Что такое классы в объектно-ориентированном программировании
Глубокое погружение в самую сложную и неинтуитивную область программирования.
В этом цикле статей мы говорим об объектно-ориентированном программировании — передовом и очень распространённом подходе к разработке. Это стоит знать всем, кто серьёзно относится к программированию и хочет зарабатывать в этой области.
Если не читали предыдущую статью, вот краткое содержание:
Одно из преимуществ ООП — не нужно много раз писать один и тот же код. Можно однажды придумать какую-то красивую штуку и потом заново её использовать буквально одной строкой. Для этого и нужны классы.
Что за классы
Вот одно из формальных определений класса: «Класс — это элемент ПО, описывающий абстрактный тип данных и его частичную или полную реализацию»
Если более по-русски, то класс — это шаблон кода, по которому создаётся какой-то объект. Это как рецепт приготовления блюда или инструкция по сборке мебели: сам по себе класс ничего не делает, но с его помощью можно создать новый объект и уже его использовать в работе.
Если пока непонятно, погружайтесь в пример:
Призовём на помощь силу примеров и поговорим про сотовые телефоны.
Допустим, вы делаете мобильники и хотите выпустить на рынок новую модель. Чтобы люди могли сразу пользоваться вашим устройством и быстро к нему привыкли, у телефона должен быть экран, кнопки включения и громкости, камеры спереди и сзади, разъём для зарядки и слот для сим-карты.
Но одного железа недостаточно — нужно соединить его между собой так, чтобы всё работало без сбоёв. Кроме этого, нужно предусмотреть, что происходит при нажатии на кнопки, что выводится на экран и как пользователь будет управлять этим телефоном.
Следующий этап — описать каждую деталь, из которой состоит телефон, каждую микросхему и плату, и объяснить, как детали работают друг с другом. Последний шаг — написать руководство пользователя, где будет полностью рассказано, что можно делать с телефоном, как запустить звонилку или отправить смс.
Мы только что сделали новый класс для телефона — полный набор нужных знаний, описаний, свойств и инструкций, который описывает нашу модель. Все эти инструкции и описания — это ещё не телефон, но из них этот телефон можно сделать.
В программировании у класса есть наборы данных — в нашем случае это комплектующие для телефона. Ещё есть функции для работы с классами, которые называются методами — это то, как пользователь будет работать с нашим телефоном, что он будет на нём делать и каким образом.
Классы на практике
Все примеры дальше мы будем делать на Python, потому что это стильно, модно и молодёжно. А сам Python — очень объектно-ориентированный язык, почти всё в нём — это объекты. Вот и опробуем.
Допустим, мы пишем интернет-магазин с системой скидок. Нам нужно работать с пользователями — постоянными покупателями. Пользователь у нас будет объектом: у него будет имя, возраст и адрес доставки по умолчанию. Мы заведём класс, который поможет нам инициировать нового покупателя.
Здесь сказано: «Вот класс для покупателя. У него есть три свойства: имя, возраст и адрес». Теперь мы можем заводить новых покупателей одной строкой:
# Создаём первого покупателя
# Создаём второго покупателя
Что дальше
В следующем материале мы смоделируем реальную ситуацию: добавим программу лояльности, бонусные баллы и расскажем, как Python с этим справится. Чтобы было интереснее, будем писать код на двух языках сразу — Python и JavaScript.
Объектно-ориентированное программирование. Часть 1. Что такое классы и объекты
Почти всё современное программирование построено на принципах ООП, поэтому их должен понимать каждый разработчик. Узнайте основы из этой статьи.
Введение
Это первая статья из серии, посвященной объектно-ориентированному программированию. Она предназначена для тех, кто хочет понять саму суть этой парадигмы разработки, а не просто научиться использовать классы и объекты.
Цикл состоит из статей, посвященных различным аспектам ООП:
Все примеры в этой серии мы рассмотрим на языке C#. Для наглядности они будут связаны с разработкой игр, потому что в них активно используются объекты.
Перед чтением этой серии статей вам нужно ознакомиться с такими понятиями:
Работа будет происходить в Visual Studio 2019, но вполне подойдет и VS 2017.
В конце каждой статьи будут задания, которые помогут закрепить тему. Выполнив задание, загружайте его на GitHub и пишите в комментариях ссылку на репозиторий — я постараюсь проверить каждое решение и дать обратную связь (но я всего лишь человек).
Выполнять задания не обязательно, но без практики просто невозможно осилить такую сложную тему, как ООП. Если же вам все равно лень выполнять задания, можете просто посмотреть мой вариант решения, который я также буду публиковать в комментариях.
Пишет о разработке сайтов, в свободное время создает игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.
Что такое ООП
Объектно-ориентированное программирование (сокращенно ООП) — это парадигма разработки программных систем, в которой приложения состоят из объектов.
Объекты — это сущности, у которых есть свойства и поведение. Обычно объекты являются экземплярами какого-нибудь класса. Например, в игре может быть класс Character (персонаж), а его экземплярами будут hero или npc.
Свойства — это данные, которые связаны с конкретным объектом:
Поведение объекта определяется с помощью методов — специальных блоков кода, которые можно вызывать из разных частей программы. Например, у того же объекта Character могут быть следующие методы:
Используя эти свойства и методы, можно значительно ускорить разработку, сделать код более читаемым. К тому же самому программисту проще составлять код, если он думает с помощью объектов.
То есть он не пишет какую-то функцию, которая будет делать что-то для программы в целом. Вместо этого он мысленно разделяет приложение на отдельные компоненты и продумывает их свойства и поведение.
Такую парадигму используют многие популярные языки:
Плюсы и минусы объектно-ориентированного программирования
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Легко читается. Не нужно выискивать в коде функции и выяснять, за что они отвечают. | Потребляет больше памяти. Объекты потребляют больше оперативной памяти, чем примитивные типы данных. |
| Быстро пишется. Можно быстро создать сущности, с которыми должна работать программа. | Снижает производительность. Многие вещи технически реализованы иначе, поэтому они используют больше ресурсов. |
| Проще реализовать большой функционал. Так как на написание кода уходит меньше времени, можно гораздо быстрее создать приложение с множеством возможностей. | Сложно начать. Парадигма ООП сложнее функционального программирования, поэтому на старт уходит больше времени. |
| Меньше повторений. Не нужно писать однотипные функции для разных сущностей |
Как использовать классы и объекты
Изучая C#, разработчик в первый же день сталкивается с классами и объектами. Например, вот как выглядит первая программа любого новичка:
Здесь создается класс Program, у которого есть метод Main () — с него начинается выполнение программы, поэтому его называют точкой входа.
Для вывода текста используется следующий оператор:
Тут программа обращается к объекту Console и вызывает метод WriteLine (), который выводит переданное значение в консоль.
Также у объекта Console есть разные свойства:
Если бы не было объекта, было бы сложно определить, цвет какого фона и какого шрифта будет указываться, потому что их в программе может быть несколько.
Объектно-ориентированное программирование: на пальцах
Статья не мальчика, но мужа.
Настало время серьёзных тем: сегодня расскажем про объектно-ориентированное программирование, или ООП. Это тема для продвинутого уровня разработки, и мы хотим, чтобы вы его постигли.
Из этого термина можно сделать вывод, что ООП — это такой подход к программированию, где на первом месте стоят объекты. На самом деле там всё немного сложнее, но мы до этого ещё доберёмся. Для начала поговорим про ООП вообще и разберём, с чего оно начинается.
Обычное программирование (процедурное)
Чаще всего под обычным понимают процедурное программирование, в основе которого — процедуры и функции. Функция — это мини-программа, которая получает на вход какие-то данные, что-то делает внутри себя и может отдавать какие-то данные в результате вычислений. Представьте, что это такой конвейер, который упакован в коробочку.
Например, в интернет-магазине может быть функция «Проверить email». Она получает на вход какой-то текст, сопоставляет со своими правилами и выдаёт ответ: это правильный электронный адрес или нет. Если правильный, то true, если нет — то false.
Функции полезны, когда нужно упаковать много команд в одну. Например, проверка электронного адреса может состоять из одной проверки на регулярные выражения, а может содержать множество команд: запросы в словари, проверку по базам спамеров и даже сопоставление с уже известными электронными адресами. В функцию можно упаковать любой комбайн из действий и потом просто вызывать их все одним движением.
Что не так с процедурным программированием
Процедурное программирование идеально работает в простых программах, где все задачи можно решить, грубо говоря, десятком функций. Функции аккуратно вложены друг в друга, взаимодействуют друг с другом, можно передать данные из одной функции в другую.
Например, вы пишете функцию «Зарегистрировать пользователя интернет-магазина». Внутри неё вам нужно проверить его электронный адрес. Вы вызываете функцию «Проверить email» внутри функции «Зарегистрировать пользователя», и в зависимости от ответа функции вы либо регистрируете пользователя, либо выводите ошибку. И у вас эта функция встречается ещё в десяти местах. Функции как бы переплетены.
Тут приходит продакт-менеджер и говорит: «Хочу, чтобы пользователь точно знал, в чём ошибка при вводе электронного адреса». Теперь вам нужно научить функцию выдавать не просто true — false, а ещё и код ошибки: например, если в адресе опечатка, то код 01, если адрес спамерский — код 02 и так далее. Это несложно реализовать.
Вы залезаете внутрь этой функции и меняете её поведение: теперь она вместо true — false выдаёт код ошибки, а если ошибки нет — пишет «ОК».
И тут ваш код ломается: все десять мест, которые ожидали от проверяльщика true или false, теперь получают «ОК» и из-за этого ломаются.
Задача, конечно, решаемая за час-другой.
Но теперь представьте, что у вас этих функций — сотни. И изменений в них нужно делать десятки в день. И каждое изменение, как правило, заставляет функции вести себя более сложным образом и выдавать более сложный результат. И каждое изменение в одном месте ломает три других места. В итоге у вас будут нарождаться десятки клонированных функций, в которых вы сначала будете разбираться, а потом уже нет.
Это называется спагетти-код, и для борьбы с ним как раз придумали объектно-ориентированное программирование.
Объектно-ориентированное программирование
Основная задача ООП — сделать сложный код проще. Для этого программу разбивают на независимые блоки, которые мы называем объектами.
Объект — это не какая-то космическая сущность. Это всего лишь набор данных и функций — таких же, как в традиционном функциональном программировании. Можно представить, что просто взяли кусок программы и положили его в коробку и закрыли крышку. Вот эта коробка с крышками — это объект.
Программисты договорились, что данные внутри объекта будут называться свойствами, а функции — методами. Но это просто слова, по сути это те же переменные и функции.
Объект можно представить как независимый электроприбор у вас на кухне. Чайник кипятит воду, плита греет, блендер взбивает, мясорубка делает фарш. Внутри каждого устройства куча всего: моторы, контроллеры, кнопки, пружины, предохранители — но вы о них не думаете. Вы нажимаете кнопки на панели каждого прибора, и он делает то, что от него ожидается. И благодаря совместной работе этих приборов у вас получается ужин.
Объекты характеризуются четырьмя словами: инкапсуляция, абстракция, наследование и полиморфизм. Если интересно, что это такое, приглашаем в кат:
Инкапсуляция — объект независим: каждый объект устроен так, что нужные для него данные живут внутри этого объекта, а не где-то снаружи в программе. Например, если у меня есть объект «Пользователь», то у меня в нём будут все данные о пользователе: и имя, и адрес, и всё остальное. И в нём же будут методы «Проверить адрес» или «Подписать на рассылку».
Абстракция — у объекта есть «интерфейс»: у объекта есть методы и свойства, к которым мы можем обратиться извне этого объекта. Так же, как мы можем нажать кнопку на блендере. У блендера есть много всего внутри, что заставляет его работать, но на главной панели есть только кнопка. Вот эта кнопка и есть абстрактный интерфейс.
Например, над магазином работают два программиста: один пишет модуль заказа, а второй — модуль доставки. У первого в объекте «заказ» есть метод «отменить». И вот второму нужно из-за доставки отменить заказ. И он спокойно пишет: «заказ.отменить()». Ему неважно, как другой программист будет реализовывать отмену: какие он отправит письма, что запишет в базу данных, какие выведет предупреждения.
Наследование — способность к копированию. ООП позволяет создавать много объектов по образу и подобию другого объекта. Это позволяет не копипастить код по двести раз, а один раз нормально написать и потом много раз использовать.
Например, у вас может быть некий идеальный объект «Пользователь»: в нём вы прописываете всё, что может происходить с пользователем. У вас могут быть свойства: имя, возраст, адрес, номер карты. И могут быть методы «Дать скидку», «Проверить заказ», «Найти заказы», «Позвонить».
На основе этого идеального пользователя вы можете создать реального «Покупателя Ивана». У него при создании будут все свойства и методы, которые вы задали у идеального покупателя, плюс могут быть какие-то свои, если захотите.
Идеальные объекты программисты называют классами.
Полиморфизм — единый язык общения. В ООП важно, чтобы все объекты общались друг с другом на понятном им языке. И если у разных объектов есть метод «Удалить», то он должен делать именно это и писаться везде одинаково. Нельзя, чтобы у одного объекта это было «Удалить», а у другого «Стереть».
При этом внутри объекта методы могут быть реализованы по-разному. Например, удалить товар — это выдать предупреждение, а потом пометить товар в базе данных как удалённый. А удалить пользователя — это отменить его покупки, отписать от рассылки и заархивировать историю его покупок. События разные, но для программиста это неважно. У него просто есть метод «Удалить()», и он ему доверяет.
Такой подход позволяет программировать каждый модуль независимо от остальных. Главное — заранее продумать, как модули будут общаться друг с другом и по каким правилам. При таком подходе вы можете улучшить работу одного модуля, не затрагивая остальные — для всей программы неважно, что внутри каждого блока, если правила работы с ним остались прежними.
Плюсы и минусы ООП
У объектно-ориентированного программирования много плюсов, и именно поэтому этот подход использует большинство современных программистов.
А теперь про минусы:
Что дальше
Впереди нас ждёт разговор о классах, объектах и всём остальном важном в ООП. Крепитесь, будет интересно!
Просто о сложном: что такое объектно-ориентированное программирование (ООП)?
Объектно-ориентированное программирование — это шаблон проектирования ПО, позволяющий решать задачи разработчика с точки зрения взаимодействия объектов. При этом большая часть объектно-ориентированных языков, например, Ruby, Python, Java, C++ наследуют на основе классов. Если говорить о JavaScript, то в нём ООП реализуется через прототипное наследование.
Наиболее удачное и популярное определение ООП звучит следующим образом — это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности ряда объектов, причём каждый из этих объектов — это экземпляр определённого класса.
На сегодняшний день ООП — наиболее распространённый метод разработки ПО. Но использование этого метода предполагает понимание ряда принципов. О них и поговорим.
Сущность, определения и принципы ООП
Для освоения этих методов разработки вы должны знать четыре главные особенности. Вместе они образуют сущность данного программирования. А понимание сущности ООП, как известно, не что иное, как ключ к становлению профессионального и успешного разработчика. Давайте рассмотрим эти определения подробнее.
Наследование
Это механизм, позволяющий описать новый класс на основании родительского (существующего). Причём функциональность и свойства родительского класса заимствуются новым.
Иными словами, когда вы применяете наследование в программировании, отпадает необходимость реализовывать общий базовый функционал прочих классов, так как вполне достаточно применить наследование, благодаря которому ваш класс сразу будет обладать нужными родительскими знаниями.
При этом сам механизм довольно гибок, поэтому недостающую в потомках функциональность всегда можно дописать отдельно.
Абстракция
Тут всё предельно просто. При абстракции выделяются главные и наиболее значимые характеристики предмета, одновременно с этим отбрасываются второстепенные и незначительные.
Простой пример: представьте, что мы создаём картотеку сотрудников компании. Естественно, мы вносим их основные характеристики: дату рождения, ИНН, ФИО, номер социального страхования. Разумеется, нас не интересуют ни рост, ни цвет глаз, ни длина волос. То есть мы абстрагируемся от ненужной информации.
А что если нужно создать картотеку модельного агентства? Согласитесь, что здесь ситуация кардинально меняется и вряд ли нам понадобится индивидуальный номер налогоплательщика, а вот данные о внешности будут очень кстати.
Инкапсуляция
Этот термин для объектно-ориентированного программирования означает ограничение доступа к каким-либо данным, то есть ограничивается возможность изменения этих самых данных. Проще говоря, есть «капсула», в которую мы «прячем» важные параметры, когда не хотим, чтобы кто-либо их менял.
Поясним термин на примере вашего имени. Его знают друзья, коллеги, родственники. Но они не могут изменить ваше имя, т. к., согласно методу ООП, у них нет к этому доступа. Всё потому, что изменения «инкапсулированы» в паспортном столе и только вы сами можете что-либо подправить. Пример инкапсуляции в объектно-ориентированном программировании — модификаторы доступа, геттеры-сеттеры и т. д.
Полиморфизм
Полиморфизм позволяет работать с несколькими типами таким образом, как будто это один и тот же тип. И поведение объектов в данном случае будет разным и зависит от того, к какому типу они принадлежат. В общем, полиморфизм указывает, какую версию метода текущего объекта необходимо запустить. Также полиморфизмом называют способность функции обрабатывать данные разных типов. Пример — автомат на вокзале, принимающий для оплаты как наличные, так и банковские карты.
Причины появления объектно-ориентированного программирования
Некоторые задаются вопросом, а почему вообще возник метод ООП? Вроде бы и работающие инструменты у программистов были, и процедурные языки, и методов реализации хватало.
Тем не менее пришло время, когда без ООП стало невозможно быстро и качественно решать поставленные задачи. Во многом это связано с усложнением этих самых задач. Усложнились типы данных, возникла необходимость делить задачу на части. В итоге программы стали представлять собой древа с кучей ветвлений и вариантов работы. Реализовать всё это, используя лишь процедурное программирование, стало весьма сложным и малореалистичным.
ООП в картинках
ООП (Объектно-Ориентированное Программирование) стало неотъемлемой частью разработки многих современных проектов, но, не смотря на популярность, эта парадигма является далеко не единственной. Если вы уже умеете работать с другими парадигмами и хотели бы ознакомиться с оккультизмом ООП, то впереди вас ждет немного лонгрид и два мегабайта картинок и анимаций. В качестве примеров будут выступать трансформеры.
Прежде всего стоит ответить, зачем? Объектно-ориентированная идеология разрабатывалась как попытка связать поведение сущности с её данными и спроецировать объекты реального мира и бизнес-процессов в программный код. Задумывалось, что такой код проще читать и понимать человеком, т. к. людям свойственно воспринимать окружающий мир как множество взаимодействующих между собой объектов, поддающихся определенной классификации. Удалось ли идеологам достичь цели, однозначно ответить сложно, но де-факто мы имеем массу проектов, в которых с программиста будут требовать ООП.
Не следует думать, что ООП каким-то чудным образом ускорит написание программ, и ожидать ситуацию, когда жители Вилларибо уже выкатили ООП-проект в работу, а жители Виллабаджо все еще отмывают жирный спагетти-код. В большинстве случаев это не так, и время экономится не на стадии разработки, а на этапах поддержки (расширение, модификация, отладка и тестирование), то бишь в долгосрочной перспективе. Если вам требуется написать одноразовый скрипт, который не нуждается в последующей поддержке, то и ООП в этой задаче, вероятнее всего, не пригодится. Однако, значительную часть жизненного цикла большинства современных проектов составляют именно поддержка и расширение. Само по себе наличие ООП не делает вашу архитектуру безупречной, и может наоборот привести к излишним усложнениям.
Иногда можно столкнуться с критикой в адрес быстродействия ООП-программ. Это правда, незначительный оверхед присутствует, но настолько незначительный, что в большинстве случаев им можно пренебречь в пользу преимуществ. Тем не менее, в узких местах, где в одном потоке должны создаваться или обрабатываться миллионы объектов в секунду, стоит как минимум пересмотреть необходимость ООП, ибо даже минимальный оверхед в таких количествах может ощутимо повлиять на производительность. Профилирование поможет вам зафиксировать разницу и принять решение. В остальных же случаях, скажем, где львиная доля быстродействия упирается в IO, отказ от объектов будет преждевременной оптимизацией.
В силу своей природы, объектно-ориентированное программирование лучше всего объяснять на примерах. Как и обещал, нашими пациентами будут трансформеры. Я не трансформеролог, и комиксов не читал, посему в примерах буду руководствоваться википедией и фантазией.
Классы и объекты
Сразу лирическое отступление: объектно-ориентированный подход возможен и без классов, но мы будем рассматривать, извиняюсь за каламбур, классическую схему, где классы — наше всё.
Таким образом, класс — это описание того, какими свойствами и поведением будет обладать объект. А объект — это экземпляр с собственным состоянием этих свойств.
Мы говорим «свойства и поведение», но звучит это как-то абстрактно и непонятно. Привычнее для программиста будет звучать так: «переменные и функции». На самом деле «свойства» — это такие же обычные переменные, просто они являются атрибутами какого-то объекта (их называют полями объекта). Аналогично «поведение» — это функции объекта (их называют методами), которые тоже являются атрибутами объекта. Разница между методом объекта и обычной функцией лишь в том, что метод имеет доступ к собственному состоянию через поля.
Итого, имеем методы и свойства, которые являются атрибутами. Как работать с атрибутами? В большинстве ЯП оператор обращения к атрибуту — это точка (кроме PHP и Perl). Выглядит это примерно вот так (псевдокод):
В картинках я буду использовать такие обозначения:
Я не стал использовать UML-диаграммы, посчитав их недостаточно наглядными, хоть и более гибкими.
Анимация №1
Что мы видим из кода?
1. this — это специальная локальная переменная (внутри методов), которая позволяет объекту обращаться из своих методов к собственным атрибутам. Обращаю внимание, что только к собственным, то бишь, когда трансформер вызывает свой метод, либо меняет собственное состояние. Если снаружи обращение будет выглядеть так: optimus.x, то изнутри, если Оптимус захочет сам обратиться к своему полю x, в его методе обращение будет звучать так: this.x, то есть «я (Оптимус) обращаюсь к своему атрибуту x«. В большинстве языков эта переменная называется this, но встречаются и исключения (например, self)
2. constructor — это специальный метод, который автоматически вызывается при создании объекта. Конструктор может принимать любые аргументы, как и любой другой метод. В каждом языке конструктор обозначается своим именем. Где-то это специально зарезервированные имена типа __construct или __init__, а где-то имя конструктора должно совпадать с именем класса. Назначение конструкторов — произвести первоначальную инициализацию объекта, заполнить нужные поля.
3. new — это ключевое слово, которое необходимо использовать для создания нового экземпляра какого-либо класса. В этот момент создается объект и вызывается конструктор. В нашем примере, конструктору передается 0 в качестве стартовой позиции трансформера (это и есть вышеупомянутая инициализация). Ключевое слово new в некоторых языках отсутствует, и конструктор вызывается автоматически при попытке вызвать класс как функцию, например так: Transformer().
4. Методы constructor и run работают с внутренним состоянием, а во всем остальном не отличаются от обычных функций. Даже синтаксис объявления совпадает.
5. Классы могут обладать методами, которым не нужно состояние и, как следствие, создание объекта. В этом случае метод делают статическим.
(Single Responsibility Principle / Принцип единственной ответственности / Первый принцип SOLID). С ним вы, наверняка, уже знакомы из других парадигм: «одна функция должна выполнять только одно законченное действие». Этот принцип справедлив и для классов: «Один класс должен отвечать за какую-то одну задачу». К сожалению с классами сложнее определить грань, которую нужно пересечь, чтобы принцип нарушался.
Ассоциация
Традиционно в полях объекта могут храниться не только обычные переменные стандартных типов, но и другие объекты. А эти объекты могут в свою очередь хранить какие-то другие объекты и так далее, образуя дерево (иногда граф) объектов. Это отношение называется ассоциацией.
Анимация №2
this.gun_left.fire() и this.gun_right.fire() — это обращения к дочерним объектам, которые происходят так же через точки. По первой точке мы обращаемся к атрибуту себя (this.gun_right), получая объект пушки, а по второй точке обращаемся к методу объекта пушки (this.gun_right.fire()).
1. Композиция — случай, когда на фабрике трансформеров, собирая Оптимуса, обе пушки ему намертво приколачивают к рукам гвоздями, и после смерти Оптимуса, пушки умирают вместе с ним. Другими словами, жизненный цикл дочернего объекта совпадает с жизненным циклом родительского.
Ортодоксальная ООП-церковь проповедует нам фундаментальную троицу — инкапсуляцию, полиморфизм и наследование, на которых зиждется весь объектно-ориентированный подход. Разберем их по порядку.
Наследование
Наследование — это механизм системы, который позволяет, как бы парадоксально это не звучало, наследовать одними классами свойства и поведение других классов для дальнейшего расширения или модификации.
Что если, мы не хотим штамповать одинаковых трансформеров, а хотим сделать общий каркас, но с разным обвесом? ООП позволяет нам такую шалость путем разделения логики на сходства и различия с последующим выносом сходств в родительский класс, а различий в классы-потомки. Как это выглядит?
Оптимус Прайм и Мегатрон — оба трансформеры, но один является автоботом, а второй десептиконом. Допустим, что различия между автоботами и десептиконами будут заключаться только в том, что автоботы трансформируются в автомобили, а десептиконы — в авиацию. Все остальные свойства и поведение не будут иметь никакой разницы. В таком случае можно спроектировать систему наследования так: общие черты (бег, стрельба) будут описаны в базовом классе «Трансформер», а различия (трансформация) в двух дочерних классах «Автобот» и «Десептикон».
Анимация №3
Сей пример наглядно иллюстрирует, как наследование становится одним из способов дедуплицировать код (DRY-принцип) с помощью родительского класса, и одновременно предоставляет возможности для мутации в классах-потомках.
Перегрузка
Если же в классе-потомке переопределить уже существующий метод в классе-родителе, то сработает перегрузка. Это позволяет не дополнять поведение родительского класса, а модифицировать. В момент вызова метода или обращения к полю объекта, поиск атрибута происходит от потомка к самому корню — родителю. То есть, если у автобота вызвать метод fire(), сначала поиск метода производится в классе-потомке — Autobot, а поскольку его там нет, поиск поднимается на ступень выше — в класс Transformer, где и будет обнаружен и вызван. Следует отметить, что модификация нарушает LSP из набора принципов SOLID, но мы рассматриваем только техническую возможность.
Неуместное применение
Любопытно, что чрезмерно глубокая иерархия наследования может привести к обратному эффекту — усложнению при попытке разобраться, кто от кого наследуется, и какой метод в каком случае вызывается. К тому же, не все архитектурные требования можно реализовать с помощью наследования. Поэтому применять наследование следует без фанатизма. Существуют рекомендации, призывающие предпочитать композицию наследованию там, где это уместно. Любая критика наследования, которую я встречал, подкрепляется неудачными примерами, когда наследование используется в качестве золотого молотка. Но это совершенно не означает, что наследование в принципе всегда вредит. Мой нарколог говорил, что первый шаг — это признать, что у тебя зависимость от наследования.
Как при описании отношений двух сущностей определить, когда уместно наследование, а когда — композиция? Можно воспользоваться популярной шпаргалкой: спросите себя, сущность А является сущностью Б? Если да, то скорее всего, тут подойдет наследование. Если же сущность А является частью сущности Б, то наш выбор — композиция.
Применительно к нашей ситуации это будет звучать так:
Наследование статично
Еще одно важное отличие наследования от композиции в том, что наследование имеет статическую природу и устанавливает отношения классов только на этапе интерпретации/компиляции. Композиция же, как мы видели в примерах, позволяет менять отношение сущностей на лету прямо в рантайме — иногда это очень важно, поэтому об этом нужно помнить при выборе отношений (если конечно нет желания использовать метапрограммирование).
Множественное наследование
Мы рассмотрели ситуацию, когда два класса унаследованы от общего потомка. Но в некоторых языках можно сделать и наоборот — унаследовать один класс от двух и более родителей, объединив их свойства и поведение. Возможность наследоваться от нескольких классов вместо одного — это множественное наследование.
Вообще, в кругах иллюминатов бытует мнение, что множественное наследование — это грех, оно несет за собой ромбовидную проблему и неразбериху с конструкторами. Кроме того, задачи, которые решаются множественным наследованием, можно решать другими механизмами, например, механизмом интерфейсов (о котором мы тоже поговорим). Но справедливости ради, следует отметить, что множественное наследование удобно использовать для реализации примесей.
Абстрактные классы
Кроме обычных классов в некоторых языках существуют абстрактные классы. От обычных классов они отличаются тем, что нельзя создать объект такого класса. Зачем же нужен такой класс, спросит читатель? Он нужен для того, чтобы от него могли наследоваться потомки — обычные классы, объекты которых уже можно создавать.
Абстрактный класс наряду с обычными методами содержит в себе абстрактные методы без имплементации (с сигнатурой, но без кода), которые обязан имплементировать программист, задумавший создать класс-потомок. Абстрактные классы не обязательны, но они помогают установить контракт, обязующий имплементировать определенный набор методов, дабы уберечь программиста с плохой памятью от ошибки имплементации.
Полиморфизм
Полиморфизм — свойство системы, позволяющее иметь множество реализаций одного интерфейса. Ничего непонятно. Обратимся к трансформерам.
Положим, у нас есть три трансформера: Оптимус, Мегатрон и Олег. Трансформеры боевые, стало быть обладают методом attack(). Игрок, нажимая у себя на джойстике кнопку «воевать», сообщает игре, чтобы та вызвала метод attack() у трансформера, за которого играет игрок. Но поскольку трансформеры разные, а игра интересная, каждый из них будет атаковать каким-то своим способом. Скажем, Оптимус — объект класса Автобот, а Автоботы снабжаются пушками с плутониевыми боеголовками (да не прогневаются фанаты трансформеров). Мегатрон — Десептикон, и стреляет из плазменной пушки. Олег — басист, и он обзывается. А в чем польза?
Польза полиморфизма в данном примере заключается в том, что код игры ничего не знает о реализации его просьбы, кто как должен атаковать, его задача просто вызвать метод attack(), сигнатура которого одинакова для всех классов персонажей. Это позволяет добавлять новые классы персонажей, или менять методы существующих, не меняя код игры. Это удобно.
Инкапсуляция
Инкапсуляция — это контроль доступа к полям и методам объекта. Под контролем доступа подразумевается не только можно/неможно, но и различные валидации, подгрузки, вычисления и прочее динамическое поведение.
Во многих языках частью инкапсуляции является сокрытие данных. Для этого существуют модификаторы доступа (опишем те, которые есть почти во всех ООП языках):
Как правильно выбрать модификатор доступа? В простейшем случае так: если метод должен быть доступен внешнему коду, выбираем public. В противном случае — private. Если есть наследование, то может потребоваться protected в случае, когда метод не должен вызываться снаружи, но должен вызываться потомками.
Аксессоры (геттеры и сеттеры)
Геттеры и сеттеры — это методы, задача которых контролировать доступ к полям. Геттер считывает и возвращают значение поля, а сеттер — наоборот, принимает в качестве аргумента значение и записывает в поле. Это дает возможность снабдить такие методы дополнительными обработками. Например, сеттер при записи значения в поле объекта, может проверить тип, или входит ли значение в диапазон допустимых (валидация). В геттер же можно добавить, ленивую инициализацию или кэширование, если актуальное значение на самом деле лежит в базе данных. Применений можно придумать множество.
В некоторых языках есть синтаксический сахар, позволяющий такие аксессоры маскировать под свойства, что делает доступ прозрачным для внешнего кода, который и не подозревает, что работает не с полем, а с методом, у которого под капотом выполняется SQL-запрос или чтение из файла. Так достигается абстракция и прозрачность.
Интерфейсы
Задача интерфейса — снизить уровень зависимости сущностей друг от друга, добавив больше абстракции.
Не во всех языках присутствует этот механизм, но в ООП языках со статической типизацией без них было бы совсем худо. Выше мы рассматривали абстрактные классы, затрагивая тему контрактов, обязующих имплементировать какие-то абстрактные методы. Так вот интерфейс очень смахивает на абстрактный класс, но является не классом, а просто пустышкой с перечислением абстрактных методов (без имплементации). Другими словами, интерфейс имеет декларативную природу, то есть, чистый контракт без капельки кода.
Обычно в языках, в которых есть интерфейсы, нет множественного наследования классов, но есть множественное наследование интерфейсов. Это позволяет классу перечислить интерфейсы, которые он обязуется имплементировать.
Классы с интерфейсами состоят в отношении «многие ко многим»: один класс может имплементировать множество интерфейсов, и каждый интерфейс, в свою очередь, может имплементироваться многими классами.
У интерфейса двустороннее применение:
Обращаю внимание, что получившаяся система слотов у трансформеров — это пример использования композиции. Если же оборудование в слотах будет сменным в ходе жизни трансформера, то тогда это уже агрегация. Для наглядности, мы будем называть интерфейсы, как принято в некоторых языках, добавляя заглавную «И» перед именем: IWeapon, IEnergyGenerator, IScanner.
Анимация №4
К сожалению, в картинку не влезла фабрика, но она все равно необязательна, трансформера можно собрать и во дворе.
Обозначенный на картинке слой абстракции в виде интерфейсов между слоем имплементации и слоем-потребителем дает возможность абстрагировать одних от других. Вы можете это наблюдать, посмотрев на каждый слой в отдельности: в слое имплементации (слева) нет ни слова про класс Transformer, а в слое-потребителе (справа) нет ни слова про конкретные имплементации (там нет слов Radar, RocketLauncher, NuclearReactor и т. д.)
В таком коде мы можем создавать новые комплектующие к трансформерам, не затрагивая чертежи самих трансформеров. В то же время и наоборот, мы можем создавать новых трансформеров, комбинируя уже существующие комплектующие, либо добавлять новые комплектующие, не меняя существующих.
Утиная типизация
Явление, которое мы наблюдаем в получившейся архитектуре, называется утиной типизацией: если что-то крякает как утка, плавает как утка, и выглядит как утка, то, скорее всего — это утка.
Переводя это на язык трансформеров, звучать будет так: если что-то стреляет как пушка, и перезаряжается как пушка, скорее всего, это пушка. Если устройство генерирует энергию, скорее всего, это генератор энергии.
(Interface Segregation Principle / Принцип разделения интерфейса / Четвертый принцип SOLID) призывает не создавать жирные универсальные интерфейсы. Вместо этого интерфейсы нужно разделять на более мелкие и специализированные, это поможет гибче их комбинировать в имплементирующих классах, не заставляя имплементировать лишние методы.
Абстракция
В ООП все крутится вокруг абстракции. Существуют фанатики, утверждающие, что абстракция должна быть частью ООП-троицы (инкапсуляция, полиморфизм, наследование). А мой инспектор по УДО говорил обратное: абстракция присуща для любого программирования, а не только для ООП, поэтому она должна стоять отдельно. С другой стороны, то же самое можно сказать и про остальные принципы, но из песни слов не выкинешь. Так или иначе, абстракция нужна, и особенно в ООП.
Уровень абстракции
Тут нельзя не процитировать одну известную шутку:
— любую архитектурную проблему можно решить добавлением дополнительного слоя абстракции, кроме проблемы большого количества абстракций.
В нашем примере с интерфейсами мы внедрили слой абстракции между трансформерами и комплектующими, сделав архитектуру более гибкой. Но какой ценой? Нам пришлось усложнить архитектуру. Мой психотерапевт говорил, что умение балансировать между простотой архитектуры и гибкостью приложения — это искусство. Выбирая золотую середину, следует опираться не только на собственный опыт и интуицию, но и на контекст текущего проекта. Поскольку будущее человек видеть пока не научился, нужно аналитически прикинуть, какой уровень абстракции и с какой долей вероятности может пригодиться в данном проекте, сколько времени потребуется на проработку гибкой архитектуры, и окупится ли затраченное время в будущем.
Неверный выбор уровня абстракции ведет к одной из двух проблем:
Еще важно понимать, что уровень абстракции определяется не для всего проекта в целом, а отдельно для разных компонентов. В каких-то местах системы абстракции может быть недостаточно, а где-то наоборот — перебор. Однако, неверный выбор уровня абстракции можно исправить своевременным рефакторингом. Ключевое слово — своевременным. Запоздалый рефакторинг провести проблематично, когда на данном уровне абстракции реализовано уже множество механизмов. Проводить обряд рефакторинга в запущенных системах может сопрягаться с острой болью в труднодоступных местах программиста. Это примерно как поменять фундамент в доме — дешевле построить рядом дом с нуля.
Давайте рассмотрим определение уровня абстракции из возможных вариантов на примере гипотетической игры «трансформеры-онлайн». Уровни абстракции в данном случае будут выступать как слои, каждый последующий рассматриваемый слой будет ложиться поверх предыдущего, забирая из него часть функционала в себя.
Первый слой. В игре есть один класс трансформера, все свойства и поведение описаны в нем. Это совсем деревянный уровень абстракции, подходит для казуальной игры, которая не предполагает никакой особой гибкости.
Второй уровень. В игре есть базовый трансформер с основными способностями и классы трансформеров со своей специализацией (типа разведчик, штурмовик, саппорт), которая описывается дополнительными методами. Тем самым игроку предоставляется возможность выбора, а разработчикам упрощается добавление новых классов.
Третий уровень. Помимо классификации трансформеров вводится агрегация с помощью системы слотов и компонентов (как в нашем примере с реакторами, пушками и радарами). Теперь часть поведения будет определяться тем, какой стаф игрок установил в своего трансформера. Это дает игроку еще больше возможностей для кастомизации игровой механики персонажа, а разработчикам дает возможность добавлять эти самые модули расширения, что в свою очередь упрощает работу гейм-дизайнерам по выпуску нового контента.
Четвертый уровень. В компоненты можно тоже включить собственную агрегацию, предоставляющую возможность выбора материалов и деталей, из которого собираются эти компоненты. Такой подход даст игроку возможность не только набивать трансформеров нужными комплектующими, но и самостоятельно производить эти комплектующие из различных деталек. Признаться, такой уровень абстракции я в играх никогда не встречал, и не без резона! Ведь это сопровождается значительным усложнением архитектуры, а регулировка баланса в таких играх превращается в ад. Но не исключаю, что такие игры существуют.
Как видим, каждый описанный слой, в принципе, имеет право на жизнь. Все зависит от того, какую именно гибкость мы хотим заложить в проект. Если в техническом задании ничего об этом не сказано, или автор проекта сам не знает, что может потребовать бизнес, можно посмотреть на похожие проекты в этой сфере и ориентироваться на них.
Паттерны проектирования
Десятилетия разработки привели к тому, что сформировался список наиболее часто применяемых архитектурных решений, которые со временем были классифицированы сообществом, и стали называться паттернами проектирования. Именно поэтому, когда я прочитал впервые про паттерны, я с удивлением обнаружил, что оказывается, многие из них я уже использую на практике, просто не знал, что у этих решений есть название.
Паттерны проектирования, как и абстракция, свойственны не только ООП разработке, но и другим парадигмам. Вообще, тема паттернов выходит за рамки данной статьи, но здесь хотелось бы предостеречь молодого разработчика, который только намерен познакомиться с паттернами. Это ловушка! Сейчас объясню, почему.
Предназначение паттернов — помощь в решении архитектурных проблем, которые либо уже обнаружились, либо, вероятнее всего, обнаружатся в ходе развития проекта. Так вот, у новичка, который прочитал про паттерны, может появиться непреодолимый соблазн использовать паттерны не для решения проблем, а для их порождения. А поскольку разработчик в своих желаниях необуздан, он может начать не решать задачу при помощи паттернов, а подстраивать любые задачи под решения с помощью паттернов.
Еще одна ценность от паттернов — формализации терминологии. Гораздо проще коллеге сказать, что в этом месте используется «цепочка обязанностей», чем полчаса рисовать поведение и отношения объектов на бумажке.
Заключение
В условиях современных требований наличие в вашем коде слова class не делает из вас ООП-программиста. Ибо если вы не используете описанные в статье механизмы (полиморфизм, композицию, наследование и т. д.), а вместо этого применяете классы лишь для группировки функций и данных, то это не ООП. То же самое можно решить какими-нибудь неймспейсами и структурами данных. Не путайте, иначе на собеседовании будет стыдно.
Хочется закончить свою песнь важными словами. Любые описанные механизмы, принципы и паттерны, как и ООП в целом не стоит применять там, где это бессмысленно или может навредить. Это ведет к появлению статей со странными заголовками типа «Наследование — причина преждевременного старения» или «Синглтон может приводить к онкологическим заболеваниям».
Я серьезно. Если рассмотреть случай с синглтоном, то его повсеместное применение без знания дела, стало причиной серьезных архитектурных проблем во многих проектах. И любители забивать гвозди микроскопом любезно его нарекли антипаттерном. Будьте благоразумны.
К сожалению, в проектировании не существует однозначных рецептов на все случаи жизни, где что применять уместно, а где неуместно. Это будет постепенно укладываться в голове с опытом.
