Технологии разработки программ на основе объектно-ориентированных языков программирования

Очевидно, для того, чтобы продуктивно применять объектный подход для разработки программ, необходимы языки программирования, поддерживающие этот подход, т.е. позволяющие строить описание классов объектов, образовывать данные объектных типов, выполнять операции над объектами. Одним из первых таких языков стал язык SmallTalk в котором все данные являются объектами некоторых классов, а общая система классов строится как иерархическая структура на основе предопределенных базовых классов.

Опыт программирования показывает, что любой методический подход в технологии программирования не должен применяться слепо с игнорированием других подходов. Это относится и к объектно-ориентированному подходу. Существует ряд типовых проблем, для которых его полезность наиболее очевидна, к таким проблемам относятся, в частности, задачи имитационного моделирования, программирование диалогов с пользователем. Существуют и задачи, в которых применение объектного подхода ни к чему, кроме излишних затрат труда, не приведет. В связи с этим наибольшее распространение получили объектно-ориентированные языки программирования, позволяющие сочетать объектный подход с другими методологиями. В некоторых языках и системах программирования применение объектного подхода ограничивается средствами интерфейса с пользователем (например, Visual FoxPro ранних версий).

Наиболее используемыми в настоящее время объектно-ориентированными языками являются Паскаль с объектами и Си++, причем наиболее развитые средства для работы с объектами содержатся в Си++.

 

Глава 2. Объектно-ориентированные языки программирования.

2.1. SIMULA 67

Все объектно-ориентированные языки происходят от языка Симула, разработанного в начале 60-х гг. в Norwegian Computing Centre. Синтаксис языка взят из Алгола-60. Основными новшествами были понятия объекта, класса и наследования. Симула не навязывает строгую инкапсуляцию данных и не заботится о деталях реализации. Модули можно перекомпилировать по отдельности, не меняя внешние интерфейсы. Проверка типов осуществляется во время компиляции. Сборка мусора осуществляется системой поддержки работающей программы.

Объекты могут действовать независимо друг от друга, предоставляя возможность выполнения квазипараллельных вычислений. Действие объекта можно приостановить и возобновить позже. Встроенные классы добавляют в язык средства работы со списками, графику и моделирование дискретных событий.

Переносимая система Simula (S-Port) содержит независимый пакет, состоящий из компилятора, генерирующего промежуточный язык S-code, систему поддержки работающей программы и символьного отладчика. Также есть система, зависимая от целевой машины, содержащая компилятор, транслирующий S-code в целевой код, и набор программ интерфейса. Планируется создать дополнительные средства и библиотеку предопределенных модулей.

Первая реализации на Univac 1107 появилась в начале 70-х гг. С этих пор язык был реализован на большинстве платформ, от больших ЭВМ до персоналок. В настоящее время Simula развивается и выступает на рынке под названием Simula a.s., установленным норвежской фирмой в 1984 г.

 

 

 

2.2. SMALLTALK

Smalltalk до последнего времени  был наиболее предпочтительным  языком при экспериментировании  в технологии объектно-ориентированного  программирования. В последние годы  появился дешевый компилятор C++ для  персоналок, который нарушил баланс  в сторону C++ среди первых пользователей  объектно-ориентированных систем. Smalltalk был разработан на фирме Xerox PARC в результате исследовательского  проекта, воплотив в себе ряд  идей о том, как человек может  использовать компьютер наилучшим  образом. Сюда относились использование  персональных рабочих станций, интерактивных  сред, графических интерфейсов, мыши  и объектно-ориентированного программирования. Каждая из этих идей сама  по себе имела большое значение, как внутри фирмы, так и во  всей компьютерной индустрии. В 80-х  гг. соединение этих мощных идей  в языке и системе Smalltalk-80 было  несоразмерно с малым числом  фактических пользователей.

Основной чертой языка Smalltalk является его универсальность. История языка характеризуется тремя признаками:

данные хранятся как объекты, которые освобождаются автоматически;

выполнение действий осуществляется через посылку сообщений объектам;

поведение объектов описано в классах.

В языке все является объектом. Все взаимодействия объектов осуществляются через посылки сообщений, даже сложение целых чисел: 1 +2. В этом языке 1 - это экземпляр класса целых чисел, + - имя метода, 2- аргумент. Объект 1 получает сообщение + 2 и возвращает результат 3.Состоятельность такого подхода гарантирует краткость языка и простой синтаксис. Но из-за этого увеличивается цена накладных расходов на посылку сообщений: связывание производится целиком во время работы программы. Автоматическая сборка мусора тоже вызывает проблемы быстродействия. Smalltalk не поддерживает множественное наследование.

С другой стороны, Smalltalk-80 совсем не маленький язык. Существует большая библиотека классов: более 250 классов и более 2000 методов. Работа с такой библиотекой составляет важную задачу при изучении языка, несмотря на то, что для просмотра методов и классов существуют специальные средства.

Smalltalk-80 тесно связан с  развитой средой программирования. Пользовательский интерфейс состоит  из набора экранных образов: это  прямоугольные области, содержащие  текст или графику, которые можно  перемещать по экрану, изменять  в размере, заменять меткой или  закрывать. Образы могут перекрываться  полностью или частично. Взаимодействие  с системой осуществляется с  помощью трехкнопочной мыши или  с клавиатуры. Визуальные объекты  для пользователя - это курсоры, высвечивание, меню, полоски сдвига и рамки  с подсказкой.

Основные компоненты системы активизируются внутри экранных образов. Сюда входят текстовый редактор, редактор формы и битовый редактор для создания рисунков, инспектор для проверки переменных объекта, окно просмотра системы для изучения классов и сообщений, метки окна для описания прерванного процесса и отладчики.

Smalltalk был разработан для  индивидуальной работы программиста  на персональной рабочей станции. Таким образом, эта система первоначально  была доступна только как однопользовательская. Сейчас в ней уже есть средства  поддержки коллективов программистов.

В 1981-82 гг. четырем фирмам предлагалось реализовать Smalltalk на своей аппаратуре. После этого эксперимента Smalltalk поставлялся университетам и исследовательским институтам как продукт без сопровождения. Кроме того, был выпущен ряд книг по языку и его реализации. Однако, язык не был запатентован фирмой Xerox вплоть до 1986 г. Эта фирма до сих пор контролирует рынок Smalltalk-80 с помощью отделения SIS и фирмы ParcPlace Systems. Другие продавцы имеют лицензию на продукт и его различные реализации. Исключением является фирма Digitalk, выпустившая свою собственную версию для PC - Smalltalk/V. В таблице С2.2 приведены доступные в настоящее время продукты Smalltalk.

Будущее языка Smalltalk волнует как пользователей, так и поставщиков. В августе 1987 г. была организована ассоциация разработчиков и прикладных пользователей Smalltalk - OOPSTAD. Она публикует новости HOOPLA (Hooray for Object-Oriented Languages). Работу по стандартизации взял на себя IEEE Microprocessor Standards Committee (P1152). Основное внимание он уделяет языку и базовым классам типа Number и Collection. Основные поставщики и ряд консультантов сформировали Консорциум Smalltalk в целях развития применения языка и среды и управления их технической эволюцией. Он является открытым для отдельных пользователей и корпораций.

 

2.3. Продукты, основанные на языке Си

В настоящее время объектно-ориентированные языки стремятся приблизиться к традиционным языкам (в основном к языку Си). Для этого есть ряд причин:

уже можно воспользоваться накопленным опытом программирования;

интерфейсы существующих систем намного проще;

язык более приемлем в области управления;

поставка может быть осуществлена на стандартных платформах;

гарантия переносимости между платформами.

Наибольшим потенциалом для больших коммерческих организаций обладает язык C++ фирмы AT&T. Хотя он и не имеет пока большого количества средств сопровождения, некоторые коммерческие организации уже работают над созданием сред развития языка, а другие разрабатывают дополнительные инструменты и библиотеки классов. Кроме того, несколько компаний разработали языки и инструментальные средства, основанные на языке Си. В таблице C2.3 подводятся итоги доступных продуктов, основанных на Си.

Язык С++ в основном является языком Си со специальными синтаксическими расширениями для определения и управления объектами. В нем был учтен ряд недостатков языка Си: теперь ведется проверка типов аргументов функций, можно производить макроподстановку функций. Также в него включены некоторые средства проекта стандарта Ansi C. По завершении стандарта C++ будет пересмотрен для удаления несовместимостей двух языков. Важной новой особенностью C++ является поддержка абстракции данных и объектно-ориентированного программирования. Абстракция данных поддерживается с помощью введения типов, определенных пользователем. Например, предположим, что есть новый тип данных shape, используемый в графической системе.

Это определение содержит информацию как общую, так и частную. Сначала представление фигуры shape определяется двумя элементами частных данных - центром и цветом. Затем идет интерфейс, содержащий общую информацию. Пользователь может получить координаты центра, перемещать центр фигуры в данную точку, рисовать фигуру и вращать ее. Функции draw() и rotate() нельзя определить для абстрактного типа shape. Они называются виртуальными функциями и определяются позже для каждой специфической фигуры: окружности, треугольника или квадрата. Каждая из них определяется оператором class. Это означает, что, например, новый тип данных circle является производным класса shape, который называется его базовым классом. Производный класс наследует свойства базового класса.

Объектно-ориентированное программирование поддерживается в языке С++ в основном реализацией наследования методом задания взаимодействия типов данных [Stroustrup 1988].

С++ не поддерживает автоматическую сборку мусора: размещение и освобождение памяти осуществляется функциями конструктора и деструктора. При нормальном вызове функции происходит статическое связывание, определяемое во время компиляции. Динамическое связывание реализовано как вызов виртуальной функции, где вызываемая функция зависит от типа объекта и не может быть определена до выполнения программы. Некоторые версии С++ поддерживают множественное наследование.

Хотя С++ поддерживает объектно-ориентированное программирование, он не навязывает его. Можно игнорировать объектные расширения и просто писать обычные программы языка Си. Это преимущество с точки зрения совместимости двух языков и основная причина повышенного интереса к С++ в разработке ПО. С другой стороны, могут возникнуть недоумения по поводу того, в какой степени С++ можно считать объектно-ориентированным языком. Более того, трудно оценить, какая часть рынка языка отражает уникальный поворот сообщества Си в сторону ООС. Есть признаки, что при соответствующем курсе С++ отойдет от объектно-ориентированного сообщества: в 1988 ассоциацией пользователей UNIX (Usenix) была созвана отдельная конференция по С++, а также был создан новый журнал The C++ Report издателями журнала Journal of Object-Oriented Programming.

С++ - это язык программирования, а не среда разработки программ типа Smalltalk. Поэтому ему нужны средства поддержки работы программиста: сюда входят расширения существующих средств языки Си (редакторы, отладчики) и средства поддержки работы с объектами (окна просмотра классов). В свою очередь, эти средства должны соединяться со средой программирования. Быстрый рост рынка С++ предоставляет хорошие перспективы продавцам, имеющим продукты для С++. К ним относятся, например, существующие продавцы компиляторов и трансляторов С++. Один из интересных проектов в этой области - соглашение между ParcPlace Systems и Glockenspiel о разработке Cynergy - версии среды Smalltalk, поддерживающей программы на С++.

AT&T поставляет транслятор, обрабатывающий программу на  С++ и генерирующий исходный код Ansi C, который затем компилируется  нормальным образом. Транслятор  пока еще остается продуктом AT&T без сопровождения. Лицензию можно  купить прямо на фирме. Кроме  этого, транслятор перенесен на  разнообразные платформы фирмой Glockenspiel (Дублин). Несколько организаций  имеют подлицензии: Oasys для рабочих  станций (Sun, Apollo), Guidelines и Lifeboat для IBM PC.

Две другие фирмы, Zortech и Oregon Software, недавно выпустили компиляторы С++. Они больше основаны на справочном руководстве [Stroustrup 1986], а не на исходных текстах, и не имеют лицензии от AT&T.

 

2.3.1. OBJECTIVE-C

Другим ведущим продавцом продуктов, основанных на Си, является Stepstone, бывший PPI. Objective-C - это гибридный язык, состоящий из подмножества Ansi C и основных положений Smalltalk-80. Тексты программ могут содержать чистые операторы языка Си или объектно-ориентированные конструкции. Объекты задаются новым типом данных, называемым id. Сообщения посылаются объектам с помощью модифицированной версии синтаксиса языка Smalltalk. Новые объекты создаются посылкой сообщения new специальному типу объекта, называемому объектом-производителем.

Компилятор Objective-C генерирует исходный текст на языке Си. По умолчанию используется динамическое связывание методов, однако, для повышения надежности и эффективности можно выбрать статическое связывание.

Кроме компилятора, фирма Stepstone предоставляет (необязательно) интерактивную среду программирования Objective-C Interpreter. Она поддерживает целый ряд бычных действий программиста: написание программ, компиляцию, связывание, тестирование и отладку. Она включает команды для вычисления выражений, вывода данных, установки контрольных точек, поиска каталогов файла, редактирования командного файла, проверки объектов, вывода иерархии классов и наследуемых методов.

Также предоставляется две библиотеки классов для поддержки основного и графического пользовательского интерфейса.