Бертран Мейер - Основы объектно-ориентированного программирования

• Название: Основы объектно-ориентированного программирования
• Автор: Бертран Мейер
• Жанр: Прочая околокомпьтерная литература

Фундаментальный учебник по основам объектно-ориентированного программирования и инженерии программ. В книге подробно излагаются основные понятия объектной технологии – классы, объекты, управление памятью, типизация, наследование, универсализация. Большое внимание уделяется проектированию по контракту и обработке исключений, как механизмам, обеспечивающим корректность и устойчивость программных систем.

В книге Бертрана Мейера рассматриваются основы объектно-ориентированного программирования. Изложение начинается с рассмотрения критериев качества программных систем и обоснования того, как объектная технология разработки может обеспечить требуемое качество. Основные понятия объектной технологии и соответствующая нотация появляются как результат тщательного анализа и обсуждений. Подробно рассматривается понятие класса - центральное понятие объектной технологии. Рассматривается абстрактный тип данных, лежащий в основе класса, совмещение классом роли типа данных и модуля и другие аспекты построения класса. Столь же подробно рассматриваются объекты и проблемы управления памятью. Большая часть книги уделена отношениям между классами – наследованию, универсализации и их роли в построении программных систем. Важную часть книги составляет введение понятия контракта, описание технологии проектирования по контракту, как механизма, обеспечивающего корректность создаваемых программ. Не обойдены вниманием и другие важные темы объектного программирования – скрытие информации, статическая типизация, динамическое связывание и обработка исключений. Глубина охвата рассматриваемых тем делает книгу Бертрана Мейера незаменимой для понимания основ объектного программирования.

---

Родовые классы

Согласование статической типизации с требованием повторного использования для классов, описывающих контейнерные структуры, означает, как показано на примере стека, что мы хотим одновременно иметь возможность:

[x]. Объявить тип каждой сущности, появляющейся в классе стека, включая сущности, представляющие элементы стека.

[x]. Написать класс так, чтобы он не содержал никаких намеков на тип элемента стека, и следовательно, мог использоваться для построения стеков с элементами произвольных типов.

На первый взгляд эти требования кажутся несовместимыми, но на самом деле это не так. Первое требование заставляет нас объявить тип. Но вовсе не требуется, чтобы тип в объявлении был конкретным! Назвав имя типа, мы умиротворим механизм проверки. ("Назови свой страх - и он уйдет"). В этом идея универсализации: получить класс с параметром, задающим тип, снабдить его именем, назвав его формальным родовым параметром.

Объявление родового класса

По соглашению родовой параметр обычно, использует имя G (от Generic). Это неформальное правило. Если нужны еще родовые параметры, они будут названы H, I и т.д.

Согласно синтаксису, формальные родовые параметры заключаются в квадратные скобки, следующие за именем класса, подобно синтаксису параметризованного АТД в предыдущей лекции. Например:

indexing

description: "Стек элементов произвольного класса G"

class STACK [G] feature

count: INTEGER

-- Количество элементов в стеке

empty: BOOLEAN is

-- Есть ли элементы?

do ... end

full: BOOLEAN is

-- Стек заполнен?

do ... end

item: G is

-- Вершина стека

do ... end

put (x: G) is

-- Втолкнуть x в стек.

do ... end

remove is

-- Вытолкнуть элемент из стека.

do ... end

end -- class STACK

Формальный родовой параметр G можно использовать в объявлениях класса не только для результата функций (как в item) и формальных аргументов подпрограмм (как в put), но и для атрибутов и локальных сущностей класса.

Использование родового класса

Клиент может использовать родовой класс для объявления собственных сущностей, задающих стек. В этом случае в момент объявления следует задать фактический тип элементов стека - фактический родовой параметр, например:

sp: STACK [POINT]

Если у класса несколько родовых параметров, то соответственно столько же необходимо задать и фактических параметров.

Предоставление фактических родовых параметров родовому классу для создания типа называется родовым порождением (generic derivation), а полученный в результате класс, такой как STACK [POINT], называют параметрически порожденным классом.

Родовому порождению требуется тип, родовое порождение создает новый тип:

[x]. Результат порождения STACK [POINT] является типом.

[x]. Для получения такого результата, необходим уже существующий тип, используемый в качестве фактического параметра (POINT в примере).

Фактический параметр может быть произвольным типом. Ничто не мешает выбрать тип, который сам по себе параметрически порожден. Предположим, что мы определили другой родовой класс LIST [G], тогда можно определить стек, элементы которого являются списками точек:

slp: STACK [LIST [POINT]]

или, используя STACK [POINT] как фактический родовой параметр, - стек стеков точек:

ssp: STACK [STACK [POINT]]

Нет предела глубины таких вложений, кроме естественной необходимости сохранять простоту программного текста.

Терминология

Обсуждая универсализацию, необходимо уточнить используемые термины.

[x]. Процесс порождения нового типа, такого как STACK [POINT], из типов POINT и STACK, можно было бы называть созданием экземпляра типа "generic instantiation". Но этот термин мог бы ввести в заблуждение, поскольку в названии неявно предполагается процесс периода выполнения ПО. Заметьте, родовое порождение - статический механизм, действующий на текст программы, а не на ее выполнение.

[x]. В этой книге термин "параметр" и "аргумент" используются по-разному. Первый для универсальных классов, второй - для подпрограмм. В традиционной программистской терминологии параметры и аргументы чаще всего синонимы.

Проверка типов

Используя универсализацию, можно гарантировать, что структура данных будет содержать элементы определенного типа. Допустим, класс содержит объявления:

sc: STACK [CIRCLE]; sa: STACK [ACCOUNT]; c: CIRCLE; a: ACCOUNT.

Тогда в программах этого класса допустимы следующие инструкции:

sc.put (c) -- Втолкнуть круг в стек кругов

sa.put (a) -- Втолкнуть счет в стек счетов

c := sc.item -- Сущности круг присвоить вершину стека кругов.

Но каждая из следующих инструкций недопустима и будет отвергнута:

sc.put (a); -- Попытка: Втолкнуть счет в стек кругов.

sa.put (c); -- Попытка: Втолкнуть круг в стек счетов.

c:= sa.item -- Попытка: Дать кругу значение счета.

Это исключает ошибочные операции, подобные попытке вычитания денег из круга.

Правило типизации

Правило типизации, делающее допустимым первый набор и недопустимым второй, интуитивно понятно, но его надо уточнить.

Вначале рассмотрим обычные, не родовые классы. Пусть C такой класс. Рассмотрим объявление его компонента, не использующее, естественно, никаких формальных родовых параметров:

f(a:T):U is ...

Тогда вызов вида x.f(d), появляющийся в произвольном классе B, где x типа C, будет корректен по типу, тогда и только тогда, когда:

[x]. f доступен классу B, - экспортирован всем классам или множеству классов, включающих B;

[x]. d принадлежит типу T. Если учитывать возможность наследования, то d может принадлежать потомкам T.

[x]. Результат вызова имеет тип U. В этом примере предполагается, что компонент f является функцией.

Теперь предположим, что C родовой класс с формальным родовым параметром G имеет компонент:

h (a: G): G is...

Вызов h имеет вид y.h(e), где y сущность, объявленная как

y: C [V]

Тип V - некоторый ранее определенный тип. Теперь правило типизации - двойник неродового правила - требует, чтобы e имело тип V или при наследовании было потомком V. Аналогичное требование к результату выполнения функции h.

Требования правила понятны: V - фактический параметр, заменяющий формальный родовой параметр G параметризованного класса C, поэтому он заменяет все вхождения G при вызове компонент класса. Все предыдущие примеры следовали этой модели: вызов s.put(z) требует параметра z типа POINT, если s типа STACK [POINT]; INTEGER если s типа STACK [INTEGER]; и s.item возвращает результат типа POINT в первом случае и типа INTEGER во втором.

Операции над сущностями родового типа

В родовом классе C [G, H, ...] рассмотрим сущность, чей тип - один из формальных родовых параметров, например x типа G. Когда класс используется клиентом для объявления сущностей, G, разумеется, может представлять любой тип. Поэтому любая операция, которую выполняют подпрограммы C над x, должна быть применима ко всем типам. Это ограничение позволяет выполнять только пять видов операций:

Использование сущностей формального родового типа

Корректно использовать сущность x, чей тип задан формальным родовым параметром G, можно следующим образом.

1 Слева от оператора присваивания x := y, где выражение y также имеет тип G.