Книга: Основы объектно-ориентированного программирования

Смысл наследования

Мы уже рассмотрели основные способы наследования. Многое еще предстоит изучить, в частности, множественное наследование и детали того, что происходит с утверждениями в контексте наследования (понятие субконтрактов).

Но вначале следует поразмышлять над этими фундаментальными понятиями и выяснить их значение для вопроса о качестве ПО и для процесса разработки ПО.

Двойственная перспектива

По-видимому, нигде двойственная роль классов как модулей, с одной стороны, и типов - с другой, не проявляется так отчетливо, как при изучении наследования. При взгляде на класс, как на модуль, наследник описывает расширение модуля-родителя, а при взгляде на него, как на тип, он описывает подтип типа родителя.

Хотя некоторые аспекты наследования больше относятся к взгляду на класс, как на тип, большая часть полезна для обоих подходов, о чем свидетельствует приведенная примерная классификация (на которой отражены также несколько еще не изученных аспектов: переименование, скрытие потомков, множественное и повторное наследование). Ни один из рассматриваемых аспектов не относится исключительно к взгляду на класс, как на модуль.

Рис. 14.11.  Механизмы наследования и их роль

Эти два взгляда дополняют друг друга, придавая наследованию силу и гибкость. Эта сила может даже показаться пугающей, что побуждает предложить разделить механизм на два: на возможность расширять модули и на механизм выделения подтипов. Но когда мы вникнем в проблему глубже (в лекции о методологии наследования), то обнаружим, что у такого разделения имеется множество недостатков, и нет явных преимуществ. Наследование - это объединяющий принцип, как и многие другие объединяющие идеи в науке, он соединяет вместе явления, рассматриваемые ранее как различные.

Взгляд на класс как на модуль

С этой точки зрения наследование особенно эффективно в качестве метода повторного использования.

Модуль это множество служб, предлагаемых внешнему миру. Без наследования каждому новому модулю пришлось бы самому определять все предоставляемые им службы. Конечно, реализации этих служб могут основываться на службах, предоставляемых другими модулями: это и есть цель отношения "быть клиентом". Но единственным способом определить новый модуль является добавление новых служб к ранее определенным модулям.

Наследование предоставляет эту возможность. Если B является наследником A, то все службы (компоненты) A автоматически доступны в B, и их не нужно в нем явно определять. В соответствии со своими целями B может добавить новые компоненты. Дополнительная гибкость обеспечивается переопределением, позволяющим B по-разному использовать реализации, предлагаемые A: некоторые из них не меняются, а другие переделываются в более подходящие для данного класса версии.

Это приводит к такому стилю разработки ПО, при котором вместо попытки решать каждую новую задачу с нуля поощряется ее решение, основанное на предыдущих достижениях и на расширении их результатов. Его смысл состоит в экономии - зачем повторять то, что уже однажды было сделано? - и в скромности, в духе известного замечания Ньютона, что он смог достичь таких высот только потому, что стоял на плечах гигантов.

Полное преимущество этого подхода лучше всего понимается в терминах принципа Открыт-Закрыт, введенного в одной из предыдущих лекций. (Стоило бы перечитать этот раздел в свете только что введенных понятий.) Этот принцип утверждает, что хорошая структура модуля должна быть и закрытой, и открытой.

[x]. Закрытой, поскольку клиентам для выполнения их собственной разработки нужны службы модуля и, будучи один раз зафиксированы в некоторой его версии, они не должны изменяться при введении новых служб, в которых клиент не нуждается.

[x]. Открытой, так как нет никакой гарантии, что с самого начала в модуль были включены все службы, потенциально необходимые некоторому клиенту.

Эти два требования представляют дилемму, и классическая структура модулей не дает ключа к ее разгадке. Но наследование эту проблему решает. Класс закрыт, так как он может компилироваться, заноситься в библиотеку и использоваться классами-клиентами. Но он также открыт, поскольку любой новый класс может его использовать в качестве родителя, добавляя новые компоненты и меняя объявления некоторых унаследованных компонентов, при этом совершенно не нужно изменять исходный класс и беспокоить его клиентов. Это фундаментальное свойство при применении наследования к построению повторно используемого расширяемого ПО.

Одним из самых трудных вопросов, связанных с проектированием повторно используемых структур модулей, была необходимость использовать преимущества большой общности, которая может существовать у разных однотипных групп абстракций данных - у всех хеш-таблиц, всех последовательных таблиц и т. п. Используя структуры классов, связанных наследованием, можно получить выигрыш, зная логические соотношения между разными реализациями. Внизу на диаграмме представлен грубый и частичный набросок возможной структуры библиотеки для работы с таблицами. В этой схеме естественно используется множественное наследование, которое будет детально обсуждаться в следующей лекции.

Рис. 14.12.  Набросок структуры библиотеки таблиц

При таком взгляде требование повторного использования можно выразить весьма точно: идея состоит в том, чтобы передвинуть определение каждого компонента как можно выше в иерархии наследования так, чтобы он мог наследоваться максимально возможным числом классов-потомков. Можно представлять этот процесс как игру переиспользования, в которую играют на доске, представляющей иерархии наследования (такие, как на рис. 14.12), фигурами, представляющими компоненты. Выигрывает тот, кто сможет в результате открытия абстракций более высокого уровня передвинуть как можно больше компонентов как можно выше, и по пути, благодаря обнаружению общих свойств, сможет слить наибольшее число фигур.

Взгляд на класс как на тип

С точки зрения типов наследование адресуется и к повторному использованию, и к расширяемости, в частности, к тому, что в предыдущем обсуждении называлось непрерывностью. Здесь ключом является динамическое связывание.

Тип - это множество объектов, характеризуемых (как мы знаем из теории АТД) определенными операциями. INTEGER описывают множество целых чисел с арифметическими операциями, POLYGON - это множество объектов с операциями vertices, perimeter и другими.

Для типов наследование представляет отношение "является", например, во фразах "каждая собака является млекопитающим", "каждое млекопитающее является животным". Аналогично, прямоугольник является многоугольником.

Что означает это отношение?

[x]. Если рассматривать значения каждого типа, то это отношение является просто отношением включения множеств: собаки образуют подмножество множества животных, экземпляры класса RECTANGLE образуют подмножество экземпляров класса POLYGON. (Это следует из определения "экземпляра" в начале этой лекции, заметим, что прямой экземпляр класса RECTANGLE не является прямым экземпляром класса POLYGON).

[x]. Если рассматривать операции, применимые к каждому типу, то сказать, что B есть A, означает, что каждая операция, применимая к A применима также и к экземплярам B. (Однако при переопределении B может создать свою собственную реализацию, которая для экземпляров B заменит реализацию, предоставленную A.)

Используя это отношение можно описывать схемы отношения "является", представляющие многие варианты типов, например, все варианты класса FIGURE. Каждая новая версия таких подпрограмм как rotate и display определяется в классе, задающем соответствующий вариант типа. В случае таблиц, например, каждый класс на графе обеспечивает свою собственную реализацию операций search, insert, delete, разумеется, за исключением тех случаев, когда для него подходит реализация родителя.

Предостережение об использовании отношения "является" ("is a"). Начинающие - но я полагаю, ни один из читателей, добравшийся до этого места даже с минимумом внимания, - иногда путают наследование с отношением "экземпляр - образец", считая класс SAN_FRANCISCO наследником класса CITY. Это, как правило, ошибка: CITY - это класс, у которого может быть экземпляр, представляющий Сан Франциско. Чтобы избежать таких ошибок, достаточно помнить, что термин "является" означает не "x является одним из A" (например, "Сан Франциско является городом (CITY)), т.е. отношением между экземпляром и категорией, а выражает "всякий B является A" (например, "всякий ГОРОД является ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ_ЕДИНИЦЕЙ"), т.е. отношение между двумя категориями, в программировании - двумя классами. Некоторые авторы предпочитают называть это отношение "является разновидностью" или "может действовать как" [Gore 1996]. Отчасти это дело вкуса (и частично этот предмет будет обсуждаться в лекции о методологии наследования), но поскольку мы уже знаем, как избежать тривиальной ошибки, то будем и далее использовать наиболее распространенное название "является", не забывая при этом, что оно относится к отношению между категориями.

Наследование и децентрализация

Имея динамическое связывание, можно создавать децентрализованные архитектуры ПО, необходимые для достижения целей повторного использования и расширяемости. Сравним ОО-подход, при котором самодостаточные классы предоставляют свои множества вариантов операций, с классическими подходами. В Паскале или Аде можно использовать тип записи с вариантами

type FIGURE =
record
"Общие поля"
case figtype: (polygon, rectangle, triangle, circle,...) of
polygon: (vertices: LIST_OF_POINTS; count: INTEGER);
rectangle: (side1, side2: REAL;...);
...
end

чтобы определить различные виды фигур. Но это означает, что всякая программа, которая должна работать с фигурами (поворачивать и т.п.) должна проводить разбор возможных случаев:

case f.figure_type of
polygon: ...
circle: ...
...
end

В случае таблиц процедура search должна была бы использовать ту же структуру. Неприятность состоит в том, что эти процедуры должны обладать чересчур большими знаниями о будущем всей системы: они должны точно знать, какие типы фигур в ней допускаются. Любое добавление нового типа или изменение существующего будет затрагивать каждую процедуру.

Ne sutor ultra crepidam, (для сапожника ничего сверх сандалий) - это принцип разработки ПО: процедуре поворота не требуется знать полный список типов фигур. Ей должно хватать информации необходимой для выполнения своей работы: поворота некоторых видов фигур.

Распределение информации среди чересчур большого количества процедур является главным источником негибкости классических подходов к разработке ПО. Основные трудности модификации ПО можно проследить, анализируя эту проблему. Она также частично объясняет, почему так трудно управлять программными проектами, когда совсем небольшие изменения имеют далеко идущие последствия, заставляя разработчиков переделывать модули, которые, казалось бы, были успешно завершены.

ОО-методы также сталкиваются с этой проблемой. Изменение реализации операции затрагивает только тот класс, в котором применяется эта реализация. Добавление нового варианта некоторого типа в большинстве случаев не затронет другие классы. Причиной является децентрализация: классы заведуют своими собственными реализациями и не вмешиваются в дела друг друга. В применении к людям это звучало бы как Вольтеровское Cultivez votre jardin, - ухаживайте за своим собственным садом. В применении к модулям существенным является требование получения децентрализованных структур, которые изящно поддаются расширению, модификации, комбинированию и повторному использованию.

Независимость от представления

Динамическое связывание связано с одним из принципиальных аспектов повторного использования: независимостью от представления, т.е. возможностью запрашивать исполнение некоторой операции, имеющей несколько вариантов, не уточняя, какой из них будет применен. В предыдущей лекции при обсуждении этого понятия использовался пример вызова

present := has (x, t)

который должен применить подходящий алгоритм поиска, зависящий от вида t во время выполнения. Если t объявлена как таблица, но может присоединяться к экземпляру бинарного дерева поиска, хеш-таблице и т. п. (в предположении, что все необходимые классы доступны), то при динамическом связывании вызов

present := t.has (x)

найдет во время выполнения подходящую версию процедуры has. С помощью динамического связывания достигается то, что было невозможно получить с помощью перегрузки и универсальности: клиент может запросить некоторую операцию, а поддерживающая язык система автоматически найдет ее соответствующую реализацию.

Таким образом, объединение классов, наследования, переопределения, полиморфизма и динамического связывания дает прекрасные ответы на вопросы, поставленные в начале этой книги: требования повторного использования, критерии, принципы и правила модульности.

Парадокс расширения-специализации

Наследование иногда рассматривается как расширение, а иногда как специализация. Хотя эти два толкования как будто противоречат друг другу, оба они истинны - но с разных точек зрения.

Все снова зависит от того, смотрим ли мы на класс как на тип или как на модуль. В первом случае наследование, представляющее отношение "является", - это специализация: "собака" более специальное понятие, чем "животное", а "прямоугольник" - чем "многоугольник". Как уже отмечалось, это соответствует отношению включения подмножества во множество: если B наследник A, то множество объектов, представляющих во время выполнения B является подмножеством соответствующего множества для A.

Но с точки зрения модуля, при которой класс рассматривается как поставщик служб, B реализует службы A и свои собственные. Малому числу объектов часто позволяют иметь больше компонентов, так как это приводит к увеличению информации. Переходя от произвольных животных к собакам, мы можем добавить специфическое для них свойство "лаять", а при переходе от многоугольников к прямоугольникам можно добавить компонент "диагональ". Поэтому по отношению к реализованным компонентам отношение включения направлено в другую сторону: компоненты, применимые к экземплярам A, являются подмножеством компонент, применимых к экземплярам B.

Таким образом, наследование является специализацией с точки зрения типов и расширением с точки зрения модулей. Это и есть парадокс расширения-специализации: чем больше применяемых компонентов, тем меньше объектов, к которым они применяются.

Парадокс расширения-специализации - это одна из причин для устранения термина "подкласс", предполагающего понятие "подмножество". Другой, уже отмеченной, является встречающееся в литературе сбивающее с толку использование термина "подкласс" для обозначения как прямого, так и непрямого наследования. Эти проблемы не возникают при использовании точно определенных терминов: наследник, потомок и собственный потомок и двойственных к ним терминов: родитель, предок и собственный предок.

Оглавление книги