Проектирование и С++

12.2 Классы

Основное положение объектно-ориентированного проектирования и программирования заключается в том, что программа служит моделью некоторых понятий реальности. Классы в программе представляют основные понятия области приложения и, в частности, основные понятия самого процесса моделирования реальности. Объекты классов представляют предметы реального мира и продукты процесса реализации.

Мы рассмотрим структуру программы с точки зрения следующих взаимоотношений между классами:

• отношения наследования,
• отношения принадлежности,
• отношения использования и
• запрограммированные отношения.

При рассмотрении этих отношений неявно предполагается, что их анализ является узловым моментом в проекте системы. В 12.4 исследуются свойства, которые делают класс и его интерфейс полезными для представления понятий. Вообще говоря, в идеале, зависимость класса от остального мира должна быть минимальна и четко определена, а сам класс должен через интерфейс открывать лишь минимальный объем информации для остального мира.

Подчеркнем, что класс в С++ является типом, поэтому сами классы и взаимоотношения между ними обеспечены значительной поддержкой со стороны транслятора и в общем случае поддаются статическому анализу.

12.2.1 Что представляют классы?

По сути в системе бывают классы двух видов:

1. классы, которые прямо отражают понятия области приложения, т.е. понятия, которые использует конечный пользователь для описания своих задач и возможных решений; и
2. классы, которые являются продуктом самой реализации, т.е. отражают понятия, используемые разработчиками и программистами для описания способов реализации.

Некоторые из классов, являющихся продуктами реализации, могут представлять и понятия реального мира. Например, программные и аппаратные ресурсы системы являются хорошими кандидатами на роль классов, представляющих область приложения. Это отражает тот факт, что систему можно рассматривать с нескольких точек зрения, и то, что с одной является деталью реализации, с другой может быть понятием области приложения. Хорошо спроектированная система должна содержать классы, которые дают возможность рассматривать систему с логически разных точек зрения. Приведем пример:

1. классы, представляющие пользовательские понятия (например, легковые машины и грузовики),
2. классы, представляющие обобщения пользовательских понятий (движущиеся средства),
3. классы, представляющие аппаратные ресурсы (например, класс управления памятью),
4. классы, представляющие системные ресурсы (например, выходные потоки),
5. классы, используемые для реализации других классов (например, списки, очереди, блокировщики) и
6. встроенные типы данных и структуры управления.

В больших системах очень трудно сохранять логическое разделение типов различных классов и поддерживать такое разделение между различными уровнями абстракции. В приведенном выше перечислении представлены три уровня абстракции:

• [1+2] представляет пользовательское отражение системы,
• [3+4] представляет машину, на которой будет работать система,
• [5+6] представляет низкоуровневое (со стороны языка программирования) отражение реализации.

Чем больше система, тем большее число уровней абстракции необходимо для ее описания, и тем труднее определять и поддерживать эти уровни абстракции. Отметим, что таким уровням абстракции есть прямое соответствие в природе и в различных построениях человеческого интеллекта. Например, можно рассматривать дом как объект, состоящий из

1. атомов,
2. молекул,
3. досок и кирпичей,
4. полов, потолков и стен;
5. комнат.

Пока удается хранить раздельно представления этих уровней абстракции, можно поддерживать целостное представление о доме. Однако, если смешать их, возникнет бессмыслица. Например, предложение "Мой дом состоит из нескольких тысяч фунтов углерода, некоторых сложных полимеров, из 5000 кирпичей, двух ванных комнат и 13 потолков" - явно абсурдно. Из-за абстрактной природы программ подобное утверждение о какой-либо сложной программной системе далеко не всегда воспринимают как бессмыслицу.

В процессе проектирования выделение понятий из области приложения в класс вовсе не является простой механической операцией. Обычно эта задача требует большой проницательности. Заметим, что сами понятия области приложения являются абстракциями. Например, в природе не существуют "налогоплательщики", "монахи" или "сотрудники".

Эти понятия не что иное, как метки, которыми обозначают бедную личность, чтобы классифицировать ее по отношению к некоторой системе. Часто реальный или воображаемый мир (например, литература, особенно фантастика) служат источником понятий, которые кардинально преобразуются при переводе их в классы. Так, экран моего компьютера (Макинтош) совсем не походит на поверхность моего стола, хотя компьютер создавался с целью реализовать понятие "настольный", а окна на моем дисплее имеют самое отдаленное отношение к приспособлениям для презентации чертежей в моей комнате. Я бы не вынес такого беспорядка у себя на экране.

Суть моделирования реальности не в покорном следовании тому, что мы видим, а в использовании реальности как начала для проектирования, источника вдохновения и как якоря, который удерживает, когда стихия программирования грозит лишить нас способности понимания своей собственной программы.

Здесь полезно предостеречь: новичкам обычно трудно "находить" классы, но вскоре это преодолевается без каких-либо неприятностей. Далее обычно приходит этап, когда классы и отношения наследования между ними бесконтрольно множатся. Здесь уже возникают проблемы, связанные со сложностью, эффективностью и ясностью полученной программы. Далеко не каждую отдельную деталь следует представлять отдельным классом, и далеко не каждое отношение между классами следует представлять как отношение наследования. Старайтесь не забывать, что цель проекта - смоделировать систему с подходящим уровнем детализации и подходящим уровнем абстракции. Для больших систем найти компромисс между простотой и общностью далеко не простая задача.

12.2.2 Иерархии классов

Рассмотрим моделирование транспортного потока в городе, цель которого достаточно точно определить время, требующееся, чтобы аварийные движущиеся средства достигли пункта назначения. Очевидно, нам надо иметь представления легковых и грузовых машин, машин скорой помощи, всевозможных пожарных и полицейских машин, автобусов и т.п. Поскольку всякое понятие реального мира не существует изолированно, а соединено многочисленными связями с другими понятиями, возникает такое отношение как наследование. Не разобравшись в понятиях и их взаимных связях, мы не в состоянии постичь никакое отдельное понятие. Также и модель, если не отражает отношения между понятиями, не может адекватно представлять сами понятия. Итак, в нашей программе нужны классы для представления понятий, но этого недостаточно. Нам нужны способы представления отношений между классами. Наследование является мощным способом прямого представления иерархических отношений. В нашем примере, мы, по всей видимости, сочли бы аварийные средства специальными движущимися средствами и, помимо этого, выделили бы средства, представленные легковыми и грузовыми машинами. Тогда иерархия классов приобрела бы такой вид:

• движущееся средство
• легковая машина
• аварийное средство
• грузовая машина
• полицейская машина
• скорой помощи
• пожарная машина
• машина с выдвижной лестницей.

Здесь класс Emergency представляет всю информацию, необходимую для моделирования аварийных движущихся средств, например: аварийная машина может нарушать некоторые правила движения, она имеет приоритет на перекрестках, находится под контролем диспетчера и т.д.

На С++ это можно задать так:

class Vehicle { /*...*/ };
class Emergency { /*   */ };
class Car : public Vehicle { /*...*/ };
class Truck : public Vehicle { /*...*/ };
class Police_car : public Car , public Emergency {
    //...
};
class Ambulance : public Car , public Emergency {
    //...
};
class Fire_engine : public Truck , Emergency {
    //...
};
class Hook_and_ladder : public Fire_engine {
    //...
};

Наследование - это отношение самого высокого порядка, которое прямо представляется в С++ и используется преимущественно на ранних этапах проектирования. Часто возникает проблема выбора: использовать наследование для представления отношения или предпочесть ему принадлежность. Рассмотрим другое определение понятия аварийного средства: движущееся средство считается аварийным, если оно несет соответствующий световой сигнал. Это позволит упростить иерархию классов, заменив класс Emergency на член класса Vehicle:

• движущееся средство (Vehicle {eptr})
• легковая машина (Car) грузовая машина (Truck)
• полицейская машина (Police_car) машина скорой помощи (Ambulance)
• пожарная машина (Fire_engine)
• машина с выдвижной лестницей (Hook_and_ladder)

Теперь класс Emergency используется просто как член в тех классах, которые представляют аварийные движущиеся средства:

class Emergency { /*...*/ };
class Vehicle { public: Emergency* eptr;  /*...*/ };
class Car : public Vehicle { /*...*/ };
class Truck : public Vehicle { /*...*/ };
class Police_car : public Car { /*...*/ };
class Ambulance : public Car { /*...*/ };
class Fire_engine : public Truck { /*...*/ };
class Hook_and_ladder : public Fire_engine { /*...*/ };

Здесь движущееся средство считается аварийным, если Vehicle::eptr не равно нулю. "Простые" легковые и грузовые машины инициализируются Vehicle::eptr равным нулю, а для других Vehicle::eptr должно быть установлено в ненулевое значение, например:

Car::Car()     // конструктор Car
{
   eptr = 0;
}
Police_car::Police_car()   // конструктор Police_car
{
   eptr = new Emergency;
}

Такие определения упрощают преобразование аварийного средства в обычное и наоборот:

void f(Vehicle* p)
{
   delete p->eptr;
   p->eptr = 0;   // больше нет аварийного движущегося средства

   //...

   p->eptr = new Emergency;   // оно появилось снова
}

Так какой же вариант иерархии классов лучше? В общем случае ответ такой: "Лучшей является программа, которая наиболее непосредственно отражает реальный мир". Иными словами, при выборе модели мы должны стремиться к большей ее"реальности", но с учетом неизбежных ограничений, накладываемых требованиями простоты и эффективности. Поэтому, несмотря на простоту преобразования обычного движущегося средства в аварийное, второе решение представляется непрактичным.

Пожарные машины и машины скорой помощи - это движущиеся средства специального назначения со специально подготовленным персоналом, они действуют под управлением команд диспетчера, требующих специального оборудования для связи. Такое положение означает, что принадлежность к аварийным движущимся средствам - это базовое понятие, которое для улучшения контроля типов и применения различных программных средств должно быть прямо представлено в программе. Если бы мы моделировали ситуацию, в которой назначение движущихся средств не столь определенно, скажем, ситуацию, в которой частный транспорт периодически используется для доставки специального персонала к месту происшествия, а связь обеспечивается с помощью портативных приемников, тогда мог бы оказаться подходящим и другой способ моделирования системы.

Для тех, кто считает пример моделирования движения транспорта экзотичным, имеет смысл сказать, что в процессе проектирования почти постоянно возникает подобный выбор между наследованием и принадлежностью. Аналогичный пример есть в 12.2.5, где описывается свиток (scrollbar) - прокручивание информации в окне.