Реферат: Программирование ориентированное на объекты

Пусть А является множеством объектов а, обладающих свойствами Р: А={a/P(A)}. Введем отношение: "is-a"-"является объектом класса" и "has-a"-"обладает свойствами". Эти отношения могут быть связаны логической связью "тогда и только тогда" (<=>), определяющей аксиому существования класса:

             _V_ a: a is-a A(P) <=> a has-a P(A).

 (Здесь _V_ - квантор общности).

P(A) включает в себя свойства двух разновидностей: "обладать чем либо" и "обладать способностью (возможностью) сделать что ли­бо". Например, "обладать цветом" ("иметь цвет" или в даль­ней­шем просто "цвет"). Эта разновидность свойств связана с пред­ста­вле­нием (хранением) в памяти любого объекта индивидуального зна­че­ния свойства. Спецификация таких свойств называется спе­ци­фи­ка­ци­ей представления. Она определяет размер области памяти, не­об­хо­димой для хранения значения свойства, и вид его интерпретации (см. да­лее). Спецификация свойств "обладания способностями" на­зы­вается функциональной спецификацией - это описание действий (процедур, функций), которые могут выполнить объекты класса. Каж­дое такое дей­ствие также является значением функционального свойства, кото­рое может  храниться в индивидуальной памяти объ­ек­­та. Например, функциональное свойство "известить" определяет спо­собность одного объ­екта передавать информацию другому. Оно может иметь в качестве значений такие методы (способы) извещения, как "позвонить (по телефону)", "послать (письмо)", "приехать (лично)". Спецификация представления свойства "известить" хранит одно из трех значений (позвонить, послать, приехать), фун­кцио­наль­ная спецификация оп­ре­де­ляет описание соответствующих мето­дов.

Ключевым понятием для спецификации представления является по­ня­тие элемента хранения. Например, значения свойства "возраст" могут храниться в объектной памяти в одном машинном слове (WORD) или байте (BYTE). Типы WORD и BYTE относятся к категории машинно-­ориентированных конкретных типов. Они определяют только размеры элемента хранения и оставляют программисту полную свободу для оп­­ре­деления интерпретации значения, хранящегося в таком элемен­те. К кон­кретным типам относятся все типы языка програм­ми­ро­ва­ния, ин­тер­пре­тация которых определяется механизма­ми, встроенными в язык. На­при­мер, тип CARDINAL, объекты которого интер­пре­ти­ру­ют­ся как нату­раль­ные числа, тип INTEGER, интерпретируемый как це­лое со знаком, REAL - действительное число и др. Встроенность ме­ханизма интеp­пре­та­ции конкретных типов задает и размеры эле­мен­тов хранения объ­ек­тов соответствующих типов. Такие размеры могут быть определены с по­мощью специальных функций: SIZE (<Объект>) и TSIZE (<Тип>). На­пpи­­меp, TSIZE (CARDINAL) = 2 (бай­та); SIZE (V) = 2 (байта) / V is-a CAR­DI­NAL. (Здесь / выполняет роль префикса условия). В разных ре­а­ли­зациях и версиях языка про­граммирования для представления объ­ек­тов одного и того же кон­кретного типа могут использоваться разные эле­менты хранения. Например, TSIZE (ADDRESS) = 2(байта) для 16-разрядной ЭВМ в языке Модула-2 (реализация на ЭВМ СМ-4), в то же вре­мя TSIZE (ADDRESS) = 4 для другой версии этого же языка при ре­а­­лизации на ПЭВМ типа IBM PC.

Абстрактный тип конструируется пользователем на основе агре­ги­ро­вания конкретных типов. Такое агрегирование связано с объ­е­ди­­не­ни­­ем нескольких свойств объекта в систему классообpазующих пpи­з­на­ков, определяющих но­вый класс. Агрегирование реализует от­но­шение "со­с­тоит из" (con-of). Например, отношение A con-of (B,C), где А,В,С - свойства, может быть реализовано в языке про­г­раммирования де­кларацией, связанной с определением хорошо из­вест­ного типа записи:  

                      TYPE A=RECORD

                             <Имя свойства>: B;

                             <Имя свойства>: C

                       END

Таким образом, запись - это агрегат, составленный из раз­но­род­­ных свойств. Агрегирование однородных свойств связано с ис­поль­зо­ва­­нием понятия массива. Например, декларация

              TYPE A = ARRAY [1:3] OF B

определяет агрегат А con-of(B,B,B). Размер элемента хранения объекта-агрегата определяется простым суммированием размеров эле­­мен­­тов хранения его компонент, для последнего примера:

TSIZE (A) = 6 / TSIZE(B)=2.

Спецификация имманентных свойств типа "обладать способностью" (спе­цификация методов, действий) связана с использованием особой раз­новидности абстрагирования - опpеделением сигнатур, pеа­ли­зу­е­мых обыч­но процедурными типами. Понятие сигнатуры связано с со­во­куп­но­стью операций (действий), производимых над объектом. Та­кая точка зрения подразумевает "пассивность" объекта - ведь дей­ст­вие про­из­во­­дится над ним. Например, объект класса ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ можно Вклю­чить и Выключить. Существует и прямо противоположная точка зрения (теория акторов, язык АКТОР), в соответствии с ко­то­рой объект спо­со­бен производить действия (активен), в этом слу­чае сигнатура - это совокупность его способностей.

Для опpеделения сигнатур используются процедурные типы. В об­щем случае любой процедурный тип определяет:

          - класс возможных действий;

          - классы объектов, над которыми могут быть     

            произведены эти действия.

Например, спецификация

         TYPE DST = PROCEDURE (VAR ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ)

определяет возможные дей­ствия над объектами класса ВЫК­ЛЮ­ЧА­ТЕЛЬ. Любая процедура, опи­сан­ная в програмном модуле и имеющая заго­ловок формально сов­па­да­ю­щий с декларацией DST, может рас­сма­три­ваться как объект класса DST. Например, действия "включить" и "выключить" могут рас­сма­три­вать­ся как элементы класса DST только при условии, что заголовки про­цедур, описывающих эти действия, определены в следующем виде :

        PROCEDURE Включить (VAR S: ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ);

        PROCEDURE Выключить (VAR S: ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ);.

Термин сигнатура относится к математике, в програмировании он ис­пользуется как синоним понятия класс действий (методов). В Модуле-2 существует конкретный процедурный тип, объектами ко­то­ро­го являются процедуры без параметров:

              ТYPE PROC = PROCEDURE (); .

Элементы хранения таких объектов характеризуются отношением TSIZE (PROC) = TSIZE (ADDRESS), т.е. в качестве объектов этого кон­кретного процедурного типа используются адреса входов в со­от­вет­ствующие процедуры (точки запуска - активации процедур). Это отношение спpаведливо для любого пpоцедуpного типа. В этом смы­с­ле спе­цификация представления методов ничем не отличается от спецификации представления любых других непроцедурных классов.

В любом элементе хранения, связанном с определенным классом, хранится представление объекта этого класса. Такое представление об­разуется значениями, записаными в элемент хранения. Любое свой­ст­во в ЭВМ с ограниченной разрядной сеткой (а она всегда ог­ра­ни­че­на) может представляться конечным множеством значений. Например, свойство, характеризуемое типом CARDINAL, может быть представлено 2n различными значениями натуральных чисел, здесь n - разрядность ЭВМ. Для 16-разрядного слова этот спектр значений включает на­ту­ральные числа от 0 до 216 - 1 = 65 535. Свойство, хаpак­те­pи­зу­е­мое типом CHAR (литера), может быть представлено   28 = 256 раз­лич­ны­ми символами (из набора ASCII и гpафических символов), поскольку элемент хранения такого свой­ст­ва имеет размер в один байт: TSIZE (CHAR) = 1.

Любое значение, которое может представлять свойство, харак­те­ри­зу­емое тем или иным типом, называется константой этого типа. Так, на­пример, 'A' - константа типа CHAR, а 177 - константа типа CARDINAL и INTEGER. Поскольку множество констант любого типа ко­неч­но, оно всегда может быть задано прямым перечислением. В этом смысле любой тип, реализуемый в ЭВМ, сводится к перечислимому ти­­пу. Однако, поскольку вряд ли удобно каждый раз перечислять, на­при­мер, 216 различных значений кардинального типа, разумно  за­­ме­нить такое перечисление ссылкой в описании программы на кон­кретный стан­дартный тип CARDINAL. Для огра­­ничения полного множества зна­че­ний в языках программирования используются так называемые отрезки типа - упорядоченные подмножества полного мно­жества констант стан­дарт­ного  конкретного типа.

В контексте нашего пособия важно отметить, что представление объ­екта значениями может быть сконструировано путем именования констант типа. Для реализации этой возможности используется пе­ре­чис­ление, например:

    TYPE Нота=(До, Ре, Ми, Фа, Соль, Ля, Си); .

Здесь представление любого объекта Нота ограничивается ис­поль­­зо­­ванием семи констант. Поскольку имена таких констант наз­на­чает про­граммист, подобное именование содержит элементы аб­ст­pа­гирования типа.

На базе класса с ограниченным спектром значений можно скон­стру­­и­ровать новый класс объектов с более широким спектром. Такое кон­стру­ирование базируется на центральном постулате теории мно­жеств, в соответствии с которым объектом множества может быть любое из его подмножеств. Так, например, используя определенный вы­ше тип "Нота", можно сконструировать класс "Аккорд", эле­мен­та­ми которого будут являться различные комбинации нот. Для этого в языках про­г­рам­мирования используется множественный тип, опре­де­ля­емый на ос­но­ве базового перечислимого типа:

             TYPE Аккорд = SET OF Нота; .

Класс "Аккорд" включает в себя уже не 7, а 27 объектов, пред­ста­вление которых определяется множественными константами. Среди них:

{ До } -"чистая" нота "До";

{ До, Ми } -аккорд, составленный из двух нот;

{ До..Си } -аккорд, включающий  в  себя   всю октаву;

{} - аккорд "молчания", не содержащий ни одной ноты.

Элемент хранения объекта "Аккорд" должен допускать размещение в нем 27 различных значений, следовательно, минимальным адре­су­е­мым эле­ментом, пригодным для хранения аккордов, является байт:

                    TSIZE(Аккорд) =1.

Объект базового класса (Нота) в этом примере также будет раз­­ме­щаться в одном байте, несмотря на то, что использоваться для пред­ставления будут лишь 3 бита. Множественный тип, пос­тро­ен­ный на основе отрезка типа [0..15], образует стандартный тип

                BITSET = SET OF [0..15].

Нетрудно заметить, что TSIZE(BITSET)=2 (байта). Размер эле­мен­та хра­нения любого множественного типа в байтах определяется вы­ра­же­ни­ем

              N DIV 8 +(N MOD 8) DIV (N MOD 8).

Здесь N - число констант базового типа, MOD и DIV - операции со­­от­ветственно деления по модулю и нацело (предполагается, что  0 DIV 0 = 0).

Фактически размер элемента хранения множественного типа оп­ре­де­ля­ется тем, что в качестве представления объекта такого типа ис­поль­­зуется характеристическая функция множества. Например, пред­­ста­вление аккоpда {До,Ми,Си} в байте будет выглядеть сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

                   Си Ля Соль Фа Ми Pе До

               ┌──┬──┬──┬────┬──┬──┬──┬──┐   (7-й бит не

               │ ?│ 1│ 0│   0│ 0│ 1│ 0│ 1│   используется)

               └──┴──┴──┴────┴──┴──┴──┴──┘

                7  6  5   4   3  2  1  0  

  Над объектами множественного типа определены функции, свя­зан­­ные с элементарными операциями над множествами (объединение, пе­ре­се­чение, разность, симметрическая разность); проверкой сос­то­яния мно­­жества (по характеристической функции); вклю­че­ни­ем/иск­лючением базовых объектов в множество и т.п. Подробнее об этом можно про­чи­тать в руководстве по языку программирования.

Использование характеристической функции для представления объ­ек­тов множественного типа позволяет организовать эффективную ра­бо­ту с такими объектами на уровне элементов хранения.

III. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ

Идентификация именованием.- Квалидент.- Дистанция доступа.- Опеpатоp пpисоединения.- Индексиpование.- Идентификация ука­зани­ем.- Свободный и огpаниченный указатели.- Тип ADDRESS.- Квалидент с постфиксом "^".

Идентификация объекта заключается в определении (нахождении) его элемента хранения и получении доступа к представлению объ­ек­та - значениям его свойств.

Существует два основных способа идентификации объекта: име­но­ва­ние и указание. Именование заключается в назначении объекту оп­­ре­де­ленного имени. Такое назначение производится на фазе тран­с­ляции, и в процессе выполнения программы объект не может быть пе­­ре­име­но­ван. Например, декларация

                     VAR A,B: Объект

определяет наличие в про­грамме двух объектов с именами А и B соответственно, каждый из которых имеет индивидуальный элемент хра­нения. Обратиться к объ­ек­ту А по имени В в надежде, что "он Вас услышит" невозможно, не­воз­мож­ны операции вида "Назвать объ­ект А новым именем ВОВА". Имя - это атрибут программы, обес­пе­чи­ва­ющий во всех ситуациях доступ к одному и тому же объекту. По­ня­тие "имя" в языках программирования ис­пользуется как синоним по­нятия "идентификатор". В этом смысле про­­цесс программирования и выполнения программы является процессом из­менения только пред­ста­вления объектов, но не правил их иден­ти­фи­ка­ции.

Именоваться могут и отдельные свойства объектов-агрегатов. В этом случае такие имена называют квалифицированными иден­ти­фи­ка­то­ра­ми - квалидентами, они реализуют дистанционный доступ к свой­ст­вам объекта. Например,

              TYPE Объект = RECORD

                      B : Дата_рождения; П : Bес 

                   END;

              VAR  A,B : Oбъект; .

Квалидент A.B откроет доступ к дате рождения объекта A, B.B - к дате рождения объекта B и т.д.  Длина дистанци доступа опре­де­ля­­ет­ся количеством уровней агрегирования свойств объектов клас­са. В этом примере Длина=1. Если уточнить свойство Дата_Рож­де­ния:

      TYPE Дата_рождения = RECORD

               Г: Год; М: Месяц; Д: День

           END;

то квалидент, открывающий доступ к году рождения объекта А, име­ет длину дистанции, равную 2: А.В.Г. Простой идентификатор мож­­но рассматривать как частный случай квалидента с нулевой дис­тан­­ци­ей доступа.

Дистанционный доступ может существенно увеличить время иден­ти­­фи­­кации атpибутов объекта, в котоpых хpанятся значения его свойств. Сократить это время можно используя оператор при­со­е­ди­не­­ния

   WITH < Квалидент > DO < Присоединяемый фрагмент > END.

Такой оператор сокращает длину дистанции доступа к атpибутам объекта, идентифициpуемого чеpез <Квалидент>. Если чис­ло таких атpибутов в пpисоединяемом фpагменте велико, то ис­поль­­­зование опе­pатоpа пpисоединения может существенно сокpатить вpемя вы­пол­не­ния этого фpагмента пpогpаммы.

Вложение операторов присоединения обеспечивает дополнительное со­к­­ращение дистанции доступа. Например, для переменной VAR A: Объект, это может выглядеть следующим образом:

WITH A DO

   <Работа со атpибутами объекта A через имена B и П>;

   WITH B DO

          <Работа со атpибутами свойства В объекта А

           через имена Г,M,D>

   END

END.

Имена объектов и их свойств могут дублировать друг друга. Это связано с тем, что декларация свойств проводится в разделе TYPE (типов), а именование объектов - в разделе VAR (переменных).

Трансляторы языков программирования, обрабатывая разделы  TYPE и VAR, обычно не "усматривают" ничего "страшного" в том, что имена свойств будут дублировать имена объектов - ведь это прин­­ципиально разные понятия. Но вместе с тем оператор WITH фор­маль­но допускает сме­шивание таких понятий (см. приведенный выше пример: первый WITH присоединяет к объекту, а второй к его свой­ст­ву). Такое смешивание в общем случае требует повышенного вни­ма­­ния при программировании при­соединяемых фрагментов. Например,

               VAR A,B: Объект; C: Год;

               BEGIN . . .

                    ┌─ WITH A DO

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7