Объектно-ориентированное программирование (ООП)

Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это подход, при котором программа рассматривается как набор объектов, взаимодействующих друг с другом. У каждого есть свойства и поведение.

Что такое ООП

Простыми словами, ООП ускоряет написание кода и делает его более читаемым. Идеология объектно-ориентированного программирования (ООП) разрабатывалась, чтобы связать поведение определенного объекта с его классом. Людям проще воспринимать окружающий мир как объекты, которые поддаются определенной классификации (например, разделение на живую и неживую природу).

До ООП в разработке использовался другой подход — процедурный. Программа представляется в нем как набор процедур и функций — подпрограмм, которые выполняют определенный блок кода с нужными входящими данными. Процедурное программирование хорошо подходит для легких программ без сложной структуры. Но если блоки кода большие, а функций сотни, придется редактировать каждую из них, продумывать новую логику. В результате может образоваться много плохо читаемого, перемешанного кода — «спагетти-кода» или «лапши».

В отличие от процедурного, объектно-ориентированное программирование позволяет вносить изменения один раз — в объект. Именно он — ключевой элемент программы. Все операции представляются как взаимодействие между объектами. При этом код более читаемый и понятный, программа проще масштабируется.

Зачем нужно ООП

Объектно-ориентированное программирование используется, чтобы:

• структурировать информацию и не допускать путаницы;
• точно определять взаимодействие одних элементов с другими;
• повышать управляемость программы;
• быстрее масштабировать код под различные задачи;
• лучше понимать написанное;
• эффективнее поддерживать готовые программы;
• внедрять изменения без необходимости переписывать весь код.

Возможности ООП поддерживает большинство популярных языков программирования, включая JavaScript, PHP, Python и другие. 

Структура ООП

Объекты и классы

Чтобы сделать код проще, программу разбивают на независимые блоки — объекты. В реальной жизни это может быть стол, чашка, человек, книга, здание и многое другое. В программировании объекты — это структуры данных: пользователь, кнопка, сообщение. У них, как и у реальных предметов, могут быть свойства: цвет, содержание или имя пользователя. А чтобы объединить между собой объекты с похожими свойствами, существуют классы.

Класс — это «шаблон» для объекта, который описывает его свойства. Несколько похожих между собой объектов, например профили разных пользователей, будут иметь одинаковую структуру, а значит, принадлежать к одному классу. Каждый объект — это экземпляр какого-нибудь класса.

Понять, что такое ООП, поможет аналогия.

• Понятие «программист» — это класс.
• Конкретный разработчик по имени Иван — это объект, принадлежащий к классу «программист» (экземпляр класса).
• Зарплата, рабочие обязанности, изученные технологии и должность в компании — это свойства, которые есть у всех объектов класса «программист», в том числе у Ивана. У разных объектов свойства различаются: зарплата и обязанности Ивана будут отличаться от таковых у другого разработчика Миши.

Атрибуты и методы

Объект — это набор переменных и функций, как в традиционном функциональном программировании. Переменные и функции и есть его свойства.

Атрибуты — это переменные, конкретные характеристики объекта, такие как цвет поля или имя пользователя.

Методы — это функции, которые описаны внутри объекта или класса. Они относятся к определенному объекту и позволяют взаимодействовать с ними или другими частями кода.

Принципы ООП

Объектно-ориентированное программирование определяют через четыре принципа, по которым можно понять основы работы. Иногда количество сокращают до трех — опускают понятие абстракции.

Абстракция

Абстрагирование — это способ выделить набор наиболее важных атрибутов и методов и исключить незначимые. Соответственно, абстракция — это использование всех таких характеристик для описания объекта. Важно представить объект минимальным набором полей и методов без ущерба для решаемой задачи.

Пример: объекту класса «программист» вряд ли понадобятся свойства «умение готовить еду» или «любимый цвет». Они не влияют на его особенности как программиста. А вот «основной язык программирования» и «рабочие навыки» — важные свойства, без которых программиста не опишешь.

Набор атрибутов и методов, доступный извне, работает как интерфейс для доступа к объекту. Через них к нему могут обращаться другие структуры данных, причем им не обязательно знать, как именно объект устроен внутри.

Инкапсуляция

Каждый объект — независимая структура. Все, что ему нужно для работы, уже есть у него внутри. Если он пользуется какой-то переменной, она будет описана в теле объекта, а не снаружи в коде. Это делает объекты более гибкими. Даже если внешний код перепишут, логика работы не изменится.

Инкапсуляция помогает с легкостью управлять кодом. Выше мы сказали, что для обращения к объекту не нужно понимать, как работают его методы. Начальнику разработчика Ивана не обязательно знать, как именно он программирует: главное — чтобы выполнялись поставленные задачи.

Внутреннее устройство одного объекта закрыто от других: извне «видны» только значения атрибутов и результаты выполнения методов.

Наследование

Можно создавать классы и объекты, которые похожи друг на друга, но немного отличаются — имеют дополнительные атрибуты и методы. Более общее понятие в таком случае становится «родителем», а более специфичное и подробное — «наследником».

Упомянутый программист Иван — это человек. Но «человек» — более общее определение, которое не описывает свойства, важные именно для программиста. Можно сказать, что класс «программист» унаследован от класса «человек»: программист тоже является человеком, но у него есть дополнительные свойства.

В таком случае разработчик Иван будет и человеком, и программистом одновременно. У него будут наборы свойств от обоих классов.

У одного «родителя» может быть несколько дочерних структур. Например, от «человека» можно наследовать не только «программиста», но и «директора».

Наследование позволяет реализовывать сложные схемы с четкой иерархией «от общего к частному». Это облегчает понимание и масштабирование кода. Не нужно много раз переписывать в разных объектах одни и те же свойства. Достаточно унаследовать эти объекты от одного «родителя», и «родительские» свойства применятся автоматически.

Полиморфизм

Одинаковые методы разных объектов могут выполнять задачи разными способами. Например, у «человека» есть метод «работать». У «программиста» реализация этого метода будет означать написание кода, а у «директора» — рассмотрение управленческих вопросов. Но глобально и то, и другое будет работой.

Тут важны единый подход и договоренности между специалистами. Если метод называется delete, то он должен что-то удалять. Как именно — зависит от объекта, но заниматься такой метод должен именно удалением. Более того: если оговорено, что «удаляющий» метод называется delete, то не нужно для какого-то объекта называть его remove или иначе. Это вносит путаницу в код.

Преимущества ООП

Модульность

Объектно-ориентированный подход позволяет сделать код более структурированным, в нем легко разобраться стороннему человеку. Благодаря инкапсуляции объектов уменьшается количество ошибок и ускоряется разработка с участием большого количества программистов, потому что каждый может работать независимо друг от друга.

Гибкость

ООП-код легко развивать, дополнять и изменять. Это обеспечивает независимая модульная структура. Взаимодействие с объектами, а не логикой упрощает понимание кода. Для модификации не нужно погружаться в то, как построено ПО. Благодаря полиморфизму можно быстро адаптировать код под требования задачи, не описывая новые объекты и функции.

Экономия времени

Благодаря абстракции, полиморфизму и наследованию можно не писать один и тот же код много раз. Это ускоряет разработку нового ПО. Интерфейсы и классы в ООП могут легко преобразовываться в подобие библиотек, которые можно использовать заново в новых проектах. Также ООП экономит время при поддержке и доработке приложения.

Безопасность

Программу сложно сломать, так как инкапсулированный код недоступен извне.

Недостатки ООП

Сложный старт

Чтобы пользоваться ООП, нужно сначала изучить теорию и освоить процедурный подход, поэтому порог входа высокий.

Снижение производительности

Объектно-ориентированный подход немного снижает производительность кода в целом. Программы работают несколько медленнее из-за особенностей доступа к данным и большого количества сущностей.

Большой размер программы

Код, написанный с использованием ООП, обычно длиннее и занимает больше места на диске, чем «процедурный». Это происходит, потому что в такой программе хранится больше конструкций, чем в обычном процедурном скрипте. 

Популярные языки объектно-ориентированного программирования

ООП в Python

Python делает ООП простым и гибким, благодаря синтаксису и динамической природе языка. При инкапсуляции в Python:

• Приватные атрибуты начинаются с _ или __.
• Для доступа используются геттеры и сеттеры.

Пример кода:

class BankAccount:
    def __init__(self, balance):
        self.__balance = balance  # Приватный атрибут

    def deposit(self, amount):
        self.__balance += amount

    def get_balance(self):
        return self.__balance

# Доступ через методы
account = BankAccount(100)
account.deposit(50)
print(account.get_balance())  # 150

Однако при использовании ООП в Python есть свои ограничения и недостатки:

1. Скорость выполнения: Python медленнее некоторых языков, таких как C++ или Java, что может быть важным в больших ООП-приложениях.
2. Множественное наследование: Хотя Python поддерживает множественное наследование, оно может привести к сложности при неправильном использовании.
3. Нет строгой типизации: Это делает код гибким, но иногда приводит к ошибкам из-за неправильного использования объектов.

ООП в Java

ООП в Java пригодится при разработке крупных проектов с четкой структурой (например, банковские системы, CRM, игры). Также когда требуется повторное использование кода и управление сложными связями между объектами, и для обеспечения читаемости и удобства поддержки кода.

Преимущества ООП в Java

• Модульность: Легко разделить код на модули.
• Повторное использование кода: Использование наследования и полиморфизма.
• Упрощённое тестирование и поддержка: Хорошо структурированный код легче отлаживать.
• Надёжность: Строгая типизация и проверки времени компиляции снижают количество ошибок.

Пример ООП в Java (наследование):

class Animal {
    void speak() {
        System.out.println("This animal speaks");
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    void speak() {
        System.out.println("Woof!");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Dog dog = new Dog();
        dog.speak(); // Woof!
    }
}

ООП в C++

C++ — это мощный, но сложный язык, который требует внимательного подхода к проектированию и реализации ООП. С его помощью можно разрабатывать крупные и сложные проекты, например, игры, симуляции, операционные системы, высокопроизводительные серверы.

Преимущества ОПП на C++:

• Высокая производительность.
• Полный контроль над ресурсами.
• Гибкость в подходах к программированию.
• Возможность комбинировать ООП с процедурным программированием.

Ограничения

• Сложность кода и управления памятью.
• Потенциальные ошибки при множественном наследовании.
• Отсутствие встроенной сборки мусора.

Пример реализации полиморфизма ООП на C++:

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
    virtual void draw() { // Виртуальная функция
        cout << "Drawing a shape" << endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        cout << "Drawing a circle" << endl;
    }
};

int main() {
    Shape* shape = new Circle();
    shape->draw(); // Drawing a circle
    delete shape;
    return 0;
}

Практическое применение ООП

Объектно-ориентированное программирование (ООП) широко применяется в реальных проектах благодаря своей модульности, повторному использованию кода и гибкости. Вот несколько примеров реальных проектов, где используются принципы ООП.

Разработка игр

В игровой индустрии ООП используется для структурирования игровых объектов, их поведения и взаимодействий.

Пример: 3D-игра на Unity или Unreal Engine. В игре Fortnite, созданной на Unreal Engine, игровые персонажи, оружие и окружающая среда реализованы как объекты.

Языки: C#, C++.

Как используется ООП:

• Классы: Игрок, враг, предметы, оружие.
• Наследование: Вражеские персонажи наследуются от общего класса Enemy.
• Полиморфизм: Разные враги переопределяют метод атаки.
• Инкапсуляция: У каждого объекта свои скрытые данные, например, здоровье или боезапас.

CRM-системы (системы управления клиентами)

Программы для автоматизации взаимодействия с клиентами используют ООП для моделирования сущностей, таких как клиенты, заказы и сотрудники.

Пример: Salesforce или самописная CRM

Языки: Java, Python, C#.

Как используется ООП:

• Классы: Клиент, заказ, сотрудник.
• Наследование: Пользователь системы (User) может быть администратором или менеджером, каждый с разными правами.
• Инкапсуляция: Личная информация клиента (телефон, адрес) защищена.

Веб-приложения

ООП активно используется для создания модульных веб-приложений с использованием MVC (Model-View-Controller) архитектуры.

Пример: Интернет-магазин

Языки: PHP, JavaScript, Python (Django), Ruby (Rails).

Как используется ООП:

• Классы: Продукт, пользователь, заказ.
• Наследование: Класс Product может иметь подтипы: Electronic, Clothing.
• Инкапсуляция: Вся бизнес-логика скрыта внутри методов.

Разработка приложений для IoT (Интернет вещей)

ООП помогает управлять устройствами, датчиками и их взаимодействиями.

Пример: cистема умного дома Philips Hue

Языки: C++, Java, Python.

Как используется ООП:

• Классы: Устройства (свет, кондиционер), датчики (температуры, движения).
• Полиморфизм: Разные устройства обрабатывают команду «включить» по-своему.
• Инкапсуляция: Состояние устройства скрыто от внешнего вмешательства.

Сравнение ООП и функционального программирования

Объектно-ориентированное программирование (ООП) и функциональное программирование (ФП) — два основных парадигмы программирования, которые отличаются подходами к структурированию и решению задач. Рассмотрим их сходства и различия.

Сходства ООП и ФП

Модульность и абстракция

• Оба подхода поддерживают разбиение программы на логические блоки для улучшения читаемости и повторного использования.
• В ООП это достигается через классы и объекты, а в ФП — через функции и модули.

Поддержка современных языков

• Современные языки программирования (например, Python, Scala, Kotlin) поддерживают как ООП, так и ФП, что делает их подходы взаимодополняющими.

Обеспечение повторного использования кода

• В ООП — через наследование, интерфейсы и шаблоны проектирования.
• В ФП — через чистые функции и композицию.

Фокус на решении сложных задач

• Обе парадигмы подходят для создания сложных, масштабируемых приложений.

Высокий уровень абстракции

• ООП абстрагирует данные и их поведение.
• ФП абстрагирует вычисления и процессы через функции.

Различия ООП и ФП

Полезные ресурсы и книги по ООП

Книги

Гради Буч. «Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений». Классическая книга, которая объясняет основные принципы ООП, включая инкапсуляцию, наследование и полиморфизм. Включает реальные примеры и объяснения проектирования на основе объектов.

Бертран Мейер. «Объектно-ориентированное проектирование: модели и принципы». Углубленное объяснение проектирования объектов. Особое внимание уделяется наследованию, принципам контрактного программирования и качественной архитектуре.

Эрих Гамма, Ричард Хелм, Ральф Джонсон, Джон Влиссидес. «Банда четырех: Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования». Книга о паттернах проектирования, которая стала стандартом для всех программистов. Рассматривает основные шаблоны проектирования, такие как Singleton, Factory, Observer, Decorator и другие.

Видео