Style programowania - krótki przeglad Bogdan Kreczmer ZPCiR IIAiR PWr pokój 307 budynek C3 bogdan.kreczmer@pwr.wroc.pl Niniejszy dokument zawiera materiały do wykładu na temat programowania obiektowego. Jest on udostępniony pod warunkiem wykorzystania wyłacznie do własnych prywatnych potrzeb i może on być kopiowany wyłacznie w całości, razem z niniejsza strona tytułowa.
Ważniejsze style programowania Programowanie proceduralne Nacisk kładzie się na przetwarzanie, tzn. zbudowania algorytmu potrzebnego do wykonania wymaganych obliczeń. Programowanie modularne Uwypukla powiazanie danych z procedurami oraz ukrywa dane, które wykorzystywane sa tylko w pewnych blokach obliczeniowych reprezentowanych przez moduły. Programowanie z abstrakcja danych Zakłada możliwość definiowania typów, które maja te same własności jak typy wbudowane. Programowanie obiektowe Tworzenie struktur pochodnych poprzez dziedziczenie z możliwościa modyfikacji dzięki polimorfizmowi. Hermetyzacja wybranych struktur. Programowanie uogólnione Umożliwia tworzenie parametryzowanych struktur i funkcji/procedur, dla których parametrami jest typ danych. Style programowania - krótki przeglad 1
Programowanie z wykorzystaniem podprogramów (Zmienne globalne) suma zm zm1 zm_tmp wynik Program glowny 104 let zm1 = 2*suma + 5; 105 if zm1 = 10 then let zm = 0; 106 subroutine 4591 107 if wynik = zm1 then beep; Podprogram 4591 let zm_tmp = 2*zm1/31; 4595 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 4600 subroutine 7500 4605 subroutine 8225 4610 return; Podprogram 4595 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 4610 return; Podprogram 8225 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 8554 return; Styl charakterystyczny dla przypadku wykorzystywania asemblera oraz wczesnej wersji Basic a. Style programowania - krótki przeglad 2
Programowanie z wykorzystaniem podprogramów (Zmienne globalne) suma zm zm1 zm_tmp wynik Program glowny 104 let zm1 = 2*suma + 5; 105 if zm1 = 10 then let zm = 0; 106 subroutine 4591 107 if wynik = zm1 then beep; Podprogram 4591 let zm_tmp = 2*zm1/31; 4595 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 4600 subroutine 7500 4605 subroutine 8225 4610 return; Podprogram 4595 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 4610 return; Podprogram 8225 if zm_tmp = 3.5 then let zm1 = zm_tmp; 8554 return; Wielość wzajemnych powiazań prowadzi do tworzenia się nieczytelnych konstrukcji programów. Style programowania - krótki przeglad 3
Programowanie z wykorzystaniem podprogramów (Zmienne globalne) IdentManp KatObrotu PozycjaEfektora Ilosc WspX program Manipulator(input,output); begin PozycjonujManipulator(1); ObrocRamie(1,23); end. procedure PozycjonujManipulator(int ID); var Ilosc : integer; WspX :real; begin UstawPodstaweManipulatora(ID); PozycjonujRamiona(ID); end; procedure OtworzChwytak(int ID); begin end; Obrot procedure ObrocRamie(ID :integer; Kat :real); var Obrot :real; begin end; Zmienne lokalne poprawiaja wykorzystanie pamięci oraz czytelność programu. Style programowania - krótki przeglad 4
Programowanie proceduralne Paradygmat programowania proceduralnego: Zdecyduj jakie chcesz mieć procedury; stosuj najlepsze algorytmy jakie możesz znaleźć. Przykład języków programowania wspierajacych ten paradygmat: Pascal, C, Java, C++, Python, Perl itd. Style programowania - krótki przeglad 5
Programowanie proceduralne Podstawowe wady czystego programowania proceduralnego. Brak możliwości wyróżnienia powiazań między strukturami danych, a procedurami operujacymi na nich. Konieczność stosowania różnych nazw procedur nawet w przypadku, gdy wykonuja te same operacje, a jedyna różnica jest typ danych, na których wykonywana jest ta operacja. Umieszczanie wszystkich elementów w jednakowym obszarze zasięgu ważności definicji uniemożliwia hermetyzację wybranych partii programy i łatwego rozdzielenia całego zadania na poszczególne podzadania. Style programowania - krótki przeglad 6
Programowanie modularne Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik M1 nacznik int main() MacierzWJ M1; float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator int Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). Modul: MacierzWJ MacierzBiezaca StosMacierzy[7]; float nacznik(int ID) Eksport: bool Odwrotnosc(int ID) if (( = nacznik(id))) ElementMac. void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; void OtworzChwytak() void TranslacjaX(int ID) bool UtworzMacierz() void SkalujRamie(MacierzWJ &M) void Zamien(ind ID1, int ID2) ElementMac Zbiór powiazanych ze soba procedur, struktur danych oraz zmiennych nazywamy modułem. W tym sensie moduł realizuje centralizację struktur danych oraz procedur i funkcji obsługujacych wspomniane struktury danych. Style programowania - krótki przeglad 7
Programowanie modularne Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik M1 nacznik int main() MacierzWJ M1; float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator int Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). Modul: MacierzWJ MacierzBiezaca StosMacierzy[7]; float nacznik(int ID) Eksport: bool Odwrotnosc(int ID) if (( = nacznik(id))) ElementMac. void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; void OtworzChwytak() void TranslacjaX(int ID) bool UtworzMacierz() void SkalujRamie(MacierzWJ &M) void Zamien(ind ID1, int ID2) ElementMac Ten typ programowania pozwala ukryć pomocnicze funkcje i struktury danych. Możliwe jest dość precyzyjne określenie co jest udostępniane na zewnatrz i z czego dany moduł korzysta. Pozwala to ukryć ewentualne późniejsze modyfikacje struktur wewnętrznych. Style programowania - krótki przeglad 8
Programowanie modularne Paradygmat programowania modularnego: Zdecyduj jakie chcesz mieć moduły; podziel program w taki sposób, aby ukryć dane w modułach. Przykład języków programowania wspierajacych ten paradygmat: Modula 2, Ada, C, Java, C++ Style programowania - krótki przeglad 9
Programowanie modularne (najważniejsze cechy) Ukrywanie funkcji, struktur danych oraz zmiennych majacych znacznie lokalne w danym module Możliwość całkowitego ukrycia udostępnianych struktur danych. Na zewnatrz modułu widoczne sa jedynie ich cechy i własności. Odwoływanie się do konkretnego egzemplarza tworzonej struktury danych realizowane jest poprzez deskryptory. Wada tej techniki jest brak możliwości kontroli zgodności typów na etapie kompilacji. Możliwość odizolowania się od nazw funkcji i zmiennych modułu używanych w innych modułach. Możliwość precyzyjnego określenia co z danego modułu jest widoczne i udostępniane na zewnatrz, a co nie. Mechanizm ten pozwala również określić co dany moduł importuje z innych modułów. Łatwiejsza organizacja pracy zespołowej. Style programowania - krótki przeglad 10
Programowanie modularne Programowanie modularne umożliwia centralizację wszystkich danych jednego typu pod kontrola jednego modułu będacego zarzadc a danego typu. Daje to jednak wciaż znaczaco gorsze wsparcie niż dla typów wbudowanych. Wady czystego programowania modularnego: brak możliwości stosowania operatorów, w przypadku stosowania deskryptorów brak możliwości ścisłej kontroli typów na poziomie kompilacji, brak możliwości określenia dopuszczalności domyślnych konwersji oraz ich zdefiniowania. Style programowania - krótki przeglad 11
Abstrakcja typów danych Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik M1 nacznik int main() MacierzWJ M1; float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(MacierzWJ &M) void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator MacierzWJ Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; void OtworzChwytak() class MacierzWJ float _Tab[4][4]; bool Odwrotnosc(); float nacznik(); foat TranslacjaX(); foat TranslacjaY(); foat TranslacjaZ(); MacierzWJ operator!(); MacierzWJ operator *(MacierzWJ); void SkalujRamie(MacierzWJ &M) Podejście oparte na abstrakcji danych pozwala traktować na równi typy wbudowane i typy definiowane przez programistę. Pozwala również bezpośrednio odwoływać się do struktur danych i dokonywanych na nich operacji. Style programowania - krótki przeglad 12
Abstrakcja typów danych Paradygmat programowania z zastosowaniem abstrakcji danych: Zdecyduj jakie chcesz mieć typy; dla każdego typu dostarcz pełny zbiór operacji. Przykład języków programowania wspierajacych ten paradygmat: Ada, Clu, C++ Style programowania - krótki przeglad 13
Abstrakcja typów danych Programowanie z wykorzystaniem abstrakcji danych pozwala na tworzenie struktur, które moga być dobrze izolowane od reszty programu. Zawieraja one zarówno odpowiednie pola danych, jak też zdefiniowane metody i operacje dokonywane na nich. Podstawowa wada jest brak elastyczności. Przykład: Konstruujac typy MacierzWJ (transformacje wektorów wyrażonych we współrzędnych jednorodnych) oraz Macierz4x4 należy zdefiniować oddzielne struktury danych wraz z metodami i operacjami, choć MacierzWJ jest jedynie uszczegółowieniem typu Macierz4x4. Style programowania - krótki przeglad 14
Programowanie obiektowe Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik int main() M1 MacierzWJ M1; nacznik float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator MacierzWJ Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). class MacierzWJ class Macierz4x4 float _Tab[4][4]; bool Odwrotnosc(); float nacznik(); foat TranslacjaX(); class Macierz4x4 float _Tab[4][4]; bool Odwrotnosc(); float nacznik(); void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) void Transformuj(MacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; foat TranslacjaY(); foat TranslacjaZ(); void OtworzChwytak() void SkalujRamie(MacierzWJ &M) MacierzWJ operator!(); MacierzWJ operator *(MacierzWJ); Podejście oparte na podejściu obiektowym umożliwia budowanie nowych typów danych na bazie wcześniej zdefiniowanych struktur. Style programowania - krótki przeglad 15
Programowanie obiektowe Paradygmat programowania obiektowego: Zdecyduj jakie chcesz mieć klasy; dla każdej klasy dostarcz pełny zbiór operacji; korzystajac z mechanizmu dziedziczenia, jawnie wskaż to, co jest wspólne. Przykład języków programowania wspierajacych ten paradygmat: C++, Java, Python Style programowania - krótki przeglad 16
Programowanie obiektowe Podstawowe cechy programowania obiektowego: dziedziczenie możliwość tworzenia nowych struktur danych z wykorzystaniem struktur wcześniej zdefiniowanych wraz ze wszystkimi ich atrybutami i metodami. hermetyzacja możliwość ograniczanie dostępu do wybranych struktur danych. Pozwala to definiować ściśle określony interfejs dostępu do tych struktur. polimorfizm możliwość modyfikacji metod (określanych mianem metod wirtualnych) w strukturach bazowych poprzez ich redefiniowanie w strukturach pochodnych. Style programowania - krótki przeglad 17
Programowanie obiektowe Czy programowanie obiektowe może mieć jakieś wady? Ależ tak! Jest wciaż mało elastyczne!!!! :-0 We wcześniejszym przykładzie typy Macierz4x4 i MacierzWJ zostały zdefiniowane dla typu float. Aby zdefiniować je dla typu double należy wszystko na nowo przepisać. :-( Czy nie można byłoby stworzyć ogólnych mechanizmów nie tylko definiowania struktur, ale również pisania funkcji, np. funkcji umożliwiajacych sortowanie dowolnych struktur bez konieczności dokonywania rzutowania lub konwersji typów? Style programowania - krótki przeglad 18
Programowanie uogólnione Przykład z biblioteki C realizacji uogólnionych algorytmów dla tworzenia, manipulowania i przeszukiwania struktury drzewa binarnego. #include <search.h> void *tsearch(const void *key, void **rootp, int(*compar)(const void *, const void *)); void *tfind(const void *key, const void **rootp, int(*compar)(const void *, const void *)); void *tdelete(const void *key, void **rootp, int(*compar)(const void *, const void *)); void twalk(const void *root, void(*action)(const void *nodep, const VISIT which, const int depth)); Style programowania - krótki przeglad 19
Programowanie uogólnione Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik M1 nacznik int main() FMacierzWJ M1; float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(FMacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(FMacierzWJ &M) void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator FMacierzWJ Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). void Transformuj(FMacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; void OtworzChwytak() template <class TYP> class MacierzWJ class Macierz4x4<TYP> TYP _Tab[4][4]; bool Odwrotnosc(); TYP nacznik(); TYP TranslacjaX(); TYP TranslacjaY(); TYP TranslacjaZ(); MacierzWJ<TYP> operator!(); template <class TYP> class Macierz4x4 TYP _Tab[4][4]; TYP Odwrotnosc(); TYP nacznik(); void SkalujRamie(FMacierzWJ &M) MacierzWJ<TYP> operator *(MacierzWJ<TYP>); Programowanie uogólnione pozwala tworzyć uniwersalne struktury, w których nie ma (lub sa one zminimalizowane) ograniczeń na typ pól. Daje możliwość skoncentrowania się na ogólnych mechanizmach manipulowania strukturami danych. Można stworzyć np. wzorzec listy. Style programowania - krótki przeglad 20
Programowanie uogólnione Modul Glowny suma MacierzPodstawy ID_MacEfektora ID_Przegub1 wynik M1 nacznik int main() FMacierzWJ M1; float nacznik; M1 =!M1; void Transformuj(FMacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M.Odwrotnosc(); void Wyswietl(FMacierzWJ &M) void ZwiekszSkale(MacierzWJ &M) Modul: Manipulator FMacierzWJ Przegub[5]; PolozeniePodstawy Stan TransX typedef Macierz4x4<float> FMacierz4x4; typedef MacierzWJ<float> FMacierzWJ; Eksport: void ObrocPrzegub(int, float) void PrzesunPodstawe_X(float Tx) if (M0.TranslacjaX()). void Transformuj(FMacierzWJ &M) if (M.nacznik()). M =!M; void OtworzChwytak() template <class TYP> class MacierzWJ class Macierz4x4<TYP> TYP _Tab[4][4]; bool Odwrotnosc(); TYP nacznik(); TYP TranslacjaX(); TYP TranslacjaY(); TYP TranslacjaZ(); MacierzWJ<TYP> operator!(); template <class TYP> class Macierz4x4 TYP _Tab[4][4]; TYP Odwrotnosc(); TYP nacznik(); void SkalujRamie(FMacierzWJ &M) MacierzWJ<TYP> operator *(MacierzWJ<TYP>); Konkretyzacja typu następuje w momencie odwołania się do wzorca wraz ze wszystkimi parametrami. Sa one nazwami typów składowych. Odwołanie następuje wraz z deklaracja obiektu danej klasy. Nazwę typu można czynić bardziej wygodna używajac typedef. Style programowania - krótki przeglad 21
Programowanie uogólnione Paradygmat programowania uogólnionego: Zdecyduj jakie chcesz mieć algorytmy; parametryzuj je w taki sposób, by działały dla różnych typów i struktur. Przykład języków programowania wspierajacych ten paradygmat: C++ Programowanie uogólnione jest podstawowa technika programowania użyta przy tworzeniu standardowej biblioteki szablonów (STL), która jest jednym z podstawowych składników ANSI/ISO C++. Style programowania - krótki przeglad 22