Принципы объектно-ориентированного программирования
Основные понятия
Объектно-ориентированное программирование (сокращенно ООП) и порожденное им объектно-ориентированное проектирование – это совершенно новый подход к построению сложных (и не очень сложных) программ и систем. Этот подход зародился в таких языках программирования, как Ада, Smalltalk, C++, Borland Pascal. До появления ООП господствовало процедурное программирование. Тогда основой программ были функции и процедуры, т.е. действия. Разработчик определял, какие действия, какие функции нужны ему для решения поставленной задачи, реализовывал эти функции и объединял их в программу. Программа обычно имела достаточно четкий алгоритм работы – последовательность операций, начинающуюся в какой-то точке и заканчивающуюся в одной или множестве других точек.
В объектно-ориентированном программировании и проектировании главной, отправной точкой является не процедура, не действие, а объект. Такой подход представляется достаточно естественным, поскольку в реальном мире мы имеем дело именно с объектами (людьми, предметами, техническими устройствами), взаимодействующими друг с другом. Да и взаимодействие пользователя с компьютерной программой – это тоже взаимодействие двух объектов – программы и человека, которые обмениваются друг с другом определенными сообщениями.
Объект можно интерпретировать как модель некоторого реального объекта или процесса, которая обладает следующими свойствами:
поддается хранению и обработке;
способна взаимодействовать с другими объектами и вычислительной средой, посылая сообщения и реагируя на принимаемые сообщения.
Прикладная программа, построенная по принципам объектной ориентации – это не последовательность каких-то операторов, не некий жесткий алгоритм. Объектно-ориентрованная программа – это совокупность объектов и способов их взаимодействия. Отдельным (и главным) объектом при таком подходе во многих случаях можно считать пользователя программы (рис. 3.1). Обмен между объектами происходит посредством сообщений. Сообщение является совокупность данных определенного типа, передаваемых объектом-отправителем объекту-получателю, имя которого указывается в сообщении. Получатель реагирует на сообщение выполнением каких-либо действий, или никак не реагирует на него.
Рекурсия
Существует целый класс задач, в которых отношения между объектами можно определить, только пользуясь самими определяемыми соотношениями. Получающиеся при этом правила называются рекурсивными.
Пример. Рекурсивное определение натурального числа:
1) 1 – натуральное число;
2) число, которое на 1 больше натурального числа, также натуральное.
В системах логического программирования рекурсия служит также для описания циклов, повторений и является важнейшим методом программирования.
Рассмотрим простой пример: вычисление факториала натурального числа n (n!). Определение n! рекурсивно:
1) 1! = 1,
2) n! = (n–1)! * n
Для описания отношения “факториал” между n и n! будем использовать двухарный предикат
факт(N,М).
Тогда база знаний, соединенная с запросом, приобретает вид:
факт(1,1).
факт(N,Х): - факт(N–1,Y), X is Y*N.
?- факт(3,A);
В данной программе правило “факт” вызывает само себя – это и есть рекурсия. Запись is Y*N представляет собой обращение к встроенному предикату “is” (“есть”) для описания арифметического действия.
Процесс работы программы можно изобразить следующим образом:
?факт(3,А0).
ОТВЕТ: А=6
?факт(2,А1).
X1= 2*3 = 6
?факт(1,А2).
Х2= 1*2 = 2
факт(1,1).
Правило “факт” вызывает само себя – происходит углубление рекурсии (прямой ход). При этом в памяти ЭВМ выделяется место для переменных А,А0,А1,А2 и N,N0,N1,N2, образующих стеки. При согласовании вопроса с предикатом факт(1,1) рекурсия прекращается и начинается возврат из рекурсии (обратный ход) – выполнение отложенных на прямом ходе согласований. Предикат факт(1,1) играет очень важную роль – это ограничитель рекурсии, условие ее завершения.
Отметим, что Пролог стремится найти все решения поставленной задачи, а значит, после появления ответа А=6 происходит возврат к вопросу?факт(1,А2) и попытке согласовать его с правилом “факт”. Это приводит к бесконечному процессу рекурсии с отрицательными аргументами в “факт”, которая завершается при исчерпании глубины зарезервированных интерпретатором Пролога стеков. Ускорить выход из рекурсии можно, добавив к предикату “факт(1,1)” отсечение!:
факт(1,1): -!.
Однако, использование отсечения требует более подробного рассмотрения.
В общем случае последовательность предложений в базе знаний не имеет значения. Однако это не так для рекурсивно-определенных отношений. Например:
родитель(X):- родитель(Y), отец(Y,Z).
родитель(коля).
отец(коля,петя).
родитель (петя).
В этом случае в первом предложении голова имеет ту же функцию, что и одна из целей – “родитель”. В процессе поиска ответа в этой базе знаний будет применено правило: предложение, стоящее первым, будет применено первым – известное как принцип поиска в глубину.
Это приведет к тому, что система будет обращаться только к первому предложению базы знаний и ответ на вопрос не будет найден никогда (образуется бесконечная петля вывода). Однако небольшое изменение базы знаний – перестановка двух предложений местами – приведет к удачному поиску решения:
родитель(коля).
родитель(X):- родитель(Y), отец(Y,Х).
отец(коля,петя).
? - родитель(петя).
Неограничено-повторное обращение к предложению может быть и более замаскированным так, как это получается в следующей программе:
выше (А, В): - ниже (В, А).
ниже(В,А): - выше(А,В).
выше(коля,петя).
?- ниже(петя,коля).
Однако если третье предложение стоит на первом месте, то повторного обращения не произойдет и ответ будет найден.
В общем виде рекурсия на Прологе выглядит так:
Р(1,...).
Р(n,...):- Q1,..., Qn, P(n–1,…), R1,... Rm.
Правило Р обращается само к себе, при этом происходит углубление рекурсии. Предикаты Q1,..., Qn выполняются на прямом ходе рекурсии, а R1,..., Rm – на обратном; n – это некоторый условный параметр, входящий в условие продолжения рекурсии, а Р(1,...) – факт, завершающий процесс рекурсии.
Особенно простым случаем рекурсии является простое циклическое повторение. Один из способов организации повторения связан с наличием в базе знаний процедуры вида repeat.repeat:-repeat.
Использование repeat в качестве подцели некоторого правила приводит к многократному повторению остальных подцелей этого правила.
