36 - Objektová orientace

• rozšiřuje modulární jazyky jazyky o možnost spojit konkrétní data s operacemi
• využívá dekompozici do modulů - tvoří samostatné celky, které tvoří objektově orientovaný systém
• hlavní 3 výhody objektové orientace:
  1. analogie mezi softwarovým modelem a reálným modelem
  2. flexibilita takovýchto softwarových modelů
  3. jejich znovupoužitelnost
• OO jazyky: Simula 67, Smalltalk 72 a 80, C++, Java, C#, PHP, Python, Lisp, …
  1. čistě objektové jazyky - Smalltalk, Ruby, Python
  2. hybridni jazyky - objektově orientované - založeny na imperativním progragramování, částečně implementují vlastnosti objektového programování - C++, Java
     1. mají základní kořenovou třídu (Java - třída Object)
     2. nemají základní třídu (C++)
  3. objektové rozšíření původně neobjektových jazyků - Object Pascal

• na těchto pojmech/metodách je objektově orientované programování založeno
• Objekt, Abstrakce, Zapouzdření, Polymorfismus, Dědičnost

• entita
  1. zapouzdřující stavové informace (data reprezentovaná dalšími objekty)
     • vlastnosti objektu
     • instanční proměnné, atributy
  2. poskytující sadu operací nad tímto objektem nebo jeho částmi
     • chování objektu
     • komunikují mezi sebou pomocí zpráv (základní komunikační jednotka)
     • odesilatel (posílá zprávu), příjemce (reaguje na zprávu vhodnou metodou)
     • množina zpráv, kterým objekt rozumí je protokol/rozhraní objektu
• spojuje tyto dvě základní části do jednoho celku
• základní jednotka modularity i struktury v OO programu

• až OOP nás nuní tyto dvě věci přísněji rozlišovat
  1. shoda (==) - říká nám, zda jsou objekty obsahově stejné
  2. identita (===) - říká nám, zda se jedná o ukazatele na ten samý objekt

• schopnost programu zjednodušit některé aspekty informací / vlastnosti objektů, se kterými program pracuje
• černá skříňka - pracujeme s ní pomocí definovaného rozhraní, ale už nás nezajímá, jak byla vytvořena a co je v ní
• variant/invariant - část programu, kde se hodnoty proměnných mění/nemění při opakovaném průchodu této časti kódu

• mechanismus, kterým se dá docílit definování, které metody a proměnné budou komu přístupné
• tímto mechanismem podrobněji konfigurujeme koncept zapouzdření
• podle jazyka UML známe tři základní modifikátory
  1. soukromý (private) - přístupné pouze z metod stejné třídy
  2. chráněný (protected) - přístupné pouze ze stejné třídy + tříd odděděných
  3. veřejný (public) - dostupné všude
  4. existují i další internal, friend, …

• souvisí s abstrakcí
• uživatel nemůže měnit interní stav objektů libovolným (tedy i neočekávaným) způsobem, ale musí k tomu využívat poskytované rozhraní (operace nad objektem)
• každý objekt má protokol, který definuje, jak komunikovat s objektem

• mnohotvárnost
• reakce na stejnou zprávu se liší v závislosti na objektu, kterému byla zaslána
• využívá se u rozhraní (Interface), kde více tříd implementuje jedno rozhraní

• existuje i polymorfismus, kde posíláme jednomu objektu zprávy, které se liší pouze v parametrech (parametrický polymorfismus)

• další možnost polymorfismu je polymorfismus operátorů

• při překladu nemusí být zřejmé díky polymorfismu s jakým typem objektu budeme pracovat ⇒ časná/statická vazba
• ⇒ to může mít za následek, že nemusíme zvolit správnou metodu (pracujeme s objekty na abstraktní úrovni)
• ⇒ je třeba identifikovat potřebnou metodu až za běhu programu, kdy je nutné ji invokovat ⇒ pozdní/dynamická vazba
• ⇒ k implementaci se používají VMT - tabulky virtuálních metod ⇒ každá instance třídy, která obsahuje virtuální metody, obsahujeodkaz do VMT
• ⇒ VMT obsahuje ukazatele na konkrétní metody, které jsou pro daný typ platné
• u dynamický typovaných OO jazyků jsou všechny metody virtuální

• způsob, jak implementovat sdílené chování
• v případech, kdy chceme rozšířit nějakou třídu o dané vlastnosti
• reflexivní, tranzitivní (dědí hierarchicky všechny třídy) a antisymetrická relace

• metoda/klíčové slovo super ⇒ požívá se např. v konstruktoru více specifické třídy, kdy se odkazujeme na třídu, z které dědí (voláme konstruktor děděné třídy)
• typy dědičnosti:
  1. vícenásobná
  • možnost dědit více tříd najednou
  • má více nevýhod než výhod (konflikty jmen, pořadí kon/destruktorů)
  • C++
  1. jednoduchá
  • možnost dědit pouze jednu třídu
  • řeší problém konfliktů jmen
  • nemožnost dědičnosti více tříd se zajistí pomocí implementace rozhraní, kde počet není omezen
  • Java
• co dědíme:
  1. dědičnost implementace (Java - extends) - rozšíření třídy ⇒ přebíráme už nadefinované metody
  2. dědičnost rozhraní (Java - implements) - nutí nás implementovat dané metody
• redefinice metody - přepsání třídy - viz. polymorfismus

• schéma, které deklaruje seznam metod (jména, parametry, návratové typy)
• použití rozhraní na jistou třídu pak vynucuje implementaci všech metod uvedených v rozhraní ⇒ rozhraní nám může vynutit, co je třeba naimplementovat
• každé třídě uvést několik rozhraní

• ve většině případů požadujeme, aby nějaká množina objektů rozuměla stejným zprávám ⇒ je nepraktické mít v každém objektu znova implementované ty samé metody ⇒ výhodnější je naprogramovat šablonu
• máme dvě možnosti:
  1. class-based - třídní jazyky (třídně orientované)
  2. object-based - prototypovací jazyky (prototypově orientované)

• zavádí pojem třída
  • metadata objektu
  • šablona (otisk), podle níž mohou být vytvářeny objekty (instance této třídy)
  • stará se také o správu protokolu objektu, směrování zpráv a obsahuje implementace některých
• po zavedení pojmu třída lze na dědičnost nahlížet jako na vytváření podtypů a nadtypů

• proces vytváření konkrétního objektu (instance) podle nějaké třídy
• po vytvoření objektu je třeba zavolat konstruktor (často metoda/klíčové slovo new)

metod ⇒ inicializuje datové položky objektu

• vytváření kopií objektů:
  1. hluboká - kromě objektu samotného jsou kopírovány i obkekty, které instanční proměnné objektu referencují
  2. mělká - hluboká kopie hloubky 0 - kopíruje jenom objekt samotný

• proces rušení objektů/instancí
• zde máme opět dvě metody:
  1. automaticky
     • stará se o to garbage collector
     • jednou za čas se vyhledají objekty, na které už neexistuje žádný odkaz
     • těsně před zrušením se může zavolat metoda finalizace - zajistí úklid
     • Java
  2. manuálně
     • o uvolňování se musíme starat sami
     • používá se destruktor
     • v případě špatného uvolňování vznikají úbytky paměti - memory leaks
     • C++

• je třeba rozlišovat mezi:
  1. instančními proměnnými a metodami
  • každý objekt má svou hodnotu proměnných
  • na zprávy reaguje daný objekt
  1. třídními proměnnými a metodami
  • posíláme zprávy třídě a nemusíme mít přitom vytvořený žádný objekt
  • daná proměnná je pouze jedna - nevztahuje se k danému objektu ale třídě

• nejdůležítějšími vlastnostmi jsou zapozdření a polymorfismus
• znají pouze jediný typ objektů a nevyčleňují objekty, které by reprezentovaly nějakou třídu
• nerozlišuje se mezi entitami a třídami (Static)
  • jsou pouze objekty, které obsahují členské proměnné a metody ⇒ tyto složky se nazývají Sloty
  • pokud je objektu poslaná zpráva, prozkoumá množinu svých slotů
• nové objekty se vytváří mělkým kopírováním již existujících (klonováním)
• objekty mohou obsahovat rodičovské sloty
  • ukazatele na objekt, z kterých byly vytvořeny
  • při volání metody objekt nejprve projde své sloty a pokud nenajde, odkáže se přes rodičovský slot na rodičovský objekt (delegace) ⇒ po nalezení slotu (metody) je spuštěn kód ⇒ jako příjemce je označen objekt, který delegaci provedl
• třídy se sdíleným chováním lze nahradit rysy
  • objekty, které obsahují pouze metody
  • nové objekty mají v rodičovském slotu ukazatele na rys
  • provázáním rysů lze řešit dědičnost (některé jazyky umožňují mít více rodičovských slotů)
  • jelikož sloty jde dynamicky měnit, lze dosáhnout dynamické dědičnosti
• k plnému nahrazení tříd nám ovšem rysy nestačí - je třeba zavést prototypy
  • řeší problém instančních proměnných, kde každý objekt musí mít jejich samotnou kopii
  • rys je doplněn objektem (šablonou), který:
    1. obsahuje sloty instančních proměnných s defaultními hodnotami
    2. ve svém rodičovském slotu odkazuje daný rys
  • nová instance se vytvoří nakopírováním dané šablony (viz obrázek)
• jazyk SELF (1986) - dialekt Smalltalku založený na prototypech
• JavaScript - od SELFu se značně odlišuje
• vhodné pro názorné a vizuální modelování, prototypování a programování
• nevýhoda jazyků - vyšší režie

• jako u formálních jazyků není nezbytný pro návrh OO jazyka
• lze rozdělit do dvou částí
  1. syntaxe
     • popisována pomocí kombinace (E)BNF - (Extended) Backus-Naurova forma, bezkontextových gramatik a slovního popisu s příklady
     • dáno tím, že syntaxe je podobná modulárním jazykům - pár klíčových slov navíc
  2. sémantika
     • zásadní změny oproti modulárním jazykům
     • velmi složitá na popis formální, proto používá spíše slovní popis a příklady

<if-stmt>
::= if <condition> then <stmts> <else-if>
<else-if>
::= endif ;
| else <stmts> endif ;
| <elsif> <else-if>

• sigma kalkul
• jeden z formálních popisů OOJ
• pro popis syntaxe a sémantiky
• stručný popis zde (zdroj - FIT-server)

• další možný formalismus
• grafický jazyk
• více zde

• ukládá popis každé třídy do speciálního prostoru
• vytváří graf závislostí jednotlivých tříd a poté je lineárně uspořádává ⇒ na to nemusí stačit jeden průchod
• náročná je práce s jmennými prostory a modifikátory viditelnosti
• fáze:
  1. lexikální a syntaktická analýza - podobná úroveň jako u modulárních jazyků
  2. sémantická analýza - oproti modulárním jazykům mnohem náročnější
     • kontrola implicitního přetypování (Časná a pozdní vazba)
     • kontrola explicitního přetypování objektu (Polymorfismus)
     • Modifikátory viditelnosti
• interpret
  • k práci potřebujeme workspace - uchováváme si v něm všechny objekty, s kterými se pracuje

• vyšší míra abstrakce
• jednodušší dekompozice problému
• přirozenější práce (modelujeme reálné objekty)
• udržovatelnost a rozšiřitelnost
• znovupoužitelnost

• v některých oblastech neexistuje analogie s reálnými objekty a pak je obtížné určit a definovat intuitivně ty softwarové
• složitější sémantika - více času na naučení
• nemožnost porušovat koncepci zapouzdření (obchází se Modifikátory viditelnosti)
• výsledný generovaný kód je pomalejší
• režie na uložení objektů v paměti (např. odkaz na třídu objektu)