Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 19.08.2004 | Доступ: платный | Студентов: 33 / 2 | Оценка: 4.16 / 3.86 | Длительность: 10:50:00
Специальности: Программист

Лекция 9: Концепция инкапсуляции и ее реализация в языке C#

< Лекция 8 || Лекция 9: 12 || Лекция 10 >
Аннотация: В данной лекции будут рассмотрены вопросы, относящиеся к идеологии, математическому основанию и обзору возможностей инкапсуляции - одной из фундаментальных концепций, на которых базируется объектно-ориентированное программирование.

Формализуем понятие инкапсуляции в рамках объектно-ориентированного подхода к программированию.

В неформальной постановке вопроса под инкапсуляцией будем понимать доступность объекта исключительно посредством его свойств и методов .

Другими словами, концепция инкапсуляции призвана обеспечивать безопасность проектирования и реализации программного обеспечения на основе локализации манипулирования объектом в областях его полей и методов .

Иначе говоря, свойствами объекта можно оперировать исключительно посредством его методов. Это замечание касается как свойств, явно определенных в описании объекта, так и свойств, унаследованных данным объектом от другого (других).

Практическая важность концепции инкапсуляции для современных языков объектно-ориентированного программирования (в том числе и для языка C#) определяется следующими фундаментальными свойствами.

Прежде всего, реализация концепции инкапсуляции обеспечивает совместное хранение данных (или, иначе, полей ) и функций (или, иначе, методов ) внутри объекта.

Как следствие, механизм инкапсуляции приводит к сокрытию информации о внутреннем "устройстве" объекта данных (или, в терминах языков ООП, свойств и методов объекта) от пользователя того или иного объектно-ориентированного приложения.

Таким образом, пользователь, получающий программное обеспечение как сервис, оказывается изолированным от особенностей среды реализации.

Рассмотрев определение понятия инкапсуляции (пока на интуитивном уровне), перейдем к описанию формализаций этой фундаментальной для объектно-ориентированного программирования концепции на основе уже известных нам формальных теорий computer science.

Оказывается, что понятие инкапсуляции вполне адекватно формализуется посредством таких теоретических формальных систем, как ламбда-исчисление А.Черча и комбинаторная логика Х.Карри.

При этом при интерпретации концепции инкапсуляции в терминах формальной системы ламбда-исчисления, в роли объектов выступают ламбда-термы, в роли свойств - связанные переменные, а в роли методов - свободные переменные.

В случае же интерпретации концепции инкапсуляции в терминах формальной системы комбинаторной логики в роли объектов выступают комбинаторы, в роли свойств - переменные, а в роли методов - комбинаторы.

Поясним более подробно реализацию механизма сокрытия информации посредством концепции инкапсуляции.

Рассмотрим в достаточно обобщенном виде схему взаимодействия объекта и данных.

Вначале представим схему такого рода для традиционного императивного языка программирования (например C и Pascal). При этом в нашем рассуждении под термином "объект" будем понимать произвольный объект языка программирования, безотносительно к концепции объектно-ориентированного программирования.

В этом случае объявления данных и процедуры обработки данных отделены друг от друга. Зачастую в ранних языках программирования описания языковых объектов и процедуры манипулирования ими выделены в особые разделы.

В этой связи принципиальным недостатком ранних императивных языков программирования является то обстоятельство, что доступ к данным может быть получен методами, которые изначально не предназначались разработчиками приложений для манипулирования этими данными. Вообще говоря, управление объектом может осуществляться посредством произвольной процедуры или функции, и у среды проектирования и реализации программного обеспечения нет возможности централизованного управления этим процессом. Такой подход к программированию, безусловно, является довольно непоследовательным и весьма небезопасным.

В отличие от предыдущей схемы, при объектно-ориентированном подходе к проектированию и реализации программного обеспечения взаимодействие объектов языка программирования и конкретизирующих его данных реализуется принципиально иным образом. По существу, объект и данные составляют единое и неделимое целое.

Прежде всего, определение (или описание свойств классов) и процедуры манипулирования этими свойствами (или методы ) для каждого объекта языка программирования при объектно-ориентированном подходе хранятся совместно.

Кроме того, среда проектирования и реализации программного обеспечения (например, Microsoft Visual Studio .NET) не предоставляет иных возможностей доступа к объекту, кроме как посредством методов, изначально предназначенных для манипулирования данным объектом.

Таким образом, концепция инкапсуляции в языках объектно-ориентированного программирования служит целям обеспечения единообразия определения, хранения и работы с информацией о языковых объектах.

Заметим, что инкапсуляция является безусловно необходимым требованием для каждого объекта.

В то же время в практике программирования степень инкапсуляции объекта (в широком значении этого слова) определяется его описанием, а также описанием порождающих его объектов (в действительности это, как правило, описания базовых и производных классов).

В этой связи в языках объектно-ориентированного программирования вводится понятие области видимости как степени доступности произвольного языкового объекта.

Применительно к языку программирования C# области видимости объектов подразделяются на следующие виды.

Общедоступные объекты описываются с помощью зарезервированного слова public и характеризуются доступностью из произвольного места программы, для которого определено пространство имен с описанием рассматриваемого объекта. При этом элементы интерфейсов и перечислений являются общедоступными ( public ) объектами по умолчанию.

С другой стороны, типы, описанные в составе пространств имен в форме классов, структур, интерфейсов, перечислений или делегатов являются по умолчанию видимыми из сборки с описанием объекта и описываются с помощью зарезервированного слова internal .

Наконец, элементы классов и структур, в частности, поля, методы, свойства и вложенные типы являются по умолчанию доступными из описаний соответствующих классов или структур и описываются с помощью зарезервированного слова private .

Проиллюстрируем обсуждение использования модификаторов областей видимости объектов ( public и private ) следующим содержательным примером фрагмента программы на языке C#:

public class Stack{
    private int[] val;    
    // private используется 
    // и по умолчанию
    private int top;    
    // private используется 
    // и по умолчанию
    public Stack(){
        ...
    }
    public void Push(int x){
        ...
    }
    public int Pop(){
        ...
    }
}

Как видно из приведенного примера, фрагмент программы на языке C# содержит описание класса стека Stack, реализованного на основе массива целочисленных элементов ( поле val ). Голова стека представляет собой целочисленное значение ( поле top ). Над стеком определены операции инициализации ( метод Stack ), а также вставки ( метод Push ) и удаления ( метод Pop ) элемента.

Как явствует из примера, класс Stack и все манипулирующие его объектами методы ( Stack, Push и Pop ) являются общедоступными ( public ), тогда как поля являются доступными локально ( private ), т.е. только из описания данного класса.

Заметим, что в приведенном выше примере фрагмента программы с описанием областей видимости использовались только базовые возможности модификаторов видимости языка программирования C#.

Оказывается, что язык программирования C# располагает механизмами реализации дополнительных (или расширенных) по сравнению с базовыми областей видимости объектов.

Рассмотрим более подробно особенности основных типов расширенных областей видимости объектов в языке программирования C#.

К числу расширенных областей видимости следует отнести доступность языковых объектов как непосредственно из класса с описанием объекта, так и из его производных классов. В данном случае для описания языкового объекта используется зарезервированное слово protected .

Кроме того, для описания доступности языкового объекта лишь из сборки с его описанием используется зарезервированное слово internal .

Наконец, для описания доступности языкового объекта непосредственно из класса с описанием данного объекта, его производных классов, а также из сборки с описанием данного объекта используется зарезервированное слово protected internal .

Проиллюстрируем обсуждение использования модификаторов расширенных областей видимости объектов ( protected и internal ) следующим содержательным примером фрагмента программы на языке C#:

class Stack {
    protected int[] values = 
        new int[32];
    protected int top = -1;
    public void Push(int x) {
        ...
    }
    public int Pop() {
        ...
    }
}
class BetterStack : Stack {
    public bool Contains(int x) {
        foreach (int y in values)
            if(x==y) 
              return true;
            return false;
        } 
}
class Client {
    Stack s = new Stack();
    ...
    s.values[0];
    ...
    // ошибка при компиляции!
}

Как видно из приведенного примера, фрагмент программы на языке C# содержит описание класса стека Stack (для хранения 32 целочисленных элементов и значением -1 в вершине), а также реализованного на его основе усовершенствованного класса стека BetterStack, дополнительно реализующего повторяющиеся элементы стека. В отличие от предыдущего примера, все поля класса стека Stack доступны как из данного класса, так и из классов, производных от него, поскольку описаны посредством ключевого слова protected .

После обсуждения использования (степеней) инкапсуляции применительно к классам в целом, рассмотрим особенности приложения данной концепции к таким фундаментальным объектам языка программирования C# как поля и константы.

Инициализация не является безусловно необходимой для полей в языке программирования C#. Тем не менее, доступ к полям и методам изначально запрещен (что соответствует использованию по умолчанию модификатора доступа private ). В случае структуры поля инициализации не подлежат.

Простейшей иллюстрацией описания поля в языке программирования C# является следующий пример, содержащий определение класса C с целочисленным полем value:

class C {
    int value = 0;
}

В случае константы инициализация также не является необходимым требованием. Тем не менее, значение константы должно быть вычислимым в процессе компиляции.

Простейшей иллюстрацией описания константы в языке программирования C# является следующий пример, содержащий определение константы size, представляющей собой целочисленное значение двойной длины ( long ):

const long size = ((long)int.MaxValue+1)/4;

Заметим, что фрагмент

...(long) ...

в правой части присваивания представляет собой явное преобразование типов языковых объектов.

< Лекция 8 || Лекция 9: 12 || Лекция 10 >