Лабораторная работа №7 Объектно-ориентированное программирование / 7.DOC

Лабораторная работа №7

Объектно-ориентированное программирование

Цель работы - овладение практическими приемами и навыками разработки и создания программ посредством иерархически связанных классов.

1.1. Введение

Объектно-ориентированное программирование (ООП) - это результат естественной эволюции более ранних методологий программирования. Оно более структурировано и более модульно и абстрактно, чем традиционное программирование. Потребность в ООП связана со стремительным усложнением приложений и отсюда как следствие недостаточной надежностью программ и выразительными способностями языков программирования.

ООП - это моделирование объектов посредством иерархически связанных классов. Малозначащие детали объекта скрыты от нас, и если мы даем команду, например, переместить объект, то он "знает", как он это делает. Переход от традиционного программирования к ООП на начальном этапе характерен тем, что под объектами в программе подразумеваются конкретные физические объекты. В этом случае легче дается понимание различных действий над ними. В качестве примера выберем простые графические фигуры, поскольку каждая фигура представляет реальный объект на экране. Его всегда можно отобразить и тем самым проверить моделируемые действия над объектом в явном виде. После того как определены простейшие графические объекты, достаточно легко можно формировать более сложные на основе уже имеющихся. В ООП такому сложному графическому объекту соответствует список примитивных объектов, к которому применимы все те же действия, что и к составляющим его элементам: отображение, стирание с экрана, перемещение в заданном направлении.

ООП опирается на три основных понятия:

1.2.Объект и инкапсуляция

В Паскале объект очень похож на запись, которая является упаковкой для соединения нескольких взаимосвязанных элементов данных вместе, под одним именем. Данные определяют свойства объекта. С другой стороны, объект имеет свое поведение, определяемое процедурами и функциями этого объекта.

Инкапсуляция - объединение данных с процедурами и функциями для создания нового типа данных - объекта. Связанные с объектом процедуры и функции называются методами. Таким образом, поля данных объекта - это то, что объект "знает", его методы - это то, что объект делает.

Для описания объектов используется зарезервированное слово OBJECT. Описание объекта помещается в разделе описания типов. Вначале описываются все инкапсулированные в объекте данные, а затем - методы доступа к этим данным. Сами методы при описании объекта не раскрываются, указываются лишь заголовки. Методы описываются ниже по тексту программы.

В рассмотренном ниже примере тип объекта "координаты точки" может быть определен следующим образом:

Type Location = Object

X,Y: Integer; {данные}

Procedure Init(InitX, InitY: Integer); {заголовки методов}

Function GetX: Integer;

Function GetY: Integer;

End;

{описание методов}

Procedure Location.Init(InitX, InitY: Integer);

Begin

X:=InitX;

Y:=InitY;

End;

Function Location.GetX: Integer;

Begin

GetX:=X; {получение координаты Х текущей позиции на экране}

End;

Function GetY: Integer;

Begin

GetY:=Y; {получение координаты У текущей позиции на экране}

End;

1.3. Иерархия объектов и наследование

Предположим, что мы хотим высветить точку на экране в позиции, описанной типом LOCATION. Определим тип POINT, который содержит булевское поле, указывающее, светится ли пиксель в данной позиции. Так как все точки должны содержать позицию, мы говорим, что тип POINT - это тип, порожденный типом LOCATION. POINT наследует все, что имеет LOCATION и добавляет в него нечто новое (признак светимости):

Type Location = Object

X,Y: Integer; {данные}

Procedure Init(InitX, InitY: Integer); {заголовки методов}

Function GetX: Integer;

Function GetY: Integer;

End;

Point = Object(Location)

Visible: Boolean;

End;

В качестве примера построим иерархию объектов Координаты - Точка - Квадрат (Lоcation - Point - Square). Удобно определять объекты в модулях, причем тип объекта описывается в интерфейсной части модуля, а тела процедур-методов типа объекта - в разделе модуля Implementation.

Пример 7.1. Этот модуль определяет объекты Lоcation, Point и Square.

unit obj1_OOP;

interface

uses graph;

type location = object

x,y: integer;

procedure init(X1,Y1:integer);

function getX: integer;

function getY: integer;

end;

point = object(location)

procedure init(X1,Y1:integer);

visible: boolean;

procedure show;

procedure hide;

procedure shift(X1,Y1:integer);

end;

square = object(point)

side: integer;

procedure init(X1,Y1,side1:integer);

procedure show;

procedure hide;

procedure shift(X1,Y1:integer);

procedure explode(Step:integer);

end;

{-----------------------------------------}

IMPLEMENTATION

procedure location.init(X1,Y1:integer);

begin

x:=X1;

y:=Y1;

end; {location.init}

function location.getX:integer;

begin

getX:=x;

end; {location.getX}

function location.getY:integer;

begin

getY:=y;

end; {location.getY}

procedure point.init(X1,Y1:integer);

begin

location.init(X1,Y1);

end; {point.init}

procedure point.show;

begin

visible:=true;

putpixel(x,y,getcolor);

end; {point.show}

procedure point.hide;

begin

visible:=false;

putpixel(x,y,getbkcolor);

end; {point.hide}

procedure point.shift(X1,Y1:integer);

begin

hide;

init(X1,Y1);

show;

end; {point.shift}

procedure square.init(X1,Y1,side1:integer);

begin

side:=side1;

point.init(X1,Y1);

end; {square.init}

procedure square.show;

begin

visible:=true;

rectangle(X-side div 2, X- side div 2, X+side div 2, Y+ side div 2);

end; {sguare.show}

procedure square.hide;

var temp:word;

begin

temp :=getcolor;

setcolor(getbkcolor);

show;

visible:=false;

Setcolor(temp);

end; {sguare.hide}

procedure square.shift(X1,Y1:integer);

begin

hide;

X:=X1;

Y:=Y1;

show;

end; {sguare.shift}

procedure square.explode(step:integer);

begin

hide;

inc(side,step);

show;

end;

end.

Чтобы использовать эти типы объектов и методы, в своей программе достаточно определить экземпляры типа Point и Square:

program ex1_OOP;

uses crt,graph,obj1_OOP;

var gm,gd :integer;

XP :point;

XS :square;

I :word;

Begin

gd:=detect;

InitGraph(gd,gm,'C:\BP\BGI');

if GraphResult<>GrOk then Halt(1);

with XP do

begin

init(100,100);

show;

readln;

shift(200,200);

readln;

hide;

end;

with XS do begin

init(100,100,50);

show;

readln;

shift(200,200);

readln;

for i:= 1 to 20 do

begin

explode(10);

delay(200);

end;

readln;

hide;

end;

closeGraph;

End.

В этом примере инициализируется точка, затем она показывается на экране, перемещается в новое место и прячется. Затем инициализируется квадрат, показывается на экране, в 20 раз увеличивает свои линейные размеры на 5 точек и стирается.

Когда родительский тип определен, наследуемые правила могут быть заменены (а могут и использоваться). Для замены унаследованного правила просто определите новое правило с тем же именем, как и унаследованное, но с другим телом и (при необходимости) с другим набором параметров. Логика компилятора в решении вызовов методов такова: компилятор сначала ищет метод с таким именем, определенный в пределах типа объекта. Тип Square определяет методы с именами Init, Show, Hide, Shift и Explode. Если тип Square должен вызвать один из этих методов, компилятор заменит этот вызов адресом одного из собственных методов объекта Square.

Если методов с таким именем не определено в пределах типа объекта, компилятор переходит вверх, к типу непосредственного прародителя, и ищет метод, имя которого вызвано в пределах этого типа. Если метод с таким именем найден, адрес метода прародителя заменяет имя в исходном коде метода потомка. Если же метод по такому имени не найден, компилятор продолжит поиск метода вверх до следующего прародителя. Если компилятор попадает в самый верхний (первый) тип объекта, он выдает сообщение об ошибке, показывающее, что такой метод не определен.

Пользователь может создавать новых потомков и не имея исходного кода Unit (это важно в коммерческих приложениях). Следующий пример иллюстрирует эту возможность, порождая новый объект PaintSquare (закрашенный квадрат), базируясь только на тексте секции Interface для модуля Obj1_OOP.

Unit obj2_OOP;

Interface

Uses Graph, obj1_OOP;

Type PaintSquare = Object(Square)

SquareColor: Word;

Procedure Init(X1,Y1,Side1,Color:Integer);

Procedure Show;

Procedure Hide;

Procedure Shift(X1,Y1:Integer);

Procedure Explode(Step:Integer);

End;

Implementation

Procedure PaintSquare.Init(X1,Y1,Side1,Color:Integer);

Begin

Square.Init(X1,Y1,Side1);

SquareColor :=Color;

End;

Procedure PaintSquare.Show;

Var Temp : Word;

Begin

Square.Show;

Temp:=GetColor;

SetFillStyle(SolidFill, SquareColor);

FloodFill(X,Y,Temp);

SetColor(Temp);

End;

Procedure PaintSquare.Hide;

Begin

SetFillStyle(SolidFill,GetBkColor);

FloodFill(X,Y,GetBkColor);

Square.Hide;

End;

Procedure PaintSquare.Shift(X1,Y1 : Integer);

Begin

Hide;

Init(X1,Y1,Side,SquareColor);

Show;

End;

Procedure PaintSquare.Explode(Step : Integer);

Begin

Hide;

Inc(Side,Step);

Init(X,Y,Side,SquareColor);

Show;

End;

End.

Используется модуль аналогично предыдущему. В следующем примере инициализируется закрашенный квадрат, затем он показывается на экране, перемещается на новое место и, наконец в 20 раз увеличивает линейные размеры на 5 точек, а затем возвращается в исходное состояние путем последовательного уменьшения.

Program EX2_OOP;

Uses Crt, Graph, obj2_OOP;

var gd,gm : integer;

XPS : PaintSquare;

I : Word;

begin

gd:=Detect;

InitGraph(gd,gm,'C:\BP\BGI');

If graphResult<>GrOk then Halt(1);

With XPS do

Begin

Init(100,100,50,14);

Show;

Readln;

Shift(200,200);

Readln;

For i:=1 to 20 do Begin

Explode(5);

Delay(200);

End;

Readln;

For i:=1 to 20 do Begin

Explode(-5);

Delay(200);

End;

Readln;

CloseGraph;

End;

End.

1.5. Виртуальные методы и полиморфизм

Все методы, которые мы рассматривали до этого, были статическими, т.е. компилятор размещает их и разрешает все ссылки во время компиляции. В Турбо Паскале существует возможность связывания данных с методами на этапе выполнения программы, такое связывание называется поздним. При позднем связывании используются так называемые виртуальные методы. Виртуальные методы реализуют чрезвычайно мощное средство для обобщения, которое называется полиморфизмом.

Полиморфизм - свойство, позволяющее называть разные алгоритмические действия одним именем. Такое действие совместно используется в иерархии объектов, причем каждый объект в этой иерархии реализует это действие своими собственными, пригодными для него способами.

Метод делается виртуальным, когда за его определением в типе объекта ставится служебное (зарезервированное) слово Virtual. Надо запомнить, что, если вы определяете метод в родительском типе как Virtual, все методы с тем же именем в любом из потомков также должны быть описаны как Virtual.

Вот как может произойти виртуализация рассмотренных выше графических объектов:

Unit obj3_OOP;

Interface

Uses Graph;

Type Location = Object

X,Y : Integer;

Procedure Init(X1,Y1 : Integer);

Function GetX : Integer;

Function GetУ : Integer;

End;

Point = Object(Location)

Visible : Boolean;

Constructor Init(X1,Y1 : integer);

Procedure Show; Virtual;

Procedure Hide; Virtual;

Procedure Shift(X1,Y1 : integer); Virtual;

Destructor LastStep; Virtual;

End;

Square = Object(Point)

Side : integer;

Constructor Init(X1,Y1,Side1 : Integer);

Procedure Show; Virtual;

Procedure Hide; Virtual;

Destructor LastStep; Virtual;

End;

PaintSquare = Object(Square)

SquareColor : Word;

Constructor Init(X1,Y1,Side1,Color : Integer);

Procedure Show; Virtual;

Procedure Hide; Virtual;

Destructor LastStep; Virtual;

End;

IMPLEMENTATION

Procedure Location.Init(X1,Y1 : integer);

Begin

X:=X1;

Y:=Y1;

End;

Function Location.GetX : Integer;

Begin

GetX:=X;

End;

Function Location.GetY : Integer;

Begin

GetY:=Y;

End;

Constructor Point.Init(X1,Y1 : Integer);

Begin

Location.Init(X1,Y1);

End;

Procedure Point.Show;

Begin

Visible:=True;

PutPixel(X,Y,GetColor);

End;

Procedure Point.Hide;

Begin

Visible:=False;

PutPixel(X,Y,GetBkColor);

End;

Procedure Point.Shift(X1,Y1: Integer);

Begin

Hide;

X:=X1;Y:=Y1;

Show;

End;

Destructor Point.LastStep;

Begin

End;

Constructor Square.Init(X1,Y1,Side1 : integer);

Begin

Side:=Side1;

Point.Init(X1,Y1);

end;

Procedure Square.Show;

Begin

Visible:=True;

Rectangle(X-Side div 2, Y-Side div 2,

X+Side div 2, Y+Side div 2);

End; {Show}

Procedure Square.Hide;

Var Temp : Word;

Begin

Temp:=GetColor;

SetColor(GetBkColor);

Show;

Visible:=False;

Setcolor(Temp);

End; {hide}

Destructor Square.LastStep;

Begin

End;

{-------------------------------------------}

Constructor PaintSquare.Init(X1,Y1,Side1,Color:Integer);

Begin

Square.Init(X1,Y1,Side1);

SquareColor:=Color;

End;

Procedure PaintSquare.Show;

Var Temp : Word;

Begin

Square.Show;

Temp:=GetColor;

SetFillStyle(SolidFill, SquareColor);

FloodFill(X,Y,Temp);

SetColor(Temp);

End;

Procedure PaintSquare.Hide;

Begin

SetFillStyle(SolidFill,GetBkColor);

FloodFill(X,Y,GetBkColor);

Square.Hide;

End;

Destructor PaintSquare.LastStep;

Begin

End;

End.

Прежде всего, отметим, что метод Shift уходит из определения типов объекта Square и объекта PainSquare . Он наследуется от Point, и все вложенные вызовы методов переходят к Square и PaintSquare.

Отметим также использование нового служебного слова Constructor (конструктор), которое заменило зарезервированное слово Procedure для Point.Init, Square.Init и PainSquare.Init. Все типы объектов, которые имеют виртуальные правила, должны иметь конструктор. Конструктор - это особый вид процедуры, который выполняет некоторую установочную работу для механизма виртуальных методов. Каждый отдельный экземпляр объекта должен быть инициализирован отдельным вызовом конструктора.

Что же делает конструктор? Для каждого типа объекта компилятор создает так называемую таблицу виртуальных методов (ТВМ), в которой содержится размер типа объекта и адреса точек входа всех виртуальных методов. Каждый экземпляр объекта пользуется единственной для объектов данного типа таблицей. Конструктор же устанавливает связь между экземпляром, вызывающим этот конструктор, и ТВМ данного типа объекта. В момент обращения к конструктору в специальное поле объекта заносится адрес нужной ТВМ, в результате чего все виртуальные методы получают доступ к нужным полям. Конструктор может быть пустым (не иметь исполняемых операторов), но объект будет инициализирован правильно.