Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 1

Transcription

1 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 1 Teema 0 Objektorienteeritud programmeerimise juured Filosoofiliselt väljendudes on objektorienteeritud programmeerimine (OOP) programmeerimiskontseptsioon, mis on võtnud üle struktuurprogrammeerimise paremad omadused ning kombineerinud neid paljude teiste efektiivsete kontseptsioonidega. Kokkuvõttes annab see võimaluse muuta programmide loomine märksa efektiivsemaks. Muidugi, alati ei pruugi see ka sajaprotsendiliselt nii olla (vt. ka OOP kriitika). Laias laastus võib OOP iseloomustamiseks öelda, et kui kasutada programmeerimisel objektorienteeritud lähenemist, siis kogu programm jaotatakse loogilisteks komponentideks objektideks. Objekt sisaldab temale iseloomulikku komplekti andmeid, mida sageli nimetatakse objekti atribuutideks ja funktsioone nende andmetega manipuleerimiseks. Viimaseid kutsutakse objekti meetoditeks. Hulk objekti meetodeid võib välismaailmale täiesti nähtamatud olla välismaailmal pole vaja teada nende olemasolu. Samuti pole välismaailmal vaja teada, kuidas üks või teine meetod mingid tegevused realiseerib. Selles osas võib objekti võrrelda musta kastiga. Kokkuvõttes on nii võimalik vähendada konkreetse programmi nähtavat keerukust. Kerge irooniaga võib väita, et objektorienteeritus on muutunud programmeerimismaailma moesõnaks peaaegu igaüks räägib sellest ja peaaegu igaüks teeb peaaegu kõike objektorienteeritult. Vähemalt tegija enese sõnade järgi :) Tegelikus programmeerimistöös ei ole mõtet jahtida objektorienteeritust kui niisugust objektorienteerituse kui niisuguse pärast. OOP annab efekti eelkõige suurte ja keeruliste süsteemide loomisel. Kui võrrelda OOP-d vana hea struktuurprogrammeerimisega, siis sageli väljendatakse nende erinevust järgmise lausega: Struktuurprogrammeerimises on primaarsed funktsioonid ja andmed sekundaarsel kohal, objektorienteeritud programmeerimises vastupidi primaarsed on andmed ning funktsioonid nendega toimetamiseks on sekundaarsed. See on üpris täpne tähelepanek, samas ei maksa ka kõike absolutiseerida... Kõikidele objektorienteeritud programmeerimiskeeltele on omased kapseldumine (encapsulation), polümorfism (polymorphism) ja päritavus (inheritance). Lühidalt öeldes on nende mõistete sisu järgmine: 1. Kapseldumine Nagu teada, kõik programmid sisaldavad kahte fundamentaalset osa kood (code), mis teeb ja toimetab midagi ning andmed (data), mida kood töötleb ja modifitseerib. Kapseldumine on mehhanism, mis seob need kaks osa üheks tervikuks ning hoiab mõlemaid ebatervete väliste mõjude eest. Objektorienteeritud keelte puhul on võimalik koodi ja andmete sidumine moel, et tulemuseks on justkui mingi must kast, mille sees on kõik seda tüüpi kasti iseloomustamiseks vajalikud andmed ja ka meetodid (funktsioonid) nende andmetega töötamiseks. Samas ei pea väljaspool kasti asuv vaatleja või kasutaja üldse teadma, mismoodi see andmetöötlus seal kasti sees käib, temale on tähtis vaid (õige) resultaat, musta kasti õige reaktsioon. Selline koodi ja andmete töötav sümbioot ongi objekt. Kui kasutada C++ termineid, siis objekti, tema sisu ja käitumist kirjeldab klass. Objekti sees asuvad andmed kui kood võib olla nii avalik (public) kui privaatne (private). Lisaks eelnimetatutele võib olla ka nn kaitstud (protected) osi. Objekti privaatsed osad on nähtavad ja juurdepääsetavad vaid objekti enese seest, välisilma jaoks on nad nähtamatud ning väljastpoolt on otse nende poole pöördumine võimatu. Avalikud osad on

2 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 2 juurdepääsetavad ka väljastpoolt objekti. Tavapäraselt kasutatakse objekti avalikke meetodeid (avalikku koodi) kontrollitud liidese kaudu objekti privaatsete andmete juurde pääsemiseks, kui nii võib öelda. 2. Polümorfism Nimetus pärineb kreeka keelest ja vabas tõlkes võiks tähendada vormide paljusust. Sisuseletus näite najal kõlaks nii: enam-vähem igal autol on rool ja roolimehhanism. Kuigi see mehhanism võib olla üles ehitatud mitmetel erinevatel viisidel (võimenditavõimendiga, tigu- või lattmehhanismina, kasvõi elektrilise ülekandena jne) on üldiselt sellega manipuleerimise tulemus sama. Ning kui kasutaja on suutnud endale selgeks teha ühe konkreetse roosisüsteemiga hakkamasaamise, siis põhimõtteliselt oskab ta või vähemasti peaks oskama hakkama saada ka kõikide teiste roolisüsteemidega (kui vaid jõud peale hakkab). Analoogiaid võib muidugi tuua ka programmeerimisest: oletame, et programmis on vaja kasutada pinusid (stack) e FILO puhvreid. Oletame veel, et andmeid, mida pinusse või pinudesse tuleb paigutada, on kolme erinevat tüüpi täisarvud, ujukomaarvud ja sümbolid. Algoritm, mis kirjeldab nende andmete pinusse torkamist ja sealt väljaõngitsemist, on ühesugune kõikide andmetüüpide korral, kuid mitteobjektorienteeritud programmeerimiskeelte korral tuleb realiseerida kolm erinevat ja erinevate nimedega pinuga manipuleerimise funktsioonide komplekti, igal neist on siis ka oma liides. Polümorfism annab objektorienteeritud programmeerimiskeeltes võimaluse luua näiteks üks pinu põhikomplekt, mis toimib kõigis neis erinevates situatsioonides. Sageli seletatakse polümorfismi olemus lahti lause üks liides, palju meetodeid kaudu. See tähendab, et kasutades polümorfismi on võimalik mingi grupi sarnaste tegevuste jaoks luua üks ja üldine liides. 3. Päritavus Päritavus on nähtus, mille puhul üks objekt võib, nagu nimetus ütleb, pärida (osad) omadused mingilt teiselt objektilt või objektidelt. Päritavus on oluline seetõttu, et see annab võimaluse paigutada objekte kirjeldavad klassid hierarhiatesse. Näiteks Suislepp (või mis iganes selle õunasordi nimi ka pole) on alamhulk klassist õun, see omakorda alamhulk klassist puuvili, see omakorda alamhulk klassist söök. Kui nüüd mingid omadused on kirjeldatavad klassis söök (näiteks see, et selle manustamine ei tapa manustajat maha vähemasti kohe jne), siis sellised omadused pärivad ka põlvnevad klassid, näiteks seesama mainitud õun. Samas võib iga klass hierarhias lisada mingid temale iseloomulikud omadused, näiteks klass puuvili täiendab klassi söök sel moel, et piiritleb kasvukohana ikka mingi puu või põõsa, eristades sel moel iseend ja kõiki oma järglasi klassis juurvili. Kui poleks päritavust, siis tuleks iga klassi käitumine defineerida algusest lõpuni selle klassi sees. Mis oleks pikk ja vaevaline. Päritavus annab võimaluse võtta ette mingi sobilik (üldisem) klass ja sellest mingite täienduste tegemise teel tekitada uus (spetsiifilisem) klass. Klass Kui me räägime objektist ja klassis, siis millest me räägime? Objekt siinses kontekstis on (vähemasti meie ettekujutusele ja arusaamale vastav) peegeldus mingist reaalse maailma objektist koerast, lennumasinast, pangaautomaadist, millest iganes. Klass kui niisugune on selle objekti struktuuri ja käitumise kirjeldus. Lisaks neile mõistetele tuleb aeg-ajalt kasutusele mõiste eksemplar. Eksemplar on siis mingi reaalse maailma objekti

3 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 3 kujutamiseks koostatud klassi mingi konkreetne eksemplar (instance), millel on kindel seisund. Näiteks eelpool kirjeldatud klassi Suislepp eksemplar võib olla erinevates seisundites (toores/küps, ussitanud jne). Kui rääkida tervest korvitäiest õuntest, siis on meil terve hulk (korvitäis) klassi Suislepp eksemplare. Teatava mööndusega võib tõmmata paralleeli klassi ja C-st tuttava struktuuri vahele ning öelda, et klass on struktuur, mis lisaks andmetele sisaldab ka funktsioone (OOP kõnepruugis meetodeid) nende andmetega töötamiseks. Mõned reeglid Siinkohal mõned soovitused, mida tuleks OOP juures meeles pidada. 1. Kui sa arvad, et see midagi on iseseisev mõiste, tee see omaette klassiks. 2. Kui sa arvad, et see midagi on eraldiseisev objekt, tee see mingi klassi objektiks. 3. Kui kaks klassi omavad midagi ühist, siis tee see midagi ühine omaette baasklassiks, millest need kaks klassi põlvneksid. Kuna kõik konkreetse programmi klassid omavad midagi ühist, pole paha valmis meisterdada mingi (peaaegu) universaalne baasklass selle konkreetse programmi tarvis. Sellise baasklassi loomisel ei maksa jõudu kokku hoida! Võimalust mööda tuleks püüda: 4. Vältida globaalsete muutujate kasutamist. 5. Vältida globaalsete (väljaspool klasse paiknevate) funktsioonide kasutamist. 6. Vältida avalike andmete kasutamist klassides. 7. Vältida otsest pöördumist klassi andmete poole. Oskuste ja teadmiste edenedes võiks siia nimekirja lisada veel mõned punktid: 8. Vältida võtmesõna friends kasutamist (mis see on, sellest tuleb juttu edaspidi). 9. Kasutada virtuaalseid funktsioone, st hoiduda konkreetsete tüüpide kirjeldamisest baasklassides. 10. Piirata inline-funktsioonide kasutamist, va juhul, kui tegemist pole just olulise optimeerimisega. C++ Käesolev kursus annab ülevaate ühest paljudest objektorienteeritud programmeerimiskeeltest. C++ omab vahendeid eelpool nimetatud kolme olulise omaduse (kapseldumise, polümorfismi ja päritavuse) realiseerimiseks. Samas ei tähenda fakt, et C++ võimaldab luua objektorienteeritud lähtekoodi, et see ei võimaldaks luua mitteobjektorienteeritud koodi. Nii nagu tema eelkäija C, on ka C++ äärmiselt paindlik. Selles peitubki tema tugevus... C++ loojaks nimetatakse Bjarne Stroustrupi (Bell Labs) ja loomisaastaks C++ ei ole küll esimene objektorienteeritud programmeerimiskeel (esimeseks selliseks loetakse keelt nimega Simula aastast 1967), aga võib öelda, et just C++ tõi OOP ideoloogia laiemalt kasutusse. Sageli huvitutakse C++ ja Java omavahelisest suhtest. Java on arvutiasjanduses suhteliselt värske nähtus, Interneti keel, kui nii võib öelda. Ka on Java C++ poolt tugevalt

4 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 4 mõjutatud, nende süntaks on sarnane, on ka muid iseloomulikke sarnaseid jooni. Kogenematu silm võib Javas kirjutatud lähtekoodi pidada C++-s kirjutatuks. Sellise sarnasuse tõttu on arvatakse sageli ekslikult, et Java on mingi C++ derivaat või omapärane haru, murrak. See ei ole nii. Kuigi Java ja C++ on paljuski sarnased, on nad siiski mõeldud erinevate ülesannete lahendamiseks. C++ on mõeldud optimeeritud ja kõrge efektiivsusega programmide loomiseks. C++ kompilaatorid kompileerivad lähtekoodi üpris efektiivseks (kiireks) programmifailiks (binaarkoodiks). Java on loodud platvormist sõltumatute programmide loomiseks. Sellise porditavuse saavutamiseks ei kompileerita Java lähtekoodi mitte binaarkoodiks vaid teatavaks pseudokoodiks, mida kutsutakse Java baitkoodiks (Java bytecode), mida kasutatakse interpreteerivas keskkonnas. Selline lähenemine tagab suurepärase porditavuse kuid samas kaotatakse efektiivsuses. Seetõttu ongi Java paslik nn Internetirakenduste loomiseks, mis töötavad ülimalt laial spektril arvutitel. Kui aga on oluline saavutada kõrge jõudlus, siis muidugi ei tasu Javat valida ning eelistuse saab C++. Teiseks C++-le lähedaseks keeleks on C# (C sharp), millest aga siinkohal juttu ei tee. Nagu ka nimest järeldada võib, on C++ keel, mis põlvneb C-st. Väikeste eranditega on C++-s säilitatud ka kõik C jooned ja elemendid. Varasemat C++ süntaksit kutsutakse traditsiooniliseks C++-ks, tänapäeval läheb aina laiemasse kasutusse moderniseeritud C++, mida nüüd on hakatud lausa Standard C++-ks kutsuma. Käesolevas kursuses kasutame mõlemat varianti. Allpool olgu toodud lihtsaimad näited nn hello-programmist, milles küll klasside (programmeerija enese poolt loodud objektide) loomist ei demonstreerita. Kui kasutatakse uuema aja kompilaatorit ning ei anta eraldi võtit teatava hoiatuse "mahasurumiseks", siis lihtviisilisel kompileerimisel annab näite N-0.1 kood hoiatuse. Selle võib hetkel tähelepanuta jätta, aga kui on suur soov sellest hoiatusest vabaneda, siis tuleb kompileerimiseks kasutada näites eneses kirjeldatud võtit -W. Sama juhendit kohtab ka ühe hilisema näite juures. Näide N-0.1 Traditsiooniline C++ oohello.cc - Object Oriented Hello Program To disable warning compile: g++ -Wno-deprecated -o oohello oohello.cc / #include <iostream.h> cout << "OOHello, OOWorld!" << endl; Näide N-0.2 Moodne Standard C++ oohello.cc - Object Oriented Hello Program /

5 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 5 cout << "OOHello, OOWorld!" << endl; Näide N-0.3 age.cc - Sample N-0.3 / int iage; cout << "Enter your age: "; cin >> iage; cout << "You are " << iage << " years old\n"; Mõni sõna eeltoodud näidetes kasutatud nimeruumide (namespace) kohta. Nimeruumide kasutamine võimaldab programmi globaalse skoobi klasse ja funktsioone jaotada rühmadesse, võib öelda alamskoopidesse. Erinevates nimeruumides võivad rahulikult eksisteerida sama nimega objektid, muutujad ning funktsioonid ilma, et tekiks segadus ja konfliktid. Selline jaotus osutub vajalikuks, kui programmi mahukusest tulenevalt muutub häirivaks klasside, muutujate ja funktsioonide suur hulk, mis raskendab neile mõistuspäraste nimede panekut. Samuti välistab nimeruumide kasutamine juhuslikust nimede kokkusattumisest tingitud probleemid juhul, kui kasutatakse mingeid teiste poolt loodud APIsid, koodilõike jms. Nimeruum deklareeritakse järgmiselt: namespace identifier... namespace body Selle kasutamisest annab ettekujutuse alljärgnev näide. Kasutatakse "traditsioonilise" C++ vormi ja "lihtviisilisel" kompileerimisel saame hoiatuse osaliseks, mis kõneleb "deprecated or antiquated header"-ist. Sellest ellimineerimiseks võib kasutada kompileerimise ajal võtit -Wno-deprecated. Näites N-0.5 on sama asi viidud Standard C++ kohaseks. Tavapärane Standard C++ nimeruum, milles kõik vajalik deklareeritud, kannab nime std, sealt ka selle nimeruumi kasutamise korraldus Näide N-0.4 nspace-1.cc - Sample N-0.4 To disable warning use g++ -Wno-deprecated -o nspace-1 nspace-1.cc / #include <iostream.h> namespace spacea int variable = 100;

6 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 6 namespace spaceb char variable[] = "One Hundred"; cout << "In namespace spacea we have " << spacea::variable << endl; cout << "In namespace spaceb we have " << spaceb::variable << endl; Näide N-0.5 nspace-2.cc - Sample N-0.5 / namespace spacea int variable = 100; namespace spaceb char variable[] = "One Hundred"; cout << "In namespace spacea we have " << spacea::variable << endl; cout << "In namespace spaceb we have " << spaceb::variable << endl; Viimane näide (N-0.6) demonstreerib aga võimalust vahetada vaikimisi kehtivaks mingi meie enese deklareeritud nimeruum. Suurem mõte võib sellisel lahendusel olla koodilõikudes, mis ei kasuta märkimisväärselt standardses nimeruumis deklareeritut. Näide N-0.6 nspace-3.cc - Sample N-0.6 Just demo, don't like such style because of "std::" overhead. Usable, if no need to use much from namespace std namespace spacea int variable = 100; namespace spaceb char variable[] = "One Hundred"; using namespace spacea; std::cout << "In namespace spacea we have " << variable << std::endl; std::cout << "In namespace spaceb we have " << spaceb::variable << std::endl;

7 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 7 Nimeruumi kasutusskoop võib olla deklareeritud suhteliselt vabas kohas: Näide N-0.7 nspace-4.cc - Sample N-0.7 namespace spacea int variable = 100; namespace spaceb char variable[] = "One Hundred"; cout << "Here we go..." << endl; using namespace spacea; std::cout << "In namespace spacea we have " << variable << std::endl; using namespace spaceb; std::cout << "In namespace spaceb we have " << variable << std::endl; cout << "That's it..." << endl; Kompileerimine Tuttav C kursusest, erinevus vaid kompilaatori nimes (muidugi, siinkohal on esitatud vaid lihtsaim juhtum): $ g++ -o oohello oohello.cc Nagu eelpool öeldud kes soovib näite N-0.4 kompileerimisel vabaneda hoiatusest, lisab võtmeid: g++ -Wno-deprecated -o nspace-1 nspace-1.cc Miks kasutada C++? Tavalised kiidusõnad erialaste raamatute alguslehtedel või kursuste esimestel minutitel on üldistatult järgmised: C++ annab võimaluse väljendada abstraktseid ideid. C++ on kolmanda põlvkonna programmeerimiskeel, mis võimaldab programmeerijal oma ideid ja soove väljendada märksa kõrgemal tasemel kui näiteks assembleri kasutamise korral. C++ säilitab programmeerijale võimaluse kasutada madaltaseme vahendeid. Kuigi tegemist on kolmanda põlvkonna keelega, on selles küllalt palju assemblerile iseloomulikku ja omast masinalähedust. Näiteks saab programmeerija ikkagi väga ulatusliku kontrolli mäluhalduse üle.

8 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 8 C++ on päris hästi standardiseeritud. Integreerimise ja portimise mured vähenevad... C++ on taaskasutatava koodiga objektorienteeritud programmeerimiskeel. No sellesse tasub suhtuda veidi kainemalt... ;) (vt ka järgmist lõiku OOP kriitikast). C++ on laialdaselt õpetatav ja kasutatav. Tõesti, C++ omab päris laialdast kasutajate ringkonda ja seepärast ka pikka nimekirja abiinstrumente (tools), mis hõlbustavad uute programmide loomist. Loomulikult ei saa öelda, et C++ oleks absoluutselt-kindlasti-sajaprotsendiliselt kõige laialdasemalt kasutatav programmeerimiskeel üldse... Iseseisev töö OOP kriitika Töötada läbi artiklid OOP kriitikast: Diskussioon artikli põhjal. Kordamine C süntaks ja põhikonstruktsioonid. Ülesanne 0.1 Täiendada näites N-0.3 toodud programmi nii, et see käituks sõltuvalt sisendist erinevalt: annaks vähemalt kolme erinevat tüüpi vastuseid (näiteks stiilis You are really young! / You are really, really very old! ) sõltuvalt sisestatud väärtusest. Mis juhtub siis kui kasutaja poolt sisestatav ei ole arvulise väärtusena tõlgendatav? Ülesanne 0.2 Sarnaselt eelpool toodud õuna klassihierarhiale kirjeldada järgmiseid klassihierarhiaid: sprinter, tõstja, pikamaajooksja, sülearvuti, hõõglamp, raamat. Kirjeldada vähemalt ühe nimetatud klassi ja selle vanemklasside meetodid. Kirjeldada veel üks-kaks vabalt valitud klassi. Lisamaterjal Ülesande 0.1 lahendamisel tekib ärksamatel lahendajatel küsimus aga kuidas saaks välistada, et mittesobiva sisestuse puhul programm sellest aru saaks ja vastavalt reageeriks? Sellele küsimusele saab ammendavalt ja lahtiseletatult vastata alles kursuse hilisemate teemade juures, kui vajalikud eelteadmised on omandatud. Etteruttavalt aga siinkohal lihtsalt kaks koodinäidet võimalike variantidega. Esimene neist on küll lihtsam lugeda, samas kohmakam, teine keerukam mõista kuid elegantsem. Näide N-0.8 #include <limits> int iage;

9 Programmeerimine III, Marek Kusmin Teema 0 9 cout << "Enter your age: "; cin >> iage; while(cin.fail()) Clear Error Flag cin.clear(); Drop bad input from cin cin.ignore(numeric_limits<streamsize>::max(),'\n'); cout << "Bad input, try again: "; cin >> iage; ; cout << "You said your age is " << iage << endl; Näide N-0.9 #include <limits> int iage; while((cout << "Enter your age: ") &&!( cin >> iage)) Clear Error Flag cin.clear(); Drop bad input from cin cin.ignore(numeric_limits<streamsize>::max(),'\n'); cout << "Bad input, try again!" << endl; ; cout << "You said your age is " << iage << endl;