Книга: Основы объектно-ориентированного программирования

Объектно-ориентированный стиль вычислений

Обратимся теперь к фундаментальным свойствам класса POINT и попытаемся понять, как устроено типичное тело подпрограммы и составляющие его инструкции. Далее выясним, каким образом класс и его компоненты могут использоваться другими классами - клиентами данного.

Текущий экземпляр

Обратимся опять к тексту одной из подпрограмм, процедуре translate:

translate (a, b: REAL) is
-- Перемещение на a по горизонтали, b по вертикали
do
x:= x + a
y:= y + b
end

На первый взгляд этот текст совершенно понятен - для перемещения точки на расстояние a по горизонтали и b по вертикали значение a прибавляется к x, а b к y. При более внимательном рассмотрении все становится не столь очевидным. Из приведенного текста непонятно, о какой точке идет речь. Какому объекту принадлежат x и y, к которым прибавляются a и b? Этот вопрос связан с одним из наиболее характерных аспектов ОО-стиля разработки. Прежде чем получить ответ, следует разобраться в некоторых промежуточных деталях.

Текст класса описывает свойства и поведение объектов определенного типа, в данном случае точек. Это достигается путем описания свойств и поведения типичного экземпляра такого типа. Можно было бы назвать этот экземпляр "точкой на улице" по примеру того, как газеты представляют мнение "человека с улицы". Мы будем использовать более формальное имя - текущий экземпляр класса.

Иногда возникает необходимость явного обращения к текущему экземпляру. Зарезервированное слово

Current

обеспечивает эту возможность. В тексте класса Current обозначает текущий экземпляр этого класса. Потребность в использовании Current может возникнуть, если попытаться переписать функцию distance таким образом, чтобы осуществлялась проверка, не совпадает ли аргумент p с текущей точкой; в этом случае результат равнялся бы нулю без последующих вычислений. Эта версия distance будет выглядеть следующим образом:

distance (p: POINT): REAL is
-- Расстояние до точки p
do
if p /= Current then
Result := sqrt ((x - p.x)^2 + (y- p.y)^2)
end
end

Здесь /= операция неравенства. В соответствии с сформулированным ранее правилом инициализации условная инструкция не нуждается в части else, поскольку результат равен нулю при p = Current.

Тем не менее, в большинстве случаев текущий экземпляр подразумевается, и нет необходимости обращаться к Current по имени. Так ссылка на x в теле translate и других подпрограмм обозначает "значение x текущего экземпляра" без дополнительного уточнения.

Конечно, по-прежнему остается загадкой, кто же он - "Current"? Ответ придет позже при изучении вызовов подпрограмм, пока же при рассмотрении текста достаточно полагать, что все операции можно рассматривать только относительно некоторого неявно определенного объекта - текущего экземпляра.

Клиенты и поставщики

Игнорируя ряд моментов, связанных с загадкой идентификации Current, можно считать выясненным, как определять простые классы. Теперь необходимо обсудить применение этих определений, - как они используются в других классах. При последовательном ОО-подходе каждый программный элемент является частью некоторого класса, поэтому использовать эти определения будут другие классы.

Существуют лишь две возможности использования класса, например, POINT. Первый способ - наследование, будет детально рассмотрен позднее. Для реализации второй возможности необходимо создать класс, являющийся клиентом (client) класса POINT. (Наследованию посвящены лекции 14-16.)

Чтобы стать клиентом класса S, простейший и наиболее общий путь - объявить сущность типа S.

Определение: клиент, поставщик

Пусть S некоторый класс. Класс C называется клиентом (client) S, если содержит объявление сущности a: S. Класс S называется поставщиком (supplier) C.

В этом определении a может быть атрибутом или функцией класса C, или локальной сущностью, или аргументом подпрограммы в классе C.

Например, наличие в классе POINT объявлений x, y, rho, theta и distance делает этот класс клиентом класса REAL. Напротив, другие классы могут стать клиентами POINT. Например:

class GRAPHICS feature
p1: POINT
...
some_routine is
-- Выполнение неких действий с p1.
do
... Создание экземпляра POINT и присоединение его к p1 ...
p1.translate (4.0, -1.5) --**
...
end
...
end

Перед выполнением инструкции помеченной "--**" атрибут p1 принимает значение, соответствующее конкретному экземпляру класса POINT. Предположим, что этот объект представляет точку, совпадающую с началом координат x = 0, y = 0:

Рис. 7.6.  Начало координат

В таких случаях говорят, что сущность p1 присоединена (attached) к данному объекту (объект связан с сущностью). На данном этапе можно не беспокоиться о том, как был создан и инициализирован объект (строка "... Создание экземпляра POINT ..." до конца не раскрыта). В следующей лекции эти вопросы будут подробно обсуждаться как часть объектной модели. Пока достаточно знать, что объект существует и связан с сущностью p1 (она присоединена к объекту).

Вызов компонента

Отмеченная звездочками инструкция

p1.translate (4.0, -1.5)

заслуживает внимательного изучения, поскольку представляет собой первый пример использования базового механизма ОО-вычислений (basic mechanism of object-oriented computation). Это обращение к компоненту или вызов компонента (feature call). В процессе выполнения кода ОО-системы все вычисления реализуются путем вызова соответствующих компонентов определенных объектов.

Приведенный конкретный пример означает вызов компонента translate класса POINT применительно к объекту p1 с аргументами 4.0 и -1.5, соответствующими a и b в объявлении translate в указанном классе. В общем случае допустимы две основные формы записи вызова компонента.

x.f
x.f (u, v, ...)

Здесь x называется целью (target) вызова и может быть сущностью или выражением, которые во время выполнения присоединены к конкретному объекту. Цель x, как любая сущность или выражение, имеет определенный тип, заданный классом C, следовательно, f должен быть одним из компонентов класса C. Точнее говоря, в первом случае f должен быть атрибутом или подпрограммой без аргументов, а во втором - подпрограммой с аргументами. Значения u, v, ... называются фактическими аргументами (actual arguments) вызова и они должны быть выражениями, число и тип которых должны в точности соответствовать числу и типу формальных аргументов (formal arguments) объявленных для f в классе C.

Кроме того, компонент f должен быть доступен (экспортирован) клиенту, содержащему данный вызов. Ограничению прав доступа посвящен следующий раздел (см. лекция 7), пока по умолчанию все компоненты доступны всем клиентам.

Результат рассмотренного выше вызова во время выполнения определяется следующим образом:

Эффект вызова компонента f для цели x

Применить компонент f к объекту, присоединенному к x, после инициализации всех формальных аргументов f (если таковые предусмотрены) значениями соответствующих фактических аргументов.

Принцип единственности цели

Чем так замечателен вызов компонента? В конце концов, каждый программист знает, как написать процедуру translate, которая перемещает точку на заданное расстояние. Традиционная форма вызова, доступная с незначительными вариациями во всех языках программирования, будет выглядеть следующим образом:

translate (p1, 4.0, -1.5)

В отличие от ОО-стиля в данном вызове все аргументы равноправны. Объектно-ориентированная форма не столь симметрична, определенный объект (в данном случае точка p1) выбирается в качестве цели, другим аргументам (действительные числа 4.0 и -1.5) отводится вспомогательная роль. Выбор единственного объекта в качестве цели для каждого вызова занимает центральное место в ОО-методе вычислений.

Принцип единственности цели

Каждая операция при ОО-вычислениях связана с определенным объектом - текущим экземпляром на момент выполнения операции

Этот аспект метода часто вызывает наибольшие затруднения у новичков. При разработке объектно-ориентированного ПО никогда не говорят: "Применение данной операции к этим объектам", но "Применение данной операции к данному объекту в данный момент". Если предусмотрены аргументы, то возможно такое дополнение: "Между прочим, я едва не забыл, вам необходимы здесь эти значения в качестве аргументов".

Слияние понятий модуль и тип

Принцип единственности цели является прямым следствием слияния понятий модуля и типа, рассмотренного ранее в качестве отправной точки ОО-декомпозиции. Поскольку каждый модуль является типом, каждая операция в данном модуле рассматривается относительно конкретного экземпляра данного типа (текущего экземпляра). Однако до сих пор детали этого слияния оставались немного загадочными. Как уже было сказано, класс одновременно представляет собой модуль и тип, но как согласовать синтаксическое понятие модуля (объединение родственных функциональных возможностей, формирование части программной системы) с семантическим понятием типа (статическое описание неких возможных объектов времени выполнения). Пример класса POINT дает определенный ответ:

Как функционирует слияние модуль-тип

Функциональные возможности класса POINT, рассматриваемого как модуль, в точности соответствуют операциям доступным для экземпляров класса POINT, рассматриваемого как тип

Эта идентификация операций экземпляров типа и служб (services), предоставляемых модулем, лежит в основе структурной дисциплины, навязываемой ОО-методом.

Роль объекта Current

Теперь настало время с помощью того же примера раскрыть тайну текущего экземпляра и выяснить, что он собой представляет в действительности.

Сама форма вызова показывает, почему текст подпрограммы (translate в классе POINT) не нуждается в дополнительной идентификации объекта Current. Поскольку любой вызов подпрограммы связан с определенной целью, которая явно обозначена при вызове, то при выполнении вызова имя каждого компонента в тексте подпрограммы (например, x в тексте translate) будет присоединено к той же цели. Таким образом, при выполнении вызова

p1.translate (4.0, -1.5)

каждое вхождение x в тело translate, как в следующей инструкции

x := x + a

означает: "x объекта p1".

Из этих соображений следует точный смысл понятия Current, как цели текущего вызова. Так в течение всего времени выполнения приведенного выше вызова Current будет обозначать объект, присоединенный к p1. При другом вызове Current будет обозначать цель нового вызова. Можно сформулировать следующий принцип вызова компонет (Feature Call principle):

Принцип вызова компонента

[x]. (F1) Любой элемент программы может выполняться только как часть вызова подпрограммы.

[x]. (F2) Каждый вызов имеет цель.

Квалифицированные и неквалифицированные вызовы

Выше было отмечено, что ОО-вычисления основаны на вызове компонентов. Как следствие этого положения исходные тексты в действительности содержат гораздо больше вызовов, чем может показаться на первый взгляд. До сих пор рассматривались две формы вызовов:

x.f
x.f (u, v, ...)

Подобные вызовы используют так называемую точечную нотацию и их называют квалифицированными (qualified), так как точно указана цель вызова, идентификатор которой расположен перед точкой.

Однако другие вызовы могут быть неквалифицированны, поскольку их цель не указана. В качестве примера предположим, что необходимо в класс POINT добавить процедуру transform, которая будет комбинацией процедур translate и scale точки. Текст такой процедуры может обращаться к процедурам translate и scale:

transform (a, b, factor: REAL) is
-- Сместиться на a по горизонтали, на b по вертикали,
-- затем изменить расстояние до начала координат в factor раз.
do
translate (a, b)
scale (factor)
end

Тело процедуры содержит вызовы translate и scale. В отличие от предыдущих примеров здесь не указана точная цель и не применяется точечная нотация. Такие вызовы называют неквалифицированными (unqualified).

Неквалифицированные вызовы не нарушают пункта F2 принципа вызова компонент, так как тоже имеют цель. В данном случае целью является текущий экземпляр. Когда процедура transform вызывается по отношению к определенной цели, вызовы translate и scale имеют ту же цель. Фактически приведенный выше код эквивалентен следующему

do
Current.translate (a, b)
Current.scale (factor)

Можно переписать любой вызов как квалифицированный, указав Current в качестве цели (строго говоря, это справедливо только для экспортированных компонент). Форма неквалифицированного вызова конечно проще и вполне понятна.

Приведенные неквалифицированные вызовы являются вызовами процедур. Аналогичные соображения можно распространить и на атрибуты, хотя наличие вызовов в этом случае возможно менее очевидно. Ранее было отмечено, что в теле процедуры translate присутствие x в выражении x + a означает поле x текущего экземпляра. Можно истолковать это иначе - как вызов компонента x и выражение в полной форме примет вид Current.x+a.

В общем случае любые инструкции или выражения вида:

f

или:

f (u, v, ...)

фактически являются неквалифицированными вызовами и могут быть переписаны в форме квалифицированных вызовов:

Current.f
Current.f (u, v, ...)

хотя неквалифицированная форма является более удобной. Если подобная нотация используется как инструкция, то f представляет процедуру (без параметров в первом случае или с соответствующим числом параметров определенного типа - во втором). В выражениях f может быть функцией или атрибутом (в первом варианте записи).

Компоненты-операции

Рассмотрение выражения:

x + a

приводит к важному понятию компонента-операции (operator feature). Это понятие может восприниматься как чисто косметическое, имеющее только синтаксическую значимость, и реально не вносящее ничего нового в ОО-метод. Но именно такие синтаксические свойства способны существенно облегчить жизнь разработчика, если они существуют, и сделать ее убогой, если их нет. Компоненты-операции являются хорошим примером успешного использования ОО-парадигмы в давно известных областях.

Для реализации этой идеи нужно догадаться, что выражение x + a содержит не один вызов (компонента x), а два. В вычислениях, не использующих объектный подход, + рассматривается как операция сложения двух значений x и a типа REAL. Как уже отмечалось, в чистой ОО-модели единственным механизмом вычислений является вызов компонентов. Следовательно, можно считать, по крайней мере теоретически, что и сложение является вызовом соответствующего компонента.

Для лучшего понимания необходимо обсудить определение типа REAL. Сформулированное ранее объектное правило (лекция 7) подразумевает, что каждый тип основан на каком-то классе. Это в равной мере относится к предопределенным классам, аналогичным REAL, и к классам, определенным разработчиком, таким как POINT. Предположим, что необходимо описать REAL как класс. Нетрудно определить набор существенных компонентов: арифметические операции (сложение, вычитание, изменение знака...), операции сравнения (меньше чем, больше чем...). Итак, первый набросок будет выглядеть так:

indexing
description: "Действительные числа (не окончательная версия!)"
class REAL feature
plus (other: REAL): REAL is
-- Сумма текущего значения и other
do
...
end
minus (other: REAL) REAL is
-- Разность между текущим значением и other
do
...
end
negated: REAL is
-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком
do
...
end
less_than (other: REAL): BOOLEAN is
-- Текущее значение меньше чем other?
do
...
end
... Другие компоненты ...
end

При использовании такого описания класса уже нельзя более записывать арифметическое выражение в виде: x + a. Вместо этого надо использовать следующий вызов:

x.plus (a)

По аналогии, вместо привычного -x следует теперь писать x.negated.

Можно попытаться оправдать такой отход от привычной математической нотации стремлением к последовательной реализации ОО-модели и призвать в качестве примера Lisp для обоснования возможности отхода от стандартной нотации в сообществе разработчиков ПО. Но такой аргумент нельзя считать убедительным: использование Lisp было всегда весьма ограниченным. Отход от нотации, существующей уже много столетий и знакомой всем с начальной школы, чрезвычайно опасен. Тем более что в этой нотации нет ничего неправильного.

Простой синтаксический прием позволяет сохранить последовательность подхода (требование унификации вычислительного механизма, основанного на вызове компонент) и обеспечивает совместимость с традиционной нотацией. Достаточно рассматривать выражение вида

x + a

как вызов дополнительного компонента класса REAL. Для реализации такого подхода необходимо переписать компоненту plus таким образом, чтобы для ее вызовов использовать знак операции, а не точечную нотацию. Вот описание класса, реализующее эту цель:

indexing
description: "Real numbers"
class REAL feature
infix "+" (other: REAL): REAL is
-- Сумма текущего значения и other
do
...
end
infix "-" (other: REAL) REAL is
-- Разность между текущим значением и other
do
...
end
prefix "-": REAL is
-- Текущее значение, взятое с противоположным знаком
do
...
end
infix "<" (other: REAL): BOOLEAN is
-- Текущее значение меньше чем other?
do
...
end
... Other features ...
end

Введены два новых ключевых слова - infix и prefix. Единственное синтаксическое новшество заключается в том, что имена компонент не являются идентификаторами (такими как distance или plus), а записываются в одной из двух форм (В следующей лекции будет показано, как определить "развернутый класс". См. "Роль развернутых типов".)

infix "§"
prefix "§"

где § заменяется конкретным знаком операции (+, -, *, <, <= и др.). Компонент может иметь имя в инфиксной форме только если является функцией с одним аргументом, примерами могут служить plus, minus и less_than в первоначальной версии класса REAL. Префиксная форма может использоваться только для функций без аргументов или атрибутов.

Инфиксные и префиксные компоненты, называемые далее компоненты-операции (operator features), используются аналогично именованным компонентам (identifier features). Существуют лишь два синтаксических различия. Для имен компонентов-операций при их объявлении используются формы infix "§" или prefix "§", а не идентификаторы. Вызов компонентов-операций в случае инфиксных компонент имеет вид:

u § v

для префиксных:

§ u

Компоненты-операции поддерживают только квалифицированные вызовы. Неквалифицированный вызов plus (y) в подпрограмме первой версии класса REAL во второй версии должен быть записан в виде Current + y. Для именованных компонентов аналогичная нотация Current.plus (y) допустима, но обычно не используется.

Кроме указанных отличий во всем остальном компоненты-операции полностью синтаксически эквиваленты именованным компонентам, в частности могут наследоваться обычным образом. Не только базовые классы аналогичные REAL, но и любые другие, могут использовать компоненты-операции, например для функции сложения двух векторов в классе VECTOR вполне допустимо использовать инфиксную компоненту "+".

Операции, используемые в компонентах-операциях, должны подчиняться следующим правилам. Знак операции - последовательность из одного или более отображаемых символов, не содержащая пробелов и переводов строки, причем первым символом может быть только один из ниже перечисленных:

+ - a / < > = ^ @ # | &

Ограничения, налагаемые на первый символ, облегчают распознавание инфиксных и префиксных операций.

Кроме того, для совместимости с традиционной нотацией для булевых выражений следующие ключевые слова используются для обозначения операций:

not and or xor and then or else implies

Базовые классы (INTEGER и другие) используют так называемые стандартные операции:

[x]. префиксные: + -not

[x]. инфиксные: + - a / < > <= >= = // ^ and or xor and then or else implies .

Операции, не входящие в число "стандартных", называют свободными операциями. Приведем два примера свободных операций.

[x]. Далее в классе ARRAY будет использован инфиксный компонент-операция "@" для функции, возвращающей указанный элемент массива. Обращение к i-ому элементу массива будет выглядеть как a @ i.

[x]. В класс POINT вместо функции distance можно ввести компонент-операцию "|-|" и расстояние между точками p1 and p2 будет записываться в виде p1 |-| p2, а не как p1.distance(p2).

Все операции имеют фиксированный приоритет, стандартные операции имеют свой обычный приоритет, а все свободные операции обладают более высоким приоритетом.

Использование компонентов-операций позволяет использовать общепринятую нотацию для выражений и одновременно отвечает требованиям полной унификации системы типов. Реализация арифметических и булевых операций как компонентов класса INTEGER вовсе не должна быть причиной снижения производительности. Концептуально a + x является вызовом компонента, но хороший компилятор может создать в результате обработки такого вызова код не менее эффективный, чем компиляторы C, Pascal, Ada или других языков, в которых "+" это жестко зафиксированная языковая конструкция.

В большинстве случаев мы можем забыть о том, что использование операций в выражениях фактически является вызовом процедур, поскольку конечный эффект будет таким же, как и при традиционном подходе. В то же время приятно сознавать, что и в этом случае не допущено отхода от принципов ОО-подхода.

Оглавление книги