модель ставит в центр внимания объекты, а не действия, данные, а не логику. Объект — реализация класса. Все реализации одного класса похожи друг на друга, но могут иметь разные параметры и значения. Объекты могут задействовать методы, специфичные для них.
ООП сильно упрощает процесс организации и создания структуры программы. Отдельные объекты, которые можно менять без воздействия на остальные части программы, упрощают также и внесение в программу изменений. Так как с течением времени программы становятся всё более крупными, а их поддержка всё более тяжёлой, эти два аспекта ООП становятся всё более актуальными.
Что за концепции ООП?
Сейчас коротко о принципах, которые мы позже рассмотрим в подробностях:
Ладно, тут мы коснулись большого количества теории, настало время действовать. Я надеюсь, это будет интересно.
Полиморфизм
В этой статье мы рассмотрим буквально все сценарии использования полиморфизма, использование параметров и разные возможные типы мышления во время написания кода.
Перегрузка методов
В главном методе Program.cs теперь напишем следующее:
И теперь, когда мы это запустим, вывод будет следующим:
DisplayOverload 100
DisplayOverload method overloading
DisplayOverload method overloading100
Мы получим ошибку компиляции:
Error: Type ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload’ already defines a member called ‘DisplayOverload’ with the same parameter types
Здесь вы можете видеть две функции, которые различаются только по возвращаемому типу, и скомпилировать это нельзя.
…то у нас это не получится:
Error: Type ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload’ already defines a member called ‘DisplayOverload’ with the same parameter types
Здесь присутствуют два метода, принимающих целое число в качестве аргумента, с той лишь разницей, что один из них помечен как статический.
То нас ждёт разочарование:
Error: Cannot define overloaded method ‘DisplayOverload’ because it differs from another method only on ref and out
Что нужно запомнить: на идентификатор метода оказывают влияние только его имя и параметры (их тип, количество). Модификаторы доступа не влияют. Двух методов с одинаковыми идентификаторами существовать не может.
Роль ключевого слова params в полиморфизме
Параметры могут быть четырёх разных видов:
С первыми тремя мы, вроде, разобрались, теперь подробнее взглянем на четвёртый.
То получим две ошибки:
Error1: The parameter name ‘a’ is a duplicate
Error2: A local variable named ‘a’ cannot be declared in this scope because it would give a different meaning to ‘a’, which is already used in a ‘parent or current’ scope to denote something else
Отсюда следуют вывод: имена параметров должны быть уникальны. Также не могут быть одинаковыми имя параметра метода и имя переменной, созданной в этом же методе.
Overload.cs
Program.cs
Мы получим следующий вывод:
Overload.cs
Program.cs
Это даст нам такой вывод:
Важно: это ключевое слово может быть применено только к последнему аргументу метода, так что метод ниже работать не будет:
Разница между ними в том, что первый запустится, и такая синтаксическая конструкция будет подразумевать, что в метод будет передаваться n массивов строк. Вторая же выдаст ошибку:
Error: The parameter array must be a single dimensional array
Overload.cs
Program.cs
Вывод будет следующим:
Уже вызовет ошибку:
Error: The best overloaded method match for ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload.DisplayOverload(int, params string[])’ has some invalid arguments
Error:Argument 2: cannot convert from ‘string[]’ to ‘string’
Думаю, тут всё понятно — или, или. Смешивать передачу отдельными параметрами и одним массивом нельзя.
Overload.cs
Program.cs
После её выполнения мы получим в консоли:
Это происходит из-за того, что при подобном синтаксисе массив передаётся по ссылке. Однако стоит отметить следующую особенность:
Результатом выполнения такого кода будет
Ведь из переданных параметров C# автоматически формирует новый, временный массив.
parameterArray
The two integers 200 300
parameterArray
Overload.cs
Program.cs
В консоли мы увидим:
System.Int32 System.String System.Double
System.Object[] System.Object[] System.Int32 System.String System.Double