ПИТОН. Язык Python 46. Что такое ооп
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 1 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 Глава 7. Объектно-ориентированное программирование Язык Python § 46. Что такое ООП? Как вы знаете, работа первых компьютеров сводилась к вычислениям по заданным форму- лам различной сложности. Число переменных и массивов в программе было невелико, так что программист мог легко удерживать в памяти все взаимосвязи между ними и детали алгоритма. С каждым годом производительность компьютеров росла, и человек «поручал» им все бо- лее и более трудоёмкие задачи. Компьютеры следующих поколений стали использоваться для создания сложных информационных систем (например, банковских) и моделирования процессов, происходящих в реальном мире. Новые задачи требовали более сложных алгоритмов, объем про- грамм вырос до сотен тысяч и даже миллионов строк, число переменных и массивов измерялось в тысячах. Программисты столкнулись с проблемой сложности, которая превысила возможности чело- веческого разума. Один человек уже не способен написать надёжно работающую серьезную про- грамму, так как не может «охватить взором» все её детали. Поэтому в разработке большинства современных программ принимает участие множество специалистов. При этом возникает новая проблема – нужно разделить работу между ними так, чтобы каждый мог работать независимо от других, а потом готовую программу можно было бы собрать вместе из готовых блоков, как из ку- биков. Как отмечал известный нидерландский программист Эдсгер Дейкстра, человечество еще в древности придумало способ управления сложными системами: «разделяй и властвуй». Это озна- чает, что исходную систему нужно разбить на подсистемы (выполнить декомпозицию) так, чтобы работу каждой из них можно было рассматривать и совершенствовать независимо от других. Для этого в классическом (процедурном) программировании используют метод проектиро- вания «сверху вниз»: сложная задача разбивается на части (подзадачи и соответствующие им алго- ритмы), которые затем снова разбиваются на бо- лее мелкие подзадачи и т.д. Однако при этом за- дачу «реального мира» приходится переформули- ровать, представляя все данные в виде перемен- ных, массивов, списков и других структур данных. При моделировании больших систем объем этих данных увеличивается, они становятся плохо управляемыми, и это приводит к большому числу ошибок. Так как любой алгоритм может обра- титься к любым глобальным (общедоступным) данным, повышается риск случайного недопусти- мого изменения каких-то значений. В конце 60-х годов XX века появилась новая идея – применить в разработке программ тот подход, который использует человек в повседневной жизни. Люди воспринимают мир как мно- жество объектов – предметов, животных, людей – это отмечал еще в XVII веке французский ма- тематик и философ Рене Декарт. Все объекты имеют внутреннее устройство и состояние, свойства (внешние характеристики) и поведение. Чтобы справиться со сложностью окружающего мира, люди часто игнорируют многие свойства объектов, ограничиваясь лишь теми, которые необходи- мы для решения их практических задач. Такой прием называется абстракцией. Для разных задач существенные свойства могут быть совершенно разные. Например, услы- шав слово «кошка», многие подумают о пушистом усатом животном, которое мурлыкает, когда его гладят. В то же время ветеринарный врач представляет скелет, ткани и внутренние органы Абстракция – это выделение существенных характеристик объекта, отличающих его от других объектов. подзадача 1 подзадача 3 подзадача 2.1 подзадача 2.2 подзадача 2.3 подзадача 2 задача Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 2 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 кошки, которую ему нужно лечить. В каждом из этих случаев применение абстракции дает разные модели одного и того же объекта, поскольку различны цели моделирования. Как применить принцип абстракции в программировании? Поскольку формулировка задач, решаемых на компьютерах, все более приближается к формулировкам реальных жизненных за- дач, возникла такая идея: представить программу в виде множества объектов (моделей), каждый из которых обладает своими свойствами и поведением, но его внутреннее устройство скрыто от других объектов. Тогда решение задачи сводится к моделированию взаимодействия этих объек- тов. Построенная таким образом модель задачи называется объектной. Здесь тоже идет проек- тирование «сверху вниз», только не по алгоритмам (как в процедурном программировании), а по объектам. Если нарисовать схему такой декомпозиции, она представляет собой граф, так как ка- ждый объект может обмениваться данными со всеми другими: Здесь А, Б, В и Г – объекты «верхнего уровня»; Б1, Б2 и Б3 – подобъекты объекта Б и т.д. Для решения задачи «на верхнем уровне» достаточно определить, что делает тот или иной объект, не заботясь о том, как именно он это делает. Таким образом, для преодоления сложности мы используем абстракцию, то есть сознательно отбрасываем второстепенные детали. Если построена объектная модель задачи (выделены объекты и определены правила обме- на данными между ними), можно поручить разработку каждого из объектов отдельному про- граммисту (или группе), которые должны написать соответствующую часть программы, то есть определить, как именно объект выполняет свои функции. При этом конкретному разработчику не обязательно держать в голове полную информацию обо всех объектах, нужно лишь строго со- блюдать соглашения о способе обмена данными (интерфейсе) «своего» объекта с другими. Программирование, основанное на моделировании задачи реального мира как множества взаимодействующих объектов, принято называть объектно-ориентированным программировани- ем (ООП). Более строгое определение мы дадим немного позже. 1. Почему со временем неизбежно изменяются методы программирования? 2. Что такое декомпозиция, зачем она применяется? 3. Что такое процедурное программирование? Какой вид декомпозиции в нём используется? 4. Какие проблемы в программировании привели к появлению ООП? 5. Что такое абстракция? Зачем она используется в обычной жизни? 6. Объясните, как связана абстракция с моделированием. 7. Какой вид декомпозиции используется в ООП? 8. Какие преимущества дает объектный подход в программировании? 9. Что такое интерфейс? Приведите примеры объектов, у которых одинаковый интерфейс и разное устройство. § 47. Объекты и классы Как мы увидели в предыдущем параграфе, для того, чтобы построить объектную модель, нужно ? Контрольные вопросы А Б Б1 Б2 Б3 В В1 В2 В3 Г Г1 Г2 Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 3 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 • выделить взаимодействующие объекты, с помощью которых можно достаточно полно опи- сать поведение моделируемой системы; • определить их свойства, существенные в данной задаче; • описать поведение (возможные действия) объектов, то есть команды, которые объекты мо- гут выполнить. Этап разработки модели, на котором решаются перечисленные выше задачи, называется объектно-ориентированным анализом (ООА). Он выполняется до того, как программисты напи- шут самую первую строчку кода, и во многом определяет качество и надежность будущей про- граммы. Рассмотрим объектно-ориентированный анализ на примере простой задачи. Пусть нам не- обходимо изучить движение автомобилей на шоссе, например, для того, чтобы определить, дос- таточна ли его пропускная способность. Как построить объектную модель этой задачи? Прежде всего, нужно разобраться, что такое объект. Состояние объекта определяет его возможное поведение. Например, лежачий человек не может прыгнуть, а незаряженное ружье не выстрелит. В нашей задаче объекты – это дорога и двигающиеся по ней машины. Машин может быть несколько, причем все они с точки зрения нашей задачи имеют общие свойства. Поэтому нет смысла описывать отдельно каждую машину: достаточно один раз определить их общие черты, а потом просто сказать, что все машины ими обладают. В ООП для этой цели вводится специальный термин – класс. Например, в рассматриваемой задаче можно ввести два класса – Дорога и Машина. По ус- ловию дорога одна, а машин может быть много. Будем рассматривать прямой отрезок дороги, в этом случае объект «дорога» имеет два свойства, важных для нашей задачи: длину и число полос движения. Эти свойства определяют со- стояние дороги. «Поведение» дороги может заключаться в том, что число полос уменьшается, например, из-за ремонта покрытия, но в нашей простейшей модели объект «дорога» не будет из- меняться. Схематично класс Дорога можно изобразить в виде прямоугольника с тремя секциями: в верхней записывают название класса, во второй части – свойства, а в третьей – возможные действия, которые называют методами. В нашей модели дороги два свойства и ни одного метода. Теперь рассмотрим объекты класса Машина. Их важнейшие свойства – ко- ординаты и скорость движения. Для упрощения будем считать, что • все машины одинаковы; • все машины движутся по дороге слева направо с постоянной скоростью (скорости разных машин могут быть различны); • по каждой полосе движения едет только одна машина, так что можно не учитывать обгон и переход на другую полосу; • если машина выходит за правую границу дороги, вместо нее слева на той же полосе появ- ляется новая машина. Не все эти допущения выглядят естественно, но такая простая модель позволит понять ос- новные принципы метода. Объектом можно назвать то, что имеет четкие границы и обладает состоянием и поведением. Класс – это множество объектов, имеющих общую структуру и общее поведение. длина ширина Дорога длина ширина Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 4 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 За координаты машины можно принять расстояние X от левого края рассматриваемого уча- стка шоссе и номер полосы P (натуральное число). Скорость автомобиля V в нашей модели – не- отрицательная величина. Теперь рассмотрим поведение машины. В данной модели она мо- жет выполнять всего одну команду – ехать в заданном направлении (на- зовём её «двигаться»). Говорят, что объекты класса Машина имеют ме- тод «двигаться». Другими словами, метод – это некоторое действие, которое могут выпол- нять все объекты класса. Пока мы построили только модели отдельных объектов (точнее, классов). Чтобы моделиро- вать всю систему, нужно разобраться, как эти объекты взаимодействуют. Объект-машина должен уметь «определить», что закончился рассматриваемый участок дороги. Для этого машина должна обращаться к объекту «дорога», запрашивая длину дороги (см. стрелку на схеме). Такая схема определяет • свойства объектов; • операции, которые они могут выполнять; • связи (обмен данными) между объектами. В то же время мы пока ничего не говорили о том, как устроены объекты и как именно они будут выполнять эти операции. Согласно принципам ООП, ни один объект не должен зависеть от внутреннего устройства и алгоритмов работы других объектов. Поэтому, построив такую схему, можно поручить разработку двух классов объектов двум программистам, каждый из которых мо- жет решать свою задачу независимо от других. Важно только, чтобы все они четко соблюдали ин- терфейс – правила, описывающие взаимодействие «своих» объектов с остальными. 1. Какие этапы входят в объектно-ориентированный анализ? 2. Что такое объект? 3. Что такое класс? Чем отличаются понятия «класс» и «объект»? 4. Что такое метод? 5. Как изображаются классы на диаграмме? 6. Почему при объектно-ориентированном анализе не уточняют, как именно объекты будут устроены и как они будут решать свои задачи? 1. Подумайте, какими свойствами и методами могли бы обладать следующие объекты: Ученик, Учитель, Школа, Экзамен, Турнир, Урок, Страна, Браузер. Придумайте свои классы объектов и выполните их анализ. Метод – это процедура или функция, принадлежащая классу объектов. Задачи ? Контрольные вопросы X P V Дорога длина ширина Машина X (координата) P (полоса) V (скорость) двигаться узнать длину Машина X (координата) P(полоса) V (скорость) двигаться Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 5 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 2. Добавьте в рассмотренную модель светофоры (на дороге их может быть много). Подумайте, какие свойства и методы должны быть у объектов класса Светофор. Как могут быть связаны классы Дорога, Светофор и Машина (сравните разные варианты)? 3. Придумайте свою задачу и выполните её объектно-ориентированный анализ. Примеры: мо- делирование работы магазина, банка, библиотеки и т.п. § 48. Создание объектов в программе Класс Дорога Объектно-ориентированная программа начинается с описания классов объектов. Класс в программе – это новый тип данных. Как и структура (см. главу 6), класс – это составной тип дан- ных, который может объединять переменные различного типа в единый блок. Кроме того, класс обычно содержит не только данные, но и методы работы с ними (процедуры и функции). В нашей программе самый простой класс – это Дорога (англ. road). Объекты этого класса имеют два свойства (в Python они называются атрибутами): длину (англ. length), которая может быть вещественным числом, и ширину (англ. width) – количество полос, целое число. Для хране- ния значений свойств используются переменные, принадлежащие объекту, которые называются полями. Значения полей описывают состояние объекта (а методы – его поведение). Простейшее описание класса Дорога в программе на Python выглядит так: class TRoad: pass Эти строчки вводят новый тип данных – класс TRoad 1 , то есть сообщают компилятору, что в про- грамме, возможно, будут использоваться объекты этого типа. При этом в памяти не создается ни одного объекта. Это описание – как чертёж, по которому в нужный момент можно построить сколько угодно таких объектов. Чтобы создать объект класса TRoad, нужно вызвать специальную функцию без параметров, имя которой совпадает с именем класса: road = TRoad() Созданный объект относится к классу TRoad, поэтому его называют экземпляром классаTRoad. При описании класса мы ничего не говорили о функции, которую только что вызвали. Она добавляется транслятором ко всем классам автоматически и называется конструктором. У каждого объекта класс TRoad должно быть два поля (длина и ширина), которые мы сразу заполним нулями. Для этого нужно определить свой конструктор – метод класса с именем __init__ (от англ. initialization – начальные установки). class TRoad: def __init__ ( self ): # конструктор self.length = 0 self.width = 0 Первый параметр конструктора (как и любого метода класса) в Python – это ссылка на сам объект, который создаётся. По традиции он всегда называется self (от англ. self – «сам»). С помощью этой ссылки мы обращаемся к полям объекта, например, self.length означает «поле length текущего объекта». Если вместо этого написать просто length, транслятор будет считать, что речь идет о локальной или глобальной переменной, а не о поле объекта. В этом конструкторе создаются и заполняются нулями два поля (атрибута) объекта – длина length и ширина width. Свойства дороги можно изменить с помощью точечной записи, с которой вы познакоми- лись, работая со структурами: 1 Буква T в начале названия класса – это сокращение от слова type. Поле – это переменная, принадлежащая объекту. Конструктор – это метод класса, который вызывается для создания объекта этого класса. Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 6 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 road.length = 60 road.width = 3 Полная программа, которая создает объект «дорога» (и больше ничего не делает) выглядит так: class TRoad: def __init__ ( self ): # конструктор self.length = 0 self.width = 0 road = TRoad() road.length = 60 road.width = 3 Начальные значения полей можно задавать прямо при создании объекта. Для этого нужно изменить конструктор, добавив два параметра – начальные значения длины и ширины дороги: class TRoad: def __init__ ( self, length0, width0 ): # конструктор if length0 > 0 : self.length = length0 else : self.length = 0 if width0 > 0: self.width = width0 else : self.width = 0 В этом конструкторе проверяется правильность переданных параметров, чтобы по ошибке длина и ширина дороги не оказались отрицательными. Теперь создавать объект будет проще: road = TRoad ( 60 , 3 ) Длина этой дороги – 60 единиц, она содержит 3 полосы. Обратите внимание, что мы передали только два параметра, а не три, как указано в заголовке метода __init__. Параметр self, ко- торый указан самым первым, транслятор подставляет автоматически. Таким образом, класс выполняет роль «фабрики», которая при вызове конструктора «вы- пускает» (создает) объекты «по чертежу» (описанию класса). Класс Машина Теперь можно описать класс Машина (в программе назовём его TCar). Объекты класса TCar имеют три свойства: координата X, скорость V и номер полосы P: class TCar: def __init__ ( self, road0, p0, v0 ): # конструктор self.road = road0 self.P = p0 self.V = v0 self.X = 0 Так как объекты-машины должны обращаться к объекту «дорога», в область данных включено дополнительное поле road. Конечно, это не значит, что в состав машины входит дорога. Напом- ним, что это только ссылка, в которую сразу после создания объекта-машины нужно записать ад- рес заранее созданного объекта «дорога». Для того, чтобы машина могла двигаться, нужно добавить к классу один метод – процедуру move: class TCar: def __init__ ( self, road0, p0, v0 ): # конструктор self.road = road0 self.P = p0 self.V = v0 self.X = 0 def move ( self ): # движение машины self.X += self.V if self.X > self.road.length: Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 7 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 self.X = 0 Первый параметр метода move, как и у любого метода класса в Python, называется self (ссылка на сам объект), других параметров нет, поэтому при вызове этого метода никаких данных ему пе- редавать не нужно. В методе move вычисляется новая координата X машины и, если она находится за предела- ми дороги, эта координата устанавливается в ноль (машина появляется слева на той же полосе). Изменение координаты при равномерном движении описывается формулой t V X X Δ ⋅ + = 0 , где 0 X и X – начальная и конечная координаты, V – скорость, а t Δ – время движения. Вспом- ним, что любое моделирование физических процессов на компьютере происходит в дискретном времени, с некоторым интервалом дискретизации. Для простоты мы измеряем время в этих ин- тервалах, а за скорость V принимаем расстояние, проходимое машиной за один интервал. Тогда метод move описывает изменение положения машины за один интервал ( 1 = Δt ). Основная программа После определения классов в основной программе создаем массив (список) объектов- машин, каждую из них «связываем» с ранее созданным объектом «Дорога»: N = 3 cars = [] for i in range (N): cars. append ( TCar(road, i+ 1 , 2 *(i+ 1 )) ) При вызове конструктора класса TCar задаются три параметра: адрес объекта «дорога» (его нуж- но создать до выполнения этого цикла), номер полосы и скорость. В приведенном варианте ма- шина c номером i идет по полосе с номером i+1 (считаем, что полосы нумеруются с единицы) со скоростью 2⋅(i+1) единиц за один интервал моделирования. Сам цикл моделирования получается очень простой: на каждом шаге вызывается метод move для каждой машины: for k in range ( 100 ): # 100 шагов for i in range (N): # для каждой машины cars[i].move() В данном случае выполнено 100 шагов моделирования. Теперь можно вывести на экран коорди- наты всех машин: ( "После 100 шагов:" ) for i in range (N): ( cars[i].X ) Можно ли было написать такую же программу, не использую объекты? Конечно, да. И она получилась бы короче, чем наш объектный вариант (с учетом описания классов). В чем же пре- имущества ООП? Мы уже отмечали, что ООП – это средство разработки больших программ, моде- лирующих работу сложных систем. В этом случае очень важно, что при использовании объектного подхода • объекты реального мира проще всего описываются именно с помощью понятий «объект», «свойства», «действия» (методы); • основная программа, описывающая решение задачи в целом, получается простой и понят- ной; все команды напоминают действия в реальном мире («машина № 2, вперед!»); • разработку отдельных классов объектов можно поручить разным программистам, при этом каждый может работать независимо от других; • если объекты Дорога и Машина понадобятся в других разработках, можно будет легко ис- пользовать уже готовые классы. 1. Что такое поле? 2. Как объявляется класс объектов в программе? ? Контрольные вопросы Информатика и ИКТ, 11 класс К.Ю. Поляков, Е.А. Еремин 8 http://kpolyakov.spb.ru 21.04.2017 3. Как в памяти создается экземпляр класса (объект)? 4. Что такое конструктор? 5. Что такое точечная запись? Как она используется при работе с объектами? 6. Какими способами можно задать начальные значения для полей объекта? 7. Сравните преимущества и недостатки решения рассмотренной задачи «классическим» спо- собом и с помощью ООП. Сделайте выводы. 1. Добавьте в программу операторы, позволяющие изобразить на экране перемещение машин (в текстовом или графическом режиме). Подумайте, какие методы можно добавить для это- го в класс TCar. 2. *Добавьте в модель светофор, который переключается автоматически по программе (на- пример, 5 с горит красный свет, затем 1 с – жёлтый, потом 5 с – зеленый и т.д.). Измените классы так, чтобы машина запрашивала у объекта Дорога местоположение ближайшего све- тофора, а затем обращалась к светофору для того, чтобы узнать, какой сигнал горит. Машины должны останавливаться у светофора с запрещающим сигналом. |