Введение в объектно-ориентированное программирование на языке Object Pascal: Методические указания к курсу компьютерных наук

М

И Н И СТ Е РСТ В О О Б РА ЗО В А Н И Я И Н А У К И

Ф

ИВ АНО КАФ

РО

ССИ Й СК О Й

Ф

Е Д Е РА Ц И И

Е Д Е РА Л Ь Н О Е А Г Е Н Т СТ В О ПО О Б РА ЗО В А Н И Ю В СК И Й Г О СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Е Д РА В Ы ЧИ СЛ И Т Е Л Ь Н О Й И ПРИ К Л А Д Н О Й М А Т Е М А Т И К И

В В Е Д Е Н И Е В О Б ЪЕ К Т Н О -О РИ Е Н Т И РО В А Н Н О Е ПРО Г РА М М И РО В А Н И Е Н А Я ЗЫ К Е OBJECT PASCAL

М етодические указания к курсукомп ь ю терны х наук

И в анов о И з д ат ел ь с т в о«И в анов с кий гос уд арс т в енны й унив ерс ит ет » 2005

С оста вител ь: с т арш ий препод ав ат ел ь кафед ры в ы чис л ит ел ь ной и прикл ад ной м ат ем ат ики Е . В . Со ко лов

Рас с м ат рив ают с я ос нов ны е понят ия объект но-ориент иров анного програм м иров ания и егореал из ация в яз ы ке Object Pascal, яв л яющем с я час т ь ю с ред ы раз работ ки Borland Delphi. Пред наз начает с я с т уд ент ам 2-3 курс ов м ат ем ат ичес кого факул ьт ет а, обучающим с я по с пециал ь нос т и/направ л ению «М ат ем ат ика» и направ л ению «М ат ем ат ика. Ком пь ют ерны е науки» .

П е ча та е тся по ре ш е н ию методиче ской комиссии ма тема тиче ског о фа кул ьте та Ива н овског ог осуда рстве н н ог о ун иве рсите та

Ре це н зе н т канд ид ат физ ико-м ат ем ат ичес кихнаук, д оцент Н . И . Я ц кин

Ó И з д ат ел ь с т в о«И в анов с кий гос уд арс т в енны й унив ерс ит ет » , 2005

СО Д Е РЖ А Н И Е В ведение ....................................................................................................... 4 1. М одуль но е п ро граммирование ............................................................ 6 1.1. М од ул и и ихс т рукт ура ................................................................... 6 1.2. И с пол ь з ов ание м од ул ей ................................................................ 11 1.3. Ос обеннос т и под кл ючения м од ул ей ............................................ 13 Упражнения ........................................................................................... 15 2. О б ъектно е п ро граммирование .......................................................... 16 2.1. Кл ас с ы и объект ы .......................................................................... 16 2.2. И с пол ь з ов ание кл ас с ов ................................................................. 18 2.3. Реал из ация кл ас с а ......................................................................... 22 2.4. Обл ас т и в ид им ос т и чл енов кл ас с а .............................................. 23 2.5. Конс т рукторы и д ес т рукторы ....................................................... 30 Упражнения ........................................................................................... 33 3. О б ъектно -о риентированно е п ро граммирование ........................... 34 3.1. Н ас л ед ов ание ................................................................................. 34 3.2. Сов м ес т им ос т ь кл ас с ов и ее ос обеннос т и .................................. 40 3.3. Опред ел ение т ипа объект а в ов рем я в ы пол нения ...................... 42 3.4. Ст ат ичес кое и д инам ичес кое с в яз ы в ание ................................... 45 3.5. Абс т ракт ны е м етод ы и кл ас с ы ..................................................... 51 Упражнения ........................................................................................... 55 4. Реализац ияо б ъектно й модели ........................................................... 56 4.1. Указ ат ел и на под програм м ы ......................................................... 56 4.2. Абс т ракт ны е кл ас с ы и обобщенны е ал горит м ы ......................... 59 4.3. Н ас л ед ов ание ................................................................................. 62 4.4. Динам ичес кое с в яз ы в ание ............................................................ 66 4.5. Вопрос ы опт им из ации .................................................................. 69 Заклю чение ............................................................................................... 77 Ч точит ат ь д ал ь ш е? .............................................................................. 79

3

В В Е Д Е НИЕ Объект но-ориент иров анное програм м иров ание пол учил орас прос т ранение в о в торой пол ов ине 80-хгод ов прош л ого в ека прежд е в с его как э ффект ив ная т ехнол огия раз работ ки бол ь ш ихпроектов . Как с л ед с т в ие, его ид еол огию и преим ущес т в а л егче понят ь чел ов еку, уже им еющем у опы т под обной работ ы с ис пол ь з ов анием т рад иционны хс ред с т в . В тоже в рем я в ряд л и цел ес ообраз ноприобрет ат ь т акой опы т л иш ь рад и из учения нов огопод ход а. В нас тоящем пос обии пред принят а попы т ка показ ат ь , как пол учит ь в ы игры ш от ис пол ь з ов ания объект ной т ехнол огии д аже в от нос ит ел ь но небол ь ш ихпрограм м ах. И з л ожение с т ав ит с в оей цел ь ю в ы пол нит ь наибол ее пл ав ны й переход от процед урногок объект но-ориент иров анном у програм м иров анию, не т ребуя от чит ат ел я с раз у же начат ь «м ы с л ит ь в т ерм инахООП» . Пред пол агает с я, чтоз наком с т в ос нов ы м и в оз м ожнос тям и и прим ерам и их прим енения пом ожет програм м ис т у оценив ат ь э ффект от ис пол ь з ов ания объект ногопод ход а в егопроект е и раз рабат ы в ат ь с т рукт уру кл ас с ов , ис ход я из ожид аем ы хрез ул ь т атов . Пос кол ь ку из д ание ориент иров анов перв ую очеред ь на с л уш ат ел ей кл ас с ичес кихунив ерс ит етов , в нем уд ел яет с я опред ел енное в ним ание с в яз ям програм м иров ания и т еорет ичес кой м ат ем ат ики. Раз в ет в л енная с ис т ем а абс т ракт ны хпонят ий пос л ед ней поз в ол яет л егкопрод ем онс т риров ат ь как преим ущес т в а нов ы хм еханиз м ов , т ак и ограниченнос т ь ихв оз м ожнос т ей. И з л ожение в д анном пос обии в ед ет с я с ис пол ь з ов анием яз ы ка Object Pascal, которы й яв л яет с я час т ь ю с ред ы раз работ ки Borland Delphi (в с е прив од им ы е прим еры т ес т иров ал ис ь в с ед ь м ой в ерс ии пакет а). Х орош оиз в ес т но, чтоПас кал ь раз рабат ы в ал с я Н . Виртом прежд е в с егокак учебны й яз ы к, и Object Pascal в опред ел енной м ере унас л ед ов ал э т у ос обеннос т ь . От с ут с т в ие в нем м ногихв оз м ожнос т ей, прис ущих C++ и Java, на начал ь ном э т апе из учения оказ ы в ает с я с корее преим ущес т в ом , чем нед ос т ат ком . Вм ес т е с т ем , объект ны е м од ел и э т ихт рехяз ы ков им еют м ногообщего, т ак чтос фера прим енения пол ученны хз наний не ограничив ает с я л иш ь програм м иров анием в Delphi. Перв ая час т ь пос обия с од ержит необход им ы е с в ед ения о с оз д ании библ иот ек. Х отя раз биение ис ход ного код а проект а на отд ел ь ны е м од ул и не им еет прям огоот нош ения к объект ном у програм м иров анию, без него не м огут бы т ь в пол ной м ере реал из ов аны абс т ракт ны е т ипы д анны х, опис анию раз работ ки которы хпос в ящена в торая час т ь . Т рет ь я 4

час т ь показ ы в ает, каким образ ом м еханиз м ы объект но-ориент иров анногопрограм м иров ания ис пол ь з уют с я д л я с оз д ания обобщенны хал горит м ов , прим еним ы хк д анны м пот енциал ь но бес конечногом ножес т в а т ипов . Н аконец, в чет в ертой час т и рас с м ат рив ают с я д в е нес кол ь кораз л ичны е реал из ации объект ной м од ел и и произ в од ит с я с рав нение в оз м ожнос т ей нов ой т ехнол огии и процед урногопрограм м иров ания. Сл ед ует от м ет ит ь , что круг в опрос ов , с в яз анны х с объект ны м под ход ом , не ис черпы в ает с я перечис л енны м и т ем ам и. Пол нос т ь ю з а рам кам и обс ужд ения ос т ал ис ь , в час т нос т и, кл ас с ы -конт ейнеры и м ножес т в енное нас л ед ов ание. Поэ той причине в пос обии не упом инают с я кл ас с ов ы е м етод ы и с с ы л ки, инт ерфейс ы объектов . Пред пол агает с я, чточит ат ел ь буд ет з наком ит ь с я с м атериал ом пос л ед ов ател ь но; текс т, которы й при перв ом прочт ении м ожно опус т ит ь , в ы д ел яет с я м ел ким ш рифтом . Дл я поним ания прим еров т ребует с я им еть пред с т ав л ение об ос нов ны хконс т рукцияхи т ипахяз ы ка Пас кал ь , в кл ючая з апис и, а т акже ос пос обахд инам ичес когоуправ л ения пам ят ь ю.

5

1. М О Д У Л ЬН О Е ПРО Г РА М М И РО В А Н И Е 1.1. М одули и их структура Соз д ание м од ул ей яв л яет с я с в яз ующим з в еном м ежд у процед урно-ориент иров анны м програм м иров анием , которое бы л онаибол ее попул ярной парад игм ой раз работ ки програм м ного обес печения в 1970-хгод ах, и информ ационно-ориент иров анны м (объект ны м ) програм м иров анием , с м енив ш им егов 1980-х. М одул ем в Object Pascal наз ы в ает с я с пециал ь ны м образ ом оформ л енная библ иот ека под програм м (процед ур и функций), которая м ожет т акже с од ержат ь объяв л ения нов ы хт ипов д анны х, перем енны хи конс т ант. Как и програм м у в цел ом , м од ул ь м ожнос ком пил иров ат ь . Рез ул ь т атом ком пил яции яв л яет с я файл , с очет ающий м аш инны й (пл ат форм оз ав ис им ы й) код под програм м м од ул я с т екс тов ы м и д анны м и: объяв л ениям и т ехже под програм м , а т акже т ипов , перем енны хи конс т ант, в в од им ы х в м од ул е. Сам ос тоят ел ь но з апус т ит ь на в ы пол нение э тот файл нел ь з я, од накоинформ ация из негов пос л ед с т в ии м ожет бы т ь ис пол ь з ов ана ком понов щиком (linker) д л я с борки програм м , в которы хим еют с я с с ы л ки на чл ены м од ул я. При э том упом янут ы е в ы ш е т екс тов ы е д анны е в ы с т упают в качес т в е опис ания с од ержим ого файл а, т ак что ис ход ны й код библ иот еки на э том э т апе оказ ы в ает с я уже не нужны м . Ос нов ное наз начение м од ул ей с ос тоит в раз биении бол ь ш ихпрограм м на от нос ит ел ь но нез ав ис им ы е час т и, с од ержащие л огичес ки с в яз анны е м ежд у с обой код и д анны е. Под обное раз биение упрощает с т руктуру програм м ы и поз в ол яет раз рабаты в ать отд ел ь ны е ее час т и нез ав ис им ои парал л ел ь но(в том чис л е раз л ичны м и л юд ь м и). Пом им оэ тогом од ул и неред ко в ы с тупают и в качес т в е конечного прод укт а, ес л и цел ь ю проект а яв л яет с я с оз д ание библ иот еки, которая м ожет м ногократнои без каких-л ибо из м енений ис пол ь з ов ат ь с я в раз ны хпрограм м ах. Как бы л о отм ечено в ы ш е, д л я под кл ючения т акой библ иот еки д ос т аточно л иш ь с ком пил иров анны хфайл ов , поэ том у появ л яет с я в оз м ожнос т ь раз работ ки ком м ерчес кихпрод уктов , не пред ос т ав л яющихд ос тупа к ис ход ном у код у. В Object Pascal ис ход ны й т екс т м од ул я хранит с я в од ном файл е с рас ш ирением pas. Э тот файл начинает с я с з арез ерв иров анного с л ов а unit (м од ул ь ), з а которы м через пробел с л ед ует им я м од ул я, з ав ерш аем ое точкой с з апятой. И м я м од ул я д ол жно с ов пад ат ь с им енем файл а, с од ержащегоегоис ход ны й код (в кл ючая регис т р с им в ол ов ). Заканчив а6

ет с я файл з арез ерв иров анны м с л ов ом end с точкой на конце. Прос т ранс т в о м ежд у з агол ов ком м од ул я и з ав ерш ающим end. раз бив ает с я на чет ы ре ра здел а : ин те рфе йса , ре а л иза ции, ин ициа л иза ции и фин а л иза ции (с л ед ующихим еннов т аком поряд ке). Раз д ел реал из ации начинает с я с кл ючев огос л ов а implementation и с инт акс ичес ки почт и ид ент ичен програм м е с той л иш ь раз ницей, что не с од ержит гл ав ногобл ока begin ¼ end. Б ол ее точноэ тооз начает, что з д ес ь м ожет рас пол агат ь с я л юбое кол ичес т в о опред ел ений процед ур и функций, с екций объяв л ения т ипов , перем енны хи конс т ант, с л ед ующих в произ в ол ь ном поряд ке. При э том , од нако, не с л ед ует з абы в ат ь , что ид ент ификаторы , как прав ил о, д ол жны бы т ь объяв л ены д ос в оегоперв огоис пол ь з ов ания. Раз д ел объяв л ений ил и инт ерфейс а (interface) м ожет с од ержат ь объяв л ения т ипов , перем енны хи конс т ант, им ена которы хд ол жны бы т ь уникал ь ны в пред ел ахм од ул я. Кром е того, с юд а пом ещают объяв л ения некоторы х(необяз ат ел ь но в с ех) под програм м , опред ел енны хв раз д ел е реал из ации 1. Е с л и объяв л ение под програм м ы наход ит с я в раз д ел е инт ерфейс а, тов раз д ел е реал из ации с пис ок ее парам ет ров м ожноопус т ить . В прот ив ном с л учае он д ол жен в точнос ти с оот в ет с тв ов ать прив ед енном у ранее. Вс е чл е н ы м од ул я (т ипы д анны х, перем енны е, конс т ант ы , процед уры и функции), перечис л енны е в раз д ел е инт ерфейс а, наз ы в ают с я открытыми ( public); чл ены , объяв л енны е л иш ь в раз д ел е реал из ации — за крытыми ( private). Объяс нение э т им т ерм инам буд ет д анов с л ед ующем параграфе. Раз д ел ы инициал из ации и финал из ации (начинающиес я с л ов ам и initialization и finalization, с оот в ет с т в енно) яв л яют с я необяз ат ел ь ны м и. Кром е того, раз д ел финал из ации м ожет ис пол ь з ов ат ь с я л иш ь в м од ул ях, с од ержащихбл ок инициал из ации. Синт акс ичес ки оба э т ихраз д ел а э кв ив ал ент ны т ел у процед уры ил и функции. В час т нос т и, они не д ол жны с од ержат ь никакихобъяв л ений. 1

Зд ес ь и д ал ее под объявл е н ием под програм м ы поним ает с я в ы ражение, которое с ос тоит из кл ючев огос л ов а procedure ил и function, з а которы м с л ед уют им я под програм м ы , с пис ок ее парам ет ров и т ип в оз в ращаем огоз начения (в с л учае функции). Пол ное опис ание под програм м ы , в кл ючающее ее з агол ов ок (header), т ел о(body) и перечень л окал ь ны хконс т ант, перем енны хи под програм м , наз ы в ает с я определ е н ием. Э т а т ерм инол огия отл ичает с я от принятой в оригинал ь ной д окум ент ации, гд е опред ел ение (в наш ем с м ы с л е) наз ы в ает с я объяв л ением (declaration).

7

Ос нов ное наз начение раз д ел а инициал из ации — з ад ание с т артов ы х з начений перем енны х (наприм ер, с пом ощь ю д ат чика с л учайны х чис ел ) и раз м ещение в пам ят и д инам ичес кихс т рукт ур д анны х. Раз д ел финал из ации ис пол ь з ует с я д л я ос в обожд ения рес урс ов , которы е м огл и бы т ь з анят ы в процес с е в ы пол нения раз д ел а инициал из ации и под програм м из раз д ел а реал из ации. Т ипичны м и з ад ачам и яв л яют с я уд ал ение д инам ичес ки с оз д анны хперем енны х, з акры т ие файл ов и т. п. Сл ед ует учит ы в ат ь , что раз д ел финал из ации м ожет бы т ь в ы з в ан д оз ав ерш ения раз д ел а инициал из ации. Т акая с ит уация в оз никает, ес л и в процес с е в ы пол нения пос л ед негопояв л яет с я ош ибка ил и, гов оря бол ее точно, необработ анная ис кл ючит ел ь ная с ит уация. В з акл ючение э тогопараграфа прив ед ем прим ер реал из ации библ иот еки д л я работ ы с рационал ь ны м и чис л ам и. Она в кл ючает опред ел ения нов огот ипа Rational — з апис и с д в ум я пол ям и цел огот ипа num и den д л я хранения чис л ит ел я и з нам енат ел я — и в ос ь м и под програм м , работ ающихс д анны м и э тогот ипа. Перв ы е чет ы ре: функции Plus, Minus, Dot и Slash, пред с т ав л яют с обой обы чны е операторы с л ожения, в ы чит ания, ум ножения и д ел ения рационал ь ны хчис ел . Ос т ав ш иес я процед уры реал из уют т ак наз ы в аем ы е опе ра торы с присвое н ием. И хотл ичие с ос тоит в том , чторез ул ьт ат в ы пол нения с оотв ет с т в ующей операции с охраняет с я в перв ом аргум ент е. Т ак, наприм ер, в ы з ов процед уры Add: Add(r1, r2);

э кв ив ал ент ен в ы ражению r1 := Plus(r1, r2);

Очев ид но, что ис пол ь з ов ание перв ой инс т рукции э ффект ив нее: ис чез ает л иш няя операция прис в аив ания. Кром е того, в с л ед ующей час т и м ы ув ид им , чтораз рабат ы в ат ь и ис пол ь з ов ать операторы с прис в оением иногд а оказ ы в ает с я проще, чем обы чны е ал гебраичес кие операции. Пример 1.1. Б ибл иот ека д л я работ ы с рационал ь ны м и чис л ам и. unit UnitRational; interface // объявление типа Rational type Rational = record // рациональное число num: Integer; // числитель (numerator) den: Integer; // знаменатель (denominator) end;

8

// объявления подпрограмм function Plus(r1,r2:Rational): Rational; function Minus(r1,r2:Rational): Rational; function Dot(r1,r2:Rational): Rational; function Slash(r1,r2:Rational): Rational; procedure Add(var r1:Rational; r2:Rational); procedure Subtract(var r1:Rational; r2:Rational); procedure MultiplyBy(var r1:Rational; r2:Rational); procedure DivideBy(var r1:Rational; r2:Rational);

// // // // // // // //

Плюс Минус Точка Косая черта Прибавить Вычесть УмножитьНа РазделитьНа

{ Поскольку результат выполнения перечисленных выше процедур сохраняется в первом аргументе, этот аргумент должен быть передан по ссылке, а не по значению. } implementation uses SysUtils; // модуль включает поддержку исключений procedure Normalize(var r:Rational); { Процедура приводит рациональное число r, передаваемое в качестве параметра, к нормальной форме: числитель - целое число, знаменатель - натуральное. } begin if r.den<0 then begin r.num:=-r.num; r.den:=-r.den; end; end; procedure Reduce(var r:Rational); { Процедура сокращает числитель и знаменатель числа r на их наибольший общий делитель. } var a,b:Integer; begin // используется алгоритм Евклида поиска НОД a:=Abs(r.num); b:=r.den; while a<>0 do if a>=b then a:=a-b else b:=b-a; // по завершении цикла b=НОД(r.num,r.den) r.num:=r.num div b; r.den:=r.den div b; end; // определения подпрограмм, объявленыых в разделе интерфейса function Plus(r1,r2:Rational): Rational; var res: Rational; begin res.num:=r1.num*r2.den+r1.den*r2.num; res.den:=r1.den*r2.den; Normalize(res); Reduce(res);

9

result:=res; { Последняя инструкция эквивалентна выражению Plus:=res; Локальная переменная result неявно объявляется в каждой функции и имеет тип, совпадающий с типом возвращаемого значения. По завершении работы функции содержимое этой переменной передается вызывающей программе. } end; procedure Add(var r1:Rational; r2:Rational); var _num,_den:Integer; begin _num:=r1.num*r2.den+r1.den*r2.num; _den:=r1.den*r2.den; r1.num:=_num; r1.den:=_den; Normalize(r1); Reduce(r1); end; function Slash(r1,r2:Rational): Rational; var res: Rational; begin if r2.num=0 then raise Exception.Create('Division by zero'); { Если числитель второго аргумента равен нулю, возбуждается исключение с сообщением "Деление на ноль". } res.num:=r1.num*r2.den; res.den:=r1.den*r2.num; Normalize(res); Reduce(res); result:=res; end; procedure DivideBy(var r1:Rational; r2:Rational); var _num,_den:Integer; begin if r2.num=0 then raise Exception.Create('Division by zero'); _num:=r1.num*r2.den; _den:=r1.den*r2.num; r1.num:=_num; r1.den:=_den; Normalize(r1); Reduce(r1); end; ... { Определение оставшихся четырех процедур и функций совершенно аналогично и потому здесь опускается. В реальном коде оно обязательно должно присутствовать. } end.

10

Отл ичит ел ь ной ос обеннос т ь ю функции Slash и процед уры DivideBy яв л яет с я час т ичны й характ ер в ы пол няем ы хим и операций. Е с л и в торой ихаргум ент оказ ы в ает с я рав ны м нул ю, в оз никает искл ю чител ьн а я ситуа ция — с ос тояние програм м ы , при котором д ал ь нейш ее в ы пол нение т екущей под програм м ы нев оз м ожно. Воз бужд ение ис кл ючения, ос ущес т в л яем ое оператором raise, поз в ол яет прерв ат ь в ы чис л ения и пред ос т ав ит ь в ы з ы в ающей програм м е прав ос ам ой принят ь реш ение, как преод ол ет ь появ ив ш уюс я неод ноз начнос т ь . Она м ожет л ибо обра бота ть искл ю чител ьн ую ситуа цию , ес л и т а не яв л яет с я крит ичной д л я ос нов ного ал горит м а, л ибов с в ою очеред ь прекрат ит ь в ы пол нение с в ы д ачей с оот в ет с т в ующего с ообщения пол ь з ов ател ю. По ум ол чанию ис пол ь з ует с я в торой в ариант. М еханиз м ис кл ючений яв л яет с я э ффект ив ной ал ьт ернат ив ой за щищ е н н ой те хн ике прог ра ммирова н ия, ос нов анной на анал из е в оз в ращаем ы хт ем ил и ины м с пос обом код ахош ибки. 1.2. И сп о ль зование модулей Соз д анны й м од ул ь м ожет бы т ь ис пол ь з ов ан как в ос нов ной програм м е, т ак и в д ругом м од ул е; ихназ ы в ают кл ие н та ми д анногом од ул я. Под кл ючение ос ущес т в л яет с я пос ред с т в ом оператора uses (ис пол ь з ует ): uses ИмяМодуля;

В програм м е в с е операторы uses д ол жны с тоят ь с раз у пос л е з агол ов ка, в м од ул е — пос л е с л ов interface ил и implementation. В од ном операторе uses м ожноперечис л ит ь и нес кол ь коим ен, раз д ел ив ихз апят ы м и. Пос л е под кл ючения м од ул я кл иент у с т анов ят с я д ос т упны л иш ь его от кры т ы е чл ены (т. е. т е, которы е бы л и объяв л ены в с екции инт ерфейс а). Обращение к ним произ в од ит с я т ак, как ес л и бы они бы л и объяв л ены в с ам ом кл иент е. В час т нос т и, перем енны е и конс т ант ы с т анов ят с я гл обал ь ны м и. Воз м ожна, од нако, с ит уация, когд а раз ны е м од ул и с од ержат от кры т ы е чл ены с од инаков ы м и им енам и. В э том с л учае обращение к чл ену конкрет ногом од ул я ос ущес т в л яет с я при пом ощи в ы ражения ИмяМодуля.ИмяЧлена

Е с л и ис пол ь з ует с я т акая з апис ь , тогов орят, чтоим я чл ена ква л ифицирова н о им енем м од ул я. Б ол ее под робно пробл ем а перекры в ающихся объяв л ений рас с м ат рив ает с я в § 1.3.

11

В качес т в е прим ера рас с м от рим небол ь ш ую програм м у, т ес т ирующую библ иот еку из пред ы д ущегопараграфа. Пример 1.2. Т ес тов ая програм м а д л я библ иот еки из прим ера 1.1. program TestRational; {$APPTYPE CONSOLE} // директива компилятора, определяющая консольное // приложение uses UnitRational; // подключаем модуль нашей библиотеки var r1: Rational = (num: 1; den: 2); r2: Rational = (num: -2; den: 6); ra,rs,rm,rd: Rational; { Поскольку тип Rational объявлен в интерфейсной части модуля, мы можем использовать его для объявления переменных. После старта приложения переменные r1 и r2 инициализируются значениями 1/2 и -2/6. } begin ra:=Plus(r1,r2); // обращение к функциям и процедурам модуля rs:=Minus(r1,r2); // осуществляется просто по их именам, rm:=Dot(r1,r2); // однако допустимы и выражения вида rd:=Slash(r1,r2); // ra:=UnitRational.Plus(r1,r2); WriteLn('Plus: ',ra.num,'/',ra.den); WriteLn('Minus: ',rs.num,'/',rs.den); WriteLn('Dot: ',rm.num,'/',rm.den); WriteLn('Slash: ',rd.num,'/',rd.den); Add(ra,r2); Subtract(rs,r2); MultiplyBy(rm,r2); DivideBy(rd,r2); WriteLn('Add: ',ra.num,'/',ra.den); WriteLn('Sub: ',rs.num,'/',rs.den); WriteLn('Mul: ',rm.num,'/',rm.den); WriteLn('Div: ',rd.num,'/',rd.den); ReadLn; // ввод необходим только для предотвращения // автоматического закрытия окна консоли end.

В процес с е работ ы програм м а в ы в од ит с л ед ующую информ ацию: Plus: Minus: Dot: Slash:

1/6 5/6 -1/6 -3/2

12

Add: Sub: Mul: Div:

-1/6 7/6 1/18 9/2

Зд ес ь с т роки 3 и 7 д ем онс т рируют, в час т нос т и, коррект ную работ у процед уры Reduce, а 4 и 8 — т акже и процед уры Normalize. Обе они яв л яют с я з акры т ы м и, поэ том у непос ред с т в енное упот ребл ение в т ес тов ой програм м е в ы ражений т ипа Normalize(r2); Reduce(r2); прив ед ет к ош ибке на э т апе ком пил яции. В д ейс т в ит ел ь нос т и, раз д ел ение чл енов м од ул ей на от кры т ы е и з акры т ы е яв л яет с я од ним из ос нов ны хпреим ущес т в ис пол ь з ов ания пос л ед них. Онопоз в ол яет с кры т ь от кл иент а час т ь реал из ации ал горит м а, которую в пос л ед с т в ии м ожнобуд ет м од ифициров ат ь , не в нос я никаких из м енений в ис ход ны й код д анногокл иент а. Б ол ее того, ес л и библ иот ека яв л яет с я д инам ичес ки з агружаем ой, тоее кл иент ы не прид ет с я д аже переком пил иров ат ь . 1.3. О со б енно сти п одклю чениямодулей В э том параграфе нам буд ет уд обнос чит ат ь ос нов ную програм м у м од ул ем , в котором нет раз д ел а инт ерфейс а, а рол ь раз д ел ов инициал из ации и финал из ации играет гл ав ны й бл ок begin ¼ end. Операторы uses опред ел яют от нош ения з ав ис им ос т и м ежд у м од ул ям и, которы е очев ид ны м образ ом м огут бы т ь пред с т ав л ены в в ид е ориент иров анного г ра фа за висимосте й. Е с л и с ущес т вует пут ь , с в яз ы в ающий в э том графе в ерш ину, с оот в ет с т в ующую м од ул ю A, с в ерш иной, с оотв ет с т в ующей м од ул ю B, тогов орят, чтом од ул ь A косве н н о испол ьзуе т м од ул ь B. Пос кол ь ку граф з ав ис им ос т ей м ожет им ет ь практ ичес ки л юбой в ид , в оз м ожнос т ь кос в енного ис пол ь з ов ания порожд ает некоторы е пробл ем ы , которы е необход им оучит ы в ать при раз работ ке м од ул ей. Прежд е в с его з ам ет им , что м од ул ь м ожет кос в енно ис пол ь з ов ат ь с ам с ебя. Т акая с итуация с оот в ет с т в ует цикл у на графе и наз ы в ает с я цикл иче ской ссыл кой м од ул ей. Ком пил ятор з апрещает цикл ичес кую с с ы л ку, ес л и в с е с оотв ет с т в ующие ей операторы uses рас пол ожены в инт ерфейс ны хчас тяхм од ул ей. Т ем с ам ы м ис кл ючает с я в оз м ожнос т ь появ л ения с ам ос с ы л ающихсяобъяв л ений т ипов д анны х. От с юд а в ы т екает с л ед ующее прав ил о: под кл ючение м од ул я в раз д ел е инт ерфейс а в ы пол няет с я л иш ь тогд а, когд а его перем енны е, конс т ант ы ил и т ипы ис пол ь з уют с я в объяв л енияхд анногораз д ел а. Вов с ех 13

ос т ал ь ны хс л учаяхс оот в ет с т в ующий оператор uses пом ещает с я в раз д ел реал из ации. Поряд ок под кл ючения м од ул ей опред ел яет и поряд ок с рабат ы в ания ихраз д ел ов инициал из ации и финал из ации, причем с ущес т в енны м и з д ес ь оказ ы в ают с я не тол ь ков ид графа з ав ис им ос т ей, нои очеред нос т ь перечис л ения м од ул ей в операторах uses. Пос л ед ов ат ел ь нос т ь в ы пол нения э т ихраз д ел ов опред ел яет с я инд укт ив нос л ед ующим образ ом . Дл я м од ул я, не ис пол ь з ующегод ругихм од ул ей, процед урой инициал из ации буд ем наз ы в ат ь прос той в ы з ов его раз д ел а инициал из ации, ес л и тол ь коон уже не бы л в ы пол нен ранее. Пус т ь т еперь м од ул ь A под кл ючает м од ул и B1, B2, ¼, Bn (им еннов т аком поряд ке). Тогд а процед ура инициал из ации м од ул я A буд ет с ос тоят ь в пос л ед ов ат ел ь ном в ы з ов е процед ур инициал из ации м од ул ей B1, B2, ¼, Bn и з ав ерш ат ь с я в ы пол нением раз д ел а инициал из ации м од ул я A (с нов а при ус л ов ии, что э то не бы л ос д ел аноранее). Т аким образ ом , процед ура инициал из ации ос нов ной програм м ы прив од ит к од нократ ном у ис пол нению раз д ел ов инициал из ации в с ехм од ул ей, кос в енноею ис пол ь з уем ы х. Раз д ел ы финал из ации в ы з ы в ают с я в обрат ном поряд ке. Рас с м от рим небол ь ш ой прим ер. Пус т ь програм м а Program1 с од ержит оператор uses Unit1, Unit2, Unit3; и пус т ь м од ул и Unit1 и Unit2 т акже ис пол ь з уют м од ул ь Unit3. Т огд а граф з ав ис им ос т ей м од ул ей в ы гл яд ит с л ед ующим образ ом : Program1 Unit1

Unit2

Unit3

Пос л е с т арт а прил ожения начинает с я инициал из ация ос нов ной програм м ы и перв ой в ы з ы в ает с я процед ура инициал из ации м од ул я Unit1. Пос кол ь ку он ис пол ь з ует Unit3, то с начал а в ы пол няет с я раз д ел инициал из ации Unit3, а з ат ем — Unit1. Дал ее с л ед ует процед ура инициал из ации м од ул я Unit2. Т ак как Unit3 уже бы л инициал из иров ан, она с в од ит с я к в ы з ов у раз д ел а инициал из ации Unit2. Т рет ь ей пос чет у в ы пол няет с я процед ура инициал из ации Unit3, которая прос то ничего не д ел ает. Т еперь нас тупает черед ос нов ного бл ока програм м ы , по з ав ерш ении работ ы которого раз д ел ы финал из ации м од ул ей ис пол няют с я в обрат ном поряд ке: Unit2, Unit1, Unit3. Э тот прим ер показ ы в ает, в час т нос т и, что пос л ед ов ат ел ь нос т ь инициал из ации м од ул ей не в с егд а очев ид на раз работ чику програм м ы . 14

Поэ том у в д окум ент ации к некоторы м библ иот екам жес т коогов арив ают пос л ед ов ат ел ь нос т ь их под кл ючения. Реком енд ует с я т акже перв ы м и в операторахuses указ ы в ат ь с т анд арт ны е м од ул и Delphi. Раз работ чик с ис т ем ы библ иот ек, раз ум еет с я, т акже д ол жен учит ы в ат ь опис анную в ы ш е неод ноз начнос т ь . Пробл ем ы з д ес ь м огут бы т ь с в яз аны , в час т нос т и, с попы т кам и раз л ичны хм од ул ей з ахв ат ит ь од ни и т е же рес урс ы . Преод ол ет ь э т у неприят нос т ь м ожно, наприм ер, пос ред с т в ом ус т анов ки с оот в ет с т в ующихфл агов . Н аконец, еще од на с л ожнос т ь в ы з в ана т ем , чтов раз л ичны хм од ул яхм огут бы т ь объяв л ены чл ены с од ним и и т ем и же им енам и. Э т и чл ены с кры в ают д руг д руга и кл ючев ую рол ь з д ес ь с нов а играет поряд ок перечис л ения м од ул ей в операторе uses. Е с л и м од ул ь A пос л ед ов ат ел ь но под кл ючает м од ул и B1, B2, ¼, Bn, то объяв л ения м од ул я Bi + 1 с кры в ают объяв л ения м од ул я Bi, а объяв л ения м од ул я A — в с е объяв л ения м од ул ей Bk, 1 £ k £ n. Т ем не м енее, д ос туп к чл енам конкрет ного м од ул я в с егд а м ожнопол учит ь , кв ал ифициров ав им яэ тогочл ена им енем м од ул я. В качес т в е ил л юс т рации с нов а рас с м от рим прим ер, прив ед енны й в ы ш е. Пред пол ожим , чтом од ул ь Unit3 с од ержит от кры т ую перем енную x т ипа Integer, а м од ул ь Unit2 — перем енную с т ем же им енем , но уже т ипа Real. Т огд а в м од ул яхUnit1 и Unit3 перем енная x буд ет цел ой, а в м од ул е Unit2 — д ейс т в ит ел ь ной, т ак как в нем объяв л ение из м од ул я Unit3 с кры в ает с я с обс т в енны м . В ос нов ной програм м е перем енная x с нов а буд ет цел ой, пос кол ь ку пос л ед ним в операторе uses с тоит Unit3, д ос т уп же к в ещес т в енной перем енной м од ул я Unit2 ос ущес т в л яет с я с пом ощь ю в ы ражения Unit2.x. У п раж нения 1.1. Раз работ айт е библ иот еку д л я работ ы с цел очис л енны м и в екторам и д л ины n, гд е n — некоторая конс т ант а. У казание. Пом им о из в ес т ны хм ат ем ат ичес кихопераций д л я нов огот ипа раз ум ноопред ел ит ь под програм м ы , которы е реал из уют д ейс т в ия, с пецифичны е д л я програм м иров ания: прис в аив ание, с рав нение, с оз д ание копии.

1.2. Т а же з ад ача, но д л я м ат риц раз м ера n ´ n, эл ем ент ам и которы х яв л яют с я рационал ь ны е чис л а. При в ы пол нении арифм ет ичес ких операций в э том с л учае с л ед ует ис пол ь з ов ат ь под програм м ы из м од ул я UnitRational.

15

2. О Б ЪЕ К Т Н О Е ПРО Г РА М М И РО В А Н И Е 2.1. К лассы и о б ъекты Б ибл иот ека, пос т роенная в параграфе 1.1, им еет ряд нед ос т ат ков . Во-перв ы х, не в с якое з начение перем енной т ипа Rational, д опус т им ое с точки з рения ком пил ятора, яв л яет с я т аков ы м и с точки з рения л огики програм м ы . Т ак, наприм ер, ес л и оба пол я num и den некоторой з апис и r с од ержат нул и (а им еннот акие з начения они пол учают при с т ат ичес ком раз м ещении перем енной в пам ят и), то перед ача r в качес т в е перв огопарам ет ра л юбой из от кры т ы хпод програм м библ иот еки прив од ит к бес конечном у в ы пол нению цикл а в процед уре Reduce и, как с л ед с т в ие, к з ав ис анию програм м ы . Т аким образ ом , програм м ис т, ис пол ь з ующий библ иот еку, пос тояннод ол жен с л ед ит ь з а т ем , чтобы пол я в с ех ис пол ь з уем ы хим перем енны хим ел и д опус т им ы е з начения. Н а э том ожнов оз раз ит ь , прав д а, чтопров ерку з начений парам ет ров на коррект нос т ь с л ед ует прос то д обав ит ь к реал из ации операций. Од наков с л ожны хал горит м ахв ы з ов ы под програм м проис ход ят гораз д о чаще, чем яв ное прис в аив ание, поэ том у т акое реш ение прив ед ет к с нижению с корос т и ихв ы пол нения. Вторая пробл ем а м енее очев ид на, нот акже в ес ь м а с ущес т в енна. И нт ерфейс м од ул я UnitRational показ ы в ает, что к перем енны м объяв л енного в нем т ипа прим еним ы операции с л ожения, в ы чит ания, ум ножения и д ел ения. Вм ес т е с т ем нет никакогос пос оба форм ал ь ногоопред ел ения того, чтот а ил и иная операция, наприм ер, в з ят ие ос т ат ка от д ел ения, к ним н е приме н има . Пол ь з ов ат ел ь библ иот еки в ообще не обяз ан с т роит ь с в ои програм м ы л иш ь на пред ос т ав л енны хв его рас поряжение процед урахи функциях, в м ес то э того он м ожет факт ичес ки нарав не в раз работ чиком с оз д ав ат ь с обс т в енны е под програм м ы , оперирующие д анны м т ипом . В д ейс т в ит ел ь нос т и, от м еченны е неприят нос т и яв л яют с я час т ны м и с л учаям и бол ее общей пробл ем ы : от кры тос т и в нут ренней с т рукт уры т ипа Rational. В пред ы д ущей час т и м ы уже гов орил и о том , что с окры т ие реал из ации библ иот еки с оз д ает в оз м ожнос т ь ее из м енения без с оот в ет с т в ующей м од ификации код а кл иентов . Т очно т ак же с окры т ие реал из ации т ипа д анны хд ает програм м ис т у-раз работ чику пол ную с в обод у в в ы боре конкрет ного пред с т ав л ения э того т ипа и в оз м ожнос т ь конт рол я цел ос т нос т и егообъектов . 16

Н о ес л и с т рукт ура т ипа не в ид на пол ь з ов ат ел ю, то что же тогд а с л ужит егоопис анием ? В качес т в е т аков огот еперь в ы с т упают свойства объектов д анного т ипа, то ес т ь операции, которы е к ним прим еним ы . Т ип д анны хс ос кры т ы м в нут ренним пред с т ав л ением , опис анны й в т ерм инахд опус т им ы хопераций, наз ы в ают а бстра ктн ым. Зам ет им , чтоабс т ракт ны е т ипы им еют м ногообщегос понят иям и с ов рем енной м ат ем ат ики. Кажд ое в в ед ение в т еорию м ножес т в от м ечает, чтоприрод а ихэл ем ентов не им еет никакогоз начения: м ножес т в а и кл ас с ы опред ел яют с я прос то как с ущнос т и, над которы м и м ожно в ы пол нят ь опред ел енны е операции. Т оже с ам ое в ернои в от нош ении л юбого д ругого м ат ем ат ичес кого понят ия. Сл ед с т в ием т акого под ход а яв л яет с я пов ы ш енная рез ул ь т ат ив нос т ь : конечны й итог того ил и иного ис с л ед ов ания как прав ил ооказ ы в ает с я прим еним не к од ном у, а к цел ом у кл ас с у конкрет ны хобъектов . Абс т ракт ны е т ипы д анны х в ы пол няют анал огичную функцию, поз в ол яя с оз д ав ат ь ал горит м ы , не з ав ис ящие от реал из ации т ипа и потом у обл ад ающие з начит ел ь но бóл ь ш им в рем енем жиз ни. Б ол ее того, появ л яет с я в оз м ожнос т ь раз рабат ы в ат ь обобщ е н н ые а л г оритмы, которы е од нов рем еннои без каких-л ибоиз м енений м огут бы т ь прим енены к д анны м пот енциал ь нобес конечногом ножес т в а т ипов . В Object Pascal, как и в бол ь ш инс т в е д ругихс ов рем енны хяз ы ков програм м иров ания, абс т ракт ны е т ипы реал из уют с я пос ред с т в ом кл а ссов. Кл ас с ом з д ес ь наз ы в ает с я т ип д анны х, объед иняющий в с ебе с т рукт уру, анал огичную з апис и, и набор под програм м д л я работ ы с ней. Перем енны е кл ас с ов огот ипа наз ы в ают объе кта ми. Опред ел ение кл ас с а с ос тоит из д в ухчас т ей: ин те рфе йса и ре а л иза ции. И нт ерфейс раз м ещает с я в раз д ел е type и им еет с л ед ующий в ид : ИмяКласса = class СписокЧленов end;

гд е И м я Клас с а — л юбой д опус т им ы й ид ент ификатор, С пи с о кЧ лено в — с пис ок объяв л ений чл енов кл ас с а: пол е й и ме тодов (в оз м ожно, пус той). В д ейс т в ит ел ь нос т и, яз ы к Object Pascal ис пол ь з ует еще од ин т ип чл енов кл ас с а: свойства ( properties), которы й поз в ол яет с в яз ы в ат ь м ежд у с обой пол я и м етод ы . Св оим проис хожд ением он обяз ан, по-в ид им ом у, ос обеннос тям с ред ы раз работ ки, ис пол ь з уем ой Delphi. В отл ичие от с в ойс т в абс т ракт ны хт ипов , пол нос т ь ю опис ы в ающихв оз м ожнос т и экз ем пл яров , с в ойс т в а кл ас с а ис пол ь з уют с я в ос нов ном д л я пред с т ав л ения кол ичес т в енны ххаракт ерис т ик объект а. Н ичего принципиал ь но нов ого в объект ную м од ел ь с в ойс т в а не д обав л яют, поэтом у д ал ее м ы онихгов орит ь не буд ем .

17

Пол я кл ас с а, т ак же как и пол я з апис и, пред с т ав л яют с обой обы чны е перем енны е, с группиров анны е в од ну с т рукт уру. М етод ы — э то под програм м ы д л я работ ы с д анной с т рукт урой. Объяв л ения пол ей и м етод ов анал огичны объяв л ениям , с оот в ет с т в енно, перем енны хи под програм м . Рас с м от рим Пример 2.1. И нт ерфейс кл ас с а «Т реугол ь ник» . type Triangle = class a,b,c: Real; function Square: Real; function Perimeter: Real; end;

// // // //

класс треугольник поля - длины сторон метод для вычисления площади метод для вычисления периметра

Прив ед енное объяв л ение показ ы в ает, чтообъект ы кл ас с а Triangle характ ериз уют с я т рем я д ейс т в ит ел ь ны м и чис л ам и — д л инам и с торон, и что к кажд ом у объект у прим еним ы операции в ы чис л ения пл ощад и и перим ет ра. Отл ожим на в рем я в опрос о реал из ации м етод ов и пос м от рим , как ис пол ь з ов ат ь готов ы е кл ас с ы в програм м е. 2.2. И сп о ль зование классов Как и д ругие т ипы д анны х, кл ас с ы д ос т аточноред кофигурируют с обс т в еннов код е ал горит м ов . Обы чноихим ена упот ребл яют с я в объяв л енияхобъектов — перем енны хи парам ет ров под програм м . Ос обеннос т ь ю объект ной м од ел и яз ы ка Object Pascal яв л яет с я то, что в с е объект ны е перем енны е в нем пред с т ав л яют с обой указ ат ел и (ссыл ки н а объе кты, object reference), ис ход ны е з начения которы х не опред ел ены . Дл я реал ь ногораз м ещения объект а в пам ят и ис пол ь з ует с я с л ед ующая инс т рукция: ИмяОбъекта := ИмяКласса.Create;

Она в ы д ел яет в пам ят и обл ас т ь , с од ержащую по од ном у э кз ем пл яру кажд огопол я кл ас с а, и прис в аив ает объект ной перем енной ее ад рес . Т аким образ ом , в опреки перв ом у в печатл ению, объект ы им еют почт и т акое же в нут реннее с т роение, как и перем енны е т ипа «з апис ь » . М етод ы по-прежнем у раз м ещают с я в пам ят и тол ь коод ин раз , в обл ас т и, от в ед енной д л я код а, и ихобъед инение с пол ям и в объяв л ении кл ас с а

18

нос ит чис тос инт акс ичес кий характ ер2. Н екоторое с ход с т в ом ежд у прив ед енны м в ы ш е в ы ражением и инс т рукцией в оз бужд ения ис кл ючения raise Exception.Create(...) не с л учайно. В д ейс т в ит ел ь нос т и, в с е ис кл ючения в Object Pascal яв л яют с я объект ам и кл ас с а Exception и, в ы з ы в ая их, м ы перед аем оператору raise ад рес в нов ь с оз д анногоэкз ем пл яра д анногокл ас с а, с од ержащегоопис ание ис кл ючит ел ь ной с ит уации. Впос л ед с т в ии эт а информ ация м ожет бы т ь ис пол ь з ов ана при обработ ке ис кл ючения, од нако под робное з наком с т в о с д анны м процес с ом не в ход ит в наш и пл аны .

Пос л е в ы д ел ения пам ят и обращение к пол ям объект а произ в од ит с я пос ред с т в ом оператора «точка» : ИмяОбъекта.ИмяПоля

Операция раз ы м енов ы в ания (^), необход им ая при работ е с д инам ичес ким и перем енны м и д ругихт ипов , д л я объект ны хс с ы л ок не т ребует с я. Опис анию с инт акс ис а в ы з ов а м етод ов пред пош л ем небол ь ш ое от с т упл ение. Как из в ес т но, в м ат ем ат ике прим еняют с я д в а с пос оба з апис и отображений: функционал ь ны й x(a, b) и операторны й a x b. Перв ы й яв л яет с я бол ее унив ерс ал ь ны м и ис пол ь з ует с я в т еории функций. Второй в с очет ании с о с в ойс т в ом ас с оциат ив нос т и поз в ол яет из бежат ь л иш них с кобок при з апис и ком поз иции отображений и характ ерен д л я ал гебры . Абс ол ют но никакой с од ержат ел ь ной раз ницы м ежд у э т им и с пос обам и нет и в ы бор в пол ь з у того ил и иного опред ел яет с я, гл ав ны м образ ом , с л ожив ш им ис я т рад ициям и. Яз ы ки програм м иров ания обы чно под д ержив ают обе форм ы з апис и, рас ш иряя как понят ие оператора, т ак и понят ие функции. С появ л ением объектов к э т им форм ам д обав л яет с я еще од на, нес кол ь ков арь ирующаяс я от од ногояз ы ка к д ругом у. В Object Pascal д л я в ы з ов а м етод ов ис пол ь з ует с я инс т рукция в ид а ИмяОбъекта.ИмяМетода(Параметры);

которая с од ержат ел ь но(ноне с инт акс ичес ки!) э кв ив ал ент на в ы ражению ИмяМетода(ИмяОбъекта,Параметры); 2

Ч ит ател ь, в ероятно, уже з ам ет ил , чтотерм ин «объект » ис пол ь з ует с я нам и в д вух нес кол ь ко раз л ичны хс м ы с л ах: перем енная кл ас с ов ого типа и обл ас ть пам яти, ад рес уем ая этой перем енной. Второе бол ее точно, од накос точки з рения объектной ид еол огии конкрет ное пред с т ав л ение объект а не им еет з начения, поэтом у перв ая инт ерпрет ация т акже д опус т им а. Дал ее, гов оря о перем енной x как об объект е, м ы в с егд а буд ем под раз ум ев ать объект, ад рес которогос од ержит x.

19

Т аким образ ом , перв ы й аргум ент прос тос т ав ит с я перед им енем под програм м ы и отд ел яет с я от неготочкой. От с юд а с л ед ует, в час т нос т и, чтокажд ом у м етод у перед ает с я по крайней м ере од ин аргум ент — объект, д л я которогоэ тот м етод в ы з ы в ает с я. Данное прав ил о в пол не с оот в ет с т в ует поним анию м етод а как с в ойс т в а объект а: нел ь з я гов орит ь ос в ойс т в е, не указ ав , к чем у им енно оно от нос ит с я. Ст анов ит с я яс но т акже, почем у в рас с м от ренном в ы ш е прим ере м етод ы Square и Perimeter объяв л ены без парам ет ров : необход им ая информ ация буд ет перед ана им ав том ат ичес ки. Н ов ая, не с ов с ем обы чная, форм а з апис и в д ейс т в ит ел ь нос т и поз в ол яет нес кол ь кос ократ ит ь кол ичес т в оис пол ь з уем ы хс кобок, ув ел ичив ая т ем с ам ы м чит абел ь нос т ь в ы ражений. В с ам ом д ел е, ес л и эл ем ент д анны х, в оз в ращаем ы й м етод ом -функцией, в с в ою очеред ь яв л яет с я объектом , тод л я негос нов а м огут бы т ь в ы з в аны с оот в ет с т в ующие м етод ы . В рез ул ьт ат е, в оз никают пос л ед ов ат ел ь нос т и в ид а Объект.Метод1(¼).Метод2(¼).Метод3(¼).¼

гд е м етод с ном ером k от нос ит с я к кл ас с у, котором у принад л ежит объект, в оз в ращаем ы й м етод ом с ном ером k - 1.

Рас с м от рим , наконец, небол ь ш ую програм м у, д ем онс т рирующую работ у с объект ам и кл ас с а Triangle. Сам а в оз м ожнос т ь прив ес т и т акой прим ер уже с ейчас показ ы в ает, чтод л я ис пол ь з ов ания кл ас с а д ос т аточнол иш ь им ет ь пред с т ав л ение оегоинт ерфейс е и с ов ерш енноне обяз ат ел ь ноз нат ь , как им еннореал из уют с я м етод ы . Пример 2.2. И с пол ь з ов ание кл ас с а Triangle. program TestTriangle; {$APPTYPE CONSOLE} uses UnitTriangle;

// подключаем модуль, в котором // определен класс Triangle // объявление объектных переменных

var t1, t2: Triangle; begin t1:=Triangle.Create; // объекты размещаются в памяти и их адреса t2:=Triangle.Create; // присваиваются объектным ссылкам t1.a:=2; t2.a:=3; // полям объектов приписываются t1.b:=3; t2.b:=4; // конкретные числовые значения t1.c:=4; t2.c:=5; // WriteLn('Square of triangle 1: ', t1.Square); WriteLn('Perimeter of triangle 1: ', t1.Perimeter); WriteLn('Square of triangle 2: ', t2.Square); WriteLn('Perimeter of triangle 2: ', t2.Perimeter);

20

{ Для объектов t1 и t2 вызываются методы Square и Perimeter. Возвращаемые ими действительные значения выводятся на экран. } t1.Destroy; t2.Destroy; ReadLn; end.

// объекты удаляются из памяти

Прив ед енны й код с од ержит од ну нов ую операцию: уд ал ение объект а из пам ят и. Вообще, тот факт, что объект ная перем енная пред с т ав л яет с обой указ ат ел ь , с л ед ует в с е в рем я учит ы в ат ь при раз работ ке програм м ы . Впрочем , пробл ем ы , которы е з д ес ь в оз никают, характ ерны д л я л юбы хд инам ичес кихперем енны х. Прежд е в с его необход им о в ним ат ел ь но с л ед ит ь з а т ем , чтобы объект ной перем енной в с егд а бы л с опос т ав л ен ад рес с ущес т в ующего объект а. Попы т ка обращения к пол ю ил и м етод у объект а пос ред с т в ом перем енной, не с од ержащей реал ь ногоад рес а, не д иагнос т ирует с я ком пил ятором и, как прав ил о, в ы з ы в ает ош ибку (ис кл ючит ел ь ную с ит уацию кл ас с а Access violation — наруш ение д ос т упа) в ов рем я в ы пол нения програм м ы . Пос кол ь ку объект ы раз м ещают с я в пам ят и програм м ис том , он же д ол жен поз абот ит ь с я и об их с в оев рем енном уд ал ении. Дл я э того ис пол ь з ует с я инс т рукция ИмяОбъекта.Destroy;

Св ои ос обеннос т и им еют и операции над объект ам и. Т ак, прис в аив ание a:=b, гд е a и b — некоторы е объект ны е перем енны е, в л ечет з а с обой не копиров ание з начений пол ей, а с ов м ещение указ ат ел ей: пос л е нее обе перем енны е указ ы в ают на од ну и т у же обл ас т ь пам ят и. Е с л и д о э тогоперем енная a уже с од ержал а ад рес некоторой с т рукт уры , тот еперь д ос т уп к ней пол учит ь с корее в с егоне уд ас т с я. Соот в ет с т в ующую ос обеннос т ь им еет и с рав нение д в ухобъектов . Е с л и перем енны е a и b с од ержат раз л ичны е ад рес а, торез ул ьт атом операции a=b буд ет «л ожь » д аже в том с л учае, когд а э т и объект ы принад л ежат од ном у кл ас с у и ихпол я им еют од инаков ы е з начения. Н аконец, при ис пол ь з ов ании объект а в качес т в е парам ет ра под програм м ы , пос л ед ней перед ает с я его реал ь ны й ад рес . Т аким образ ом , появ л яет с я не в с егд а жел ат ел ь ная в оз м ожнос т ь м од ифициров ат ь д анны й объект в процес с е ее в ы пол нения. Объяв л ение парам ет ра как конс т ант ного(ис пол ь з ов ание префикс а const) не реш ает э т у пробл ем у.

21

2.3. Реализац иякласса Реал из ация кл ас с а пред с т ав л яет с обой набор опред ел ений в с ех егом етод ов . В Object Pascal в с е опред ел ения д ол жны наход ит ь с я з а пред ел ам и инт ерфейс а кл ас с а и не пред ш ес т в ов ат ь ем у. Б ол ее того, ес л и инт ерфейс , буд учи объяв л ением т ипа д анны х, м ожет рас пол агат ь с я как в раз д ел е инт ерфейс а м од ул я, т ак и в раз д ел е реал из ации, то реал из ация кл ас с а — тол ь ков раз д ел е реал из ации м од ул я. Синт акс ичес ки опред ел ения м етод ов отл ичают с я от опред ел ений обы чны хпод програм м л иш ь т ем , чтоихид ент ификаторам пред ш ес т в ует им я кл ас с а, от д ел яем ое т очкой (гов орят, чтоим я м ет од а ква л ифицируе тся им енем кл ас с а). Пос л ед ов ат ел ь нос т ь , в которой они прив од ят с я, не обяз ана в точнос т и пов торят ь пос л ед ов ат ел ь нос т ь объяв л ений в инт ерфейс е кл ас с а. Как уже бы л оот м еченов пред ы д ущем параграфе, кажд ом у м етод у, пом им о перечис л енны х в его объяв л ении парам ет ров , перед ает с я еще од ин — объект, д л я которого д анны й м етод в ы з в ан. Обрат ит ь с я к э том у объект у в нут ри реал из ации м етод а м ожно по им ени self (с ам ). Т аким образ ом , д л я работ ы с пол ям и и м етод ам и т екущегообъект а прим еняют с я в ы ражения в ид а self.ИмяПоля

и self.ИмяМетода(Параметры)

Пример 2.3. Реал из ация м етод ов кл ас с а Triangle. function Triangle.Perimeter: Real; begin result:=self.a+self.b+self.c; // возвращается сумма значений // полей текущего объекта end; function Triangle.Square: Real; var p:Real; begin p:=self.Perimeter/2; result:=Sqrt(p*(p-self.a)*(p-self.b)*(p-self.c)); { Площадь рассчитывается по формуле Герона. Для вычисления полупериметра используется предыдущий метод, вызываемый для объекта self. } end;

22

Рас с м от рим т еперь под робнее, как работ ает програм м а из прим ера 2.2. Ст рока WriteLn('Square of triangle 1: ', t1.Square);

прив од ит к в ы з ов у м етод а Square д л я объект а t1. В качес т в е парам ет ра ем у перед ает с я ад рес , которы й хранит перем енная t1. Сл ед ующей в ы пол няет с я перв ая с т рока из реал из ации м етод а Square: p:=self.Perimeter/2;

Зд ес ь тот же с ам ы й объект уже ад рес ует указ ател ь self. Т аким образ ом , м етод Perimeter с нов а в ы з ы в ает с я д л я объект а t1 и под с чит ы в ает с ум м у егопол ей. Дал ее ис пол нение в оз в ращает с я в м етод Square, з ав ерш ающий в ы чис л ение пл ощад и т реугол ь ника t1, и з ат ем в ос нов ную програм м у. Дв ум я с т рокам и ниже в ы з ов под програм м ы Square произ в од ит с я уже д л я объект а t2, поэ том у им енноегоад рес буд ут с од ержат ь указ ат ел и self в ход е в ы пол нения м етод ов Square и Perimeter и, с л ед ов ат ел ь но, им енноегопол я буд ут учас т в ов ат ь в в ы чис л ениях. Сл ед ует от м ет ит ь , что ис пол ь з ов ание указ ат ел я self не яв л яет с я обяз ат ел ь ны м : к пол ям и м етод ам т екущего объект а м ожно обращат ь с я прос то по ихим енам . М ы , од нако, не буд ем пока ис пол ь з ов ат ь эт у в оз м ожнос т ь .

2.4. О б ласти видимо сти членов класса Ос обеннос т и кл ас с ов , опис анны е д о с их пор, не д ают ничего принципиал ь но нов ого по с рав нению с м од ул ям и. Е д инс т в енны м з ам ет ны м отл ичием яв л яет с я бол ее чет кое опред ел ение перечня под програм м , которы е м ожноприм енит ь к з ад анном у т ипу. Э т а в оз м ожнос т ь , од нако, м ал ос пос обс т в ует д ос т ижению наш ей ос нов ной цел и — с оз д анию абс т ракт ны хт ипов , не поз в ол яющихпол ь з ов ат ел ю в ид ет ь д ет ал и с в оей реал из ации. Дл я реш ения д анной з ад ачи прим еняет с я с пециал ь ны й м еханиз м ограничения д ос т упа к чл енам кл ас с а — з ад ание ихобл а сте й видимости. В Object Pascal объяв л ению л юбого чл ена в инт ерфейс е кл ас с а м ожет пред ш ес т в ов ат ь од ноиз з арез ерв иров анны хс л ов : private (за крытый), protected (за щищ е н н ый), public (открытый), а т акже published (опубл икова н н ый) и automated (а втома тизирова н н ый), опред ел яющее егов ид им ос т ь . Е с л и не указ анони од ноиз них, точл ен им еет т у же обл ас т ь в ид им ос т и, чтои пред ш ес т в ующий ем у. Э топоз в ол яет объед инят ь 23

чл ены в группы , обл ад ающие од ним и т ем же уров нем д ос т упа, указ ы в ая егоод ин раз : ИмяКласса = class private { объявления закрытых членов } protected { объявления защищенных членов } public { объявления открытых членов } published { объявления опубликованных членов } automated { объявления автоматизированных членов } end;

Ч л ены , объяв л ения которы храс пол ожены в с ам ом начал е инт ерфейс а кл ас с а д оперв огояв ногоуказ ания обл ас т и в ид им ос т и, с чит ают с я опубл иков анны м и (ес л и програм м а ком пил ирует с я в с ос тоянии {$M+}) ил и от кры т ы м и (в с ос тоянии {$M-}). Закры т ы е чл ены кл ас с а в ид ны л иш ь в пред ел ах того м од ул я, в котором э тот кл ас с опред ел ен, от кры т ы е — в с юд у, гд е в ид ен с ам кл ас с . Защищенны е чл ены , пом им ом од ул я, с од ержащегоопред ел ение кл ас с а, д ос т упны т акже при реал из ации м етод ов т ехкл ас с ов , которы е яв л яют с я нас л ед никам и д анного (м еханиз м нас л ед ов ания буд ет под робно рас с м ат рив ат ь с я в § 3.1). Опубл иков анны е и ав т ом ат из иров анны е чл ены им еют т у же в ид им ос т ь , чтои от кры т ы е. И хотл ичия с в яз аны с в оз м ожнос тям и Delphi, которы е с ейчас не яв л яют с я д л я нас с ущес т в енны м и. Т аким образ ом , кл ас с ы пред ос т ав л яют т е же ос нов ны е уров ни д ос т упа, чтои м од ул и: от кры т ы й и з акры т ы й, од накос пос об ихз ад ания яв л яет с я з начит ел ь но бол ее гибким . При ис пол ь з ов ании т рад иционны х с л ожны х т ипов д анны х, в ид им ос т ь ихв нут ренней с т рукт уры цел иком опред ел яет с я в ид им ос т ь ю с ам ого т ипа. Кл ас с ы же поз в ол яют пол нос т ь ю с кры т ь от пол ь з ов ат ел я с в ое пред с т ав л ение, объяв ив в с е пол я з акры т ы м и, и при э том не ограничив ат ь его д ос т уп с обс т в енно к т ипу д анны х, пред ос т ав л яя т ем с ам ы м в оз м ожнос т ь с оз д ания с оот в ет с т в ующихперем енны х. Прив ед ем т еперь нов ую в ерс ию библ иот еки д л я работ ы с рационал ь ны м и чис л ам и, с в обод ную (почт и) от нед ос т ат ков , перечис л енны хв начал е § 2.1. Она буд ет с од ержат ь опред ел ение ед инс т в енного кл ас с а: Rational, и перв ое, что необход им о с д ел ат ь , — э то раз работ ат ь инт ерфейс д анногокл ас с а. 24

Пример 2.4. И нт ерфейс кл ас с а Rational. Rational = class // рациональное число private // закрытые члены класса num: Integer; den: Integer; protected // защищенные члены класса procedure Normalize; procedure Reduce; public // открытые члены класса function GetNum: Integer; function GetDen: Integer; procedure SetNum(value:Integer); procedure SetDen(value:Integer); function Plus(r:Rational): Rational; function Minus(r:Rational): Rational; function Dot(r:Rational): Rational; function Slash(r:Rational): Rational; procedure Add(r:Rational); procedure Subtract(r:Rational); procedure MultiplyBy(r:Rational); procedure DivideBy(r:Rational); end;

// числитель // знаменатель // Нормализовать // Сократить // // // // // // // // // // // //

Вернуть значение поля num Вернуть значение поля den Установить значение num Установить значение den Плюс Минус Точка Косая черта Прибавить Вычесть УмножитьНа РазделитьНа

И т ак, кл ас с Rational факт ичес ки объед инил в с ебе в с е чл ены м од ул я из § 1.1. При э том кол ичес т в опарам ет ров под програм м ум ень ш ил ос ь на ед иницу: перв ы й аргум ент т еперь перед ает с я им ав том ат ичес ки. Пол ученны е в рез ул ь т ат е объяв л ения бинарны хопераций в ы гл яд ят нес кол ь кос т ранно, од нако в програм м е ихв ы з ов буд ет им ет ь бол ее ес т ес т в енны й в ид . В с оотв ет с т в ии с общей ид еей с окры т ия реал из ации пол я кл ас с а объяв л ены з акры ты м и, а операции, которы е м ожно в ы пол нять над его объект ам и — от кры ты м и. Обл ас ть в ид им ос ти процед ур Normalize и Reduce нес кол ь коув ел ичена пос рав нению с пред ы д ущей в ерс ией. См ы с л д анногореш енияс т анет понятен тол ь копос л е из учения нас л ед ов анияв § 3.1. Ограничение д ос т упа к пол ям num и den прив ел о к том у, что пол ь з ов ат ел ь пот ерял в оз м ожнос т ь прис в аив ат ь объект ам кл ас с а Rational конкрет ны е з начения и уз нав ат ь рез ул ьт ат в ы пол нения операций. Дл я ком пенс ации э тогоэ ффект а в инт ерфейс кл ас с а д обав л ены м етод ы Get¼ и Set¼ Н ес м от ря на то, чтоуказ анны е м етод ы пред пол агает с я ис пол ь з ов ат ь д л я непос ред с т в енного обращения к пол ям , д анны й ш аг почт и не ум ень ш ает абс т ракт нос т и т ипа.

25

В с ам ом д ел е, л юбое рационал ь ное чис л оим еет цел ы е чис л ит ел ь и з нам енат ел ь , и необход им ос т ь хранит ь ихим еннов д в ухпол яхт ипа Integer никак не с л ед ует из объяв л ений нов ы хм етод ов . Од накояв ное указ ание с кал ярного (прос того) т ипа д л я парам ет ров и в оз в ращаем ы хз начений эт их под програм м ограничив ает д иапаз он д опус т им ы х з начений чис л ит ел я и з нам енат ел я. Б ол ее прав ил ь ны м бы л о бы опред ел ит ь с в ой кл ас с и д л я пред с т ав л ения цел ы хчис ел , нотогд а с оот в ет с т в ующие пробл ем ы в оз никл и бы уже д л я него. В д ейс т в ит ел ь нос т и, ед инс т в енны м реш ением , поз в ол яющим с оз д ав ат ь ис т инноабс т ракт ны е т ипы , яв л яет с я пол ны й от каз от ис пол ь з ов ания с кал ярны хт ипов д анны х. Яз ы ки, реал из ующие д анны й под ход , тоес т ь яв л яющиес я чис тообъект но-ориент иров анны м и, с ущес т в уют, од наков с е они проигры в ают яз ы кам с ос м еш анной м од ел ь ю в пл ане бы с т род ейс т в ия.

Зав ерш им т еперь раз работ ку библ иот еки, реал из ов ав м етод ы кл ас с а Rational. Пример 2.5. Опред ел ение м од ул я, с од ержащегокл ас с Rational. unit UnitRational; interface type Rational = class ... // здесь располагается интерфейс класса, приведенный выше end; implementation uses SysUtils; // модуль включает поддержку исключений function Rational.GetNum: Integer; begin result:=self.num; end; function Rational.GetDen: Integer; begin result:=self.den; end; procedure Rational.SetNum(value:Integer); begin self.num:=value; end; procedure Rational.SetDen(value:Integer); begin if value>0 then // знаменатель всегда должен быть положителен self.den:=value else // иначе возбуждается исключение с сообщением // "Недопустимое значение знаменателя"

26

raise Exception.Create('Illegal value of denominator'); end; procedure Rational.Normalize; begin if self.den<0 then begin self.num:=-self.num; self.den:=-self.den; end; end; procedure Rational.Reduce; var a,b:Integer; begin a:=Abs(self.num); b:=self.den; while a<>0 do if a>=b then a:=a-b else b:=b-a; self.num:=self.num div b; self.den:=self.den div b; end; procedure Rational.DivideBy(r:Rational); var _num,_den:Integer; begin if r.num=0 then raise Exception.Create('Division by zero'); _num:=self.num*r.den; _den:=self.den*r.num; self.num:=_num; self.den:=_den; self.Normalize; self.Reduce; end; function Rational.Slash(r:Rational): Rational; var res:Rational; begin if r.num=0 then raise Exception.Create('Division by zero'); res:=Rational.Create; // переменная res размещается в памяти res.num:=self.num*r.den; // теперь возможны res.den:=self.den*r.num; // обращения к ее полям res.Normalize; res.Reduce; // и методам result:=res; // адрес res возвращается в качестве значения функции end; { Удалять переменную res при выходе из функции нельзя, так как она содержит результат вычисления. } ... // реализация остальных методов производится аналогично end.

27

Опред ел ения м етод ов GetNum, GetDen и SetNum очев ид ны . Процед ура SetDen прежд е, чем ис пол ь з ов ат ь з начение, перед анное ей в качес т в е парам ет ра, пров еряет, уд ов л ет в оряет л и оноус л ов ию норм ал из ации. Е с л и нет — в оз бужд ает с я ис кл ючение. Пос кол ь ку в с е под програм м ы наход ят с я в м од ул е, с од ержащем опред ел ение кл ас с а, в с юд у д опус кает с я прям ое обращение к пол ям , нев з ирая на ихобл ат ь в ид им ос т и. Реал из ация процед ур Normalize, Reduce и DivideBy отл ичает с я от бол ее ранней в ерс ии тол ь ко з ам еной им ени перв ого парам ет ра на self. То, чтом ы им еем д ел ос объект ам и, а не с з апис ям и, прояв л яет с я л иш ь в реал из ации м етод а Slash. Т ип з начения э той функции опред ел ен как Rational, с л ед ов ат ел ь но она д ол жна в оз в ращат ь ад рес некоторого объект а наш его кл ас с а. Раз м ещение д анногообъект а в пам ят и произ в од ит инс т рукция res:=Rational.Create;

Тол ь ко пос л е э того с т анов ит с я в оз м ожной инициал из ация его пол ей и д ругие операции. Сл ед ует обрат ит ь ос обое в ним ание на то, чтоуд ал ят ь объект res поз ав ерш ении работ ы функции нел ь з я: он хранит рез ул ьт ат ы в ы чис л ений и д ол жен бы т ь перед ан в ы з ы в ающей програм м е. Пос л ед няя и д ол жна поз абот ит ь с я об ос в обожд ении пам ят и. В з акл ючение рас с м от рим прил ожение, д ем онс т рирующее работ у с объект ам и кл ас с а Rational и пред с т ав л яющее с обой прос тую м од ификацию програм м ы из § 1.2. Пример 2.6. Дем онс т рация операций, в ы пол няем ы хнад объект ам и кл ас с а Rational. program TestRational; {$APPTYPE CONSOLE} uses UnitRational; // подключаем модуль с определением класса var r1,r2,ra,rs,rm,rd: Rational; begin r1:=Rational.Create; // переменные r1 и r2 размещаются в памяти r2:=Rational.Create; // r1.SetNum(1); r1.SetDen(2); // переменным r1 и r2 присваиваются r2.SetNum(2); r2.SetDen(6); // значения 1/2 и 2/6 ra:=r1.Plus(r2); rs:=r1.Minus(r2); rm:=r1.Dot(r2); rd:=r1.Slash(r2); { Для объекта r1 вызываются методы-функции с адресом объекта r2 в качестве параметра. Возвращаемые ими ссылки на объекты,

28

содержащие результаты вычислений, присваиваются заранее объявленным, но не инициализированным переменным ra, rs, rm и rd. } WriteLn('Plus: ',ra.GetNum,'/',ra.GetDen); WriteLn('Minus: ',rs.GetNum,'/',rs.GetDen); WriteLn('Dot: ',rm.GetNum,'/',rm.GetDen); WriteLn('Slash: ',rd.GetNum,'/',rd.GetDen); ra.Add(r2); // rs.Subtract(r2); // теперь к объектам, созданным ранее, rm.MultiplyBy(r2); // применяются операторы с присвоением rd.DivideBy(r2); // WriteLn('Add: ',ra.GetNum,'/',ra.GetDen); WriteLn('Sub: ',rs.GetNum,'/',rs.GetDen); WriteLn('Mul: ',rm.GetNum,'/',rm.GetDen); WriteLn('Div: ',rd.GetNum,'/',rd.GetDen); r1.Destroy; r2.Destroy; { Функции Plus, Minus, Dot и Slash возвращают указатель на уже созданный объект, поэтому заранее размещать в памяти переменные ra, rs, rm и rd не требовалось. Однако уничтожить их по завершении программы необходимо. } ra.Destroy; rs.Destroy; rm.Destroy; rd.Destroy; ReadLn; end.

Зам ет им , чтов э той програм м е, в отл ичие от прив ед енной в § 1.2, непос ред с т в енное обращение к пол ям перем енны хуже нев оз м ожно, поэ том у в с юд у ис пол ь з уют с я в ы з ов ы м етод ов Get¼ и Set¼ Другим в ажны м отл ичием яв л яет с я яв ное с оз д ание и уд ал ение объектов , в том чис л е и т ех, которы е появ ил ис ь в процес с е работ ы под програм м м од ул я. Вообще, при работ е с функциям и, в оз в ращающим и с с ы л ки на объект ы , очень л егко д опус т ит ь ут ечку пам ят и. Рас с м от рим в качес т в е прим ера инс т рукцию sum:=r1.Plus(r2).Plus(r3);

гд е r1, r2, r3 и sum — объект ны е перем енны е кл ас с а Rational, причем r1, r2 и r3 уже с од ержат ад рес а реал ь ны хобъектов . И с пол ь з ов ание д анного в ы ражения не тол ь ко не яв л яет с я пред ос уд ит ел ь ны м , нод аже наоборот, поощряет с я объект ны м с инт акс ис ом . К объект у r1 прим еняет с я м етод Plus с парам ет ром r2, в оз в ращающий с с ы л ку на нов ы й объект кл ас с а Rational (наз ов ем егоtemp), с од ержащий с ум м у чис ел r1 и r2. Зат ем к объект у temp с нов а прим еняет с я м етод Plus с парам ет ром r3. Рез ул ьт атом егов ы пол нения яв л яет с я с с ы л ка еще на од ин объект в с е того же кл ас с а, которая и прис в аив ает с я перем енной sum.

29

Т ребуем ая операция произ в ед ена: sum ад рес ует объект, пред с т ав л яющий с обой с ум м у чис ел r1, r2 и r3. Н очтопроиз ош л ос объектом temp? Н ичего. Он по-прежнем у с ущес т в ует гд е-тов пам ят и, ноад рес егопот ерян. Т аким образ ом , програм м ис т в ы нужд ен в ы бират ь : л ибо не ис пол ь з ов ат ь с ов ерш енноес т ес т в енны е с цепки операторов , л ибом ирит ь с я с пос тоянной ут ечкой пам ят и. Н екоторы м ком пром ис с ом м ожет с л ужит ь м од ифициров анная в ерс ия оператора с прис в оением , пред с т ав л яющая с обой функцию, в оз в ращающую ад рес л ев огооперанд а: function Rational.Add(r:Rational): Rational; var _num,_den:Integer; begin _num:=self.num*r.den; _den:=self.den*r.num; self.num:=_num; self.den:=_den; self.Normalize; self.Reduce; result:=self; // в качестве результата возвращается // текущий объект end;

В этом с л учае в м ес то прив ед енной в ы ш е инс т рукции м ожно ис пол ь з ов ат ь в ы ражение sum.Add(r1).Add(r2).Add(r3);

пос л ед ов ат ел ь нод обав л яющее чис л а r1, r2 и r3 к sum. Зд ес ь , од нако, объект sum д ол жен бы т ь з аранее раз м ещен в пам ят и и инициал из иров ан нул ем , чтот акже не ув ел ичив ает чит абел ь нос т и програм м ы . Пос л е в с егос каз анногоу чит ат ел я м ожет с л ожит ь с я в печатл ение, что ут ечка пам ят и яв л яет с я неот ъем л ем ой чертой объект ного програм м иров ания. Э тоне т ак: с ущес т в уют ал горит м ы , поз в ол яющие ав том ат ичес ки уд ал ят ь объект ы , в которы хбол ь ш е нет необход им ос т и (этот процес с наз ы в ает с я «с боркой м ус ора» ). Под обны й ал горит м реал из ов ан, наприм ер, в яз ы ке Java.

2.5. К о нструкто ры и деструкто ры Н аряд у с опис анны м и в ы ш е с пос обам и д л я с оз д ания и уничтожения объектов м огут ис пол ь з ов ат ь с я с пециал ь ны е м етод ы : кон структоры и де структоры. Синт акс ичес ки они опред ел яют с я т ак же, как и обы чны е м етод ы -процед уры , тол ь коз арез ерв иров анное с л ов оprocedure з ам еняет с я на constructor ил и destructor. В час т нос т и, конс т рукторы и д ес т рукторы м огут им ет ь л юбой набор форм ал ь ны хпарам ет ров . Кром е в ы д ел ения и ос в обожд ения пам ят и, з аним аем ой объектом , 30

конс т рукторы и д ес т рукторы в ы пол няют т е же функции, что и с екции инициал из ации и финал из ации м од ул я. Конс т руктор з ад ает начал ь ны е з начения пол ей объект а и раз м ещает в пам ят и д инам ичес кие с т рукт уры д анны х. Дес т руктор ос в обожд ает рес урс ы , з анят ы е объектом в о в рем я егос ущес т в ов ания. Н ес м от ря на в неш ний в ид опред ел ения, конс т руктор в с егд а в оз в ращает ад рес с оз д анногоим объект а. Поэ том у д л я его в ы з ов а обы чно ис пол ь з ует с я в ы ражение ИмяОбъекта := ИмяКласса.ИмяКонструктора(Параметры);

Прив ед енная в ы ш е инс т рукция ИмяОбъекта := ИмяКласса.Create;

в д ейс т в ит ел ь нос т и яв л яет с я час т ны м с л учаем э того в ы ражения. Она раз м ещает объект пос ред с т в ом унас л ед ов анногоконс т руктора Create (о нас л ед уем ы хм етод ахс м . § 3.1). Вм ес т е с т ем , конс т руктор м ожет бы т ь в ы з в ан и при пом ощи обы чной объект ной с с ы л ки: ИмяОбъекта.ИмяКонструктора(Параметры);

В э том с л учае он не с оз д ает нов ы й объект, а оперирует с ущес т в ующим , в ы пол няя л иш ь т е инс т рукции, которы е перечис л ены в его(конс т руктора) реал из ации, и в оз в ращает ад рес указ анногообъект а. Вы з ов д ес т руктора ничем не отл ичает с я от в ы з ов а обы чногом етод а-процед уры : ИмяОбъекта.ИмяДеструктора(Параметры);

Как и в ы ш е, Destroy яв л яет с я прос тоим енем д ес т руктора, нас л ед уем ого кажд ы м кл ас с ом . Уничтожение объект а ид ет в поряд ке, обрат ном с оз д анию: с начал а в ы пол няют с я инс т рукции из реал из ации д ес т руктора, з ат ем ос в обожд ает с я пам ят ь , з аним аем аяобъект ом . Пос кол ь ку объект ы рас с м от ренного нам и кл ас с а Rational не ис пол ь з уют никакихраз д ел яем ы хрес урс ов , ос обы е д ес т рукторы д л я них не т ребуют с я. А в от хотя бы од ин с пециал ь ны й конс т руктор, наоборот, необход им , т ак как при с оз д ании нов огообъект а егоз нам енат ел ь с раз у хот ел ос ь бы ус т анав л ив ат ь бол ь ш им 0. Добав им к с екции public инт ерфейс а кл ас с а Rational объяв л ения constructor CreateNumber; constructor CreateAs(n, m: Integer);

а в раз д ел реал из ации м од ул я UnitRational с л ед ующий код : 31

constructor Rational.CreateNumber; begin self.num:=0; self.den:=1; end; constructor Rational.CreateAs(n, m: Integer); begin self.SetNum(n); self.SetDen(m); end;

Т еперь при ис пол ь з ов ании в ы ражения r := Rational.CreateNumber;

перем енная r пол учит ад рес объект а, пол я которого уже с од ержат коррект ны е в ел ичины 0 и 1. Е с л и же с оз д ать объект при пом ощи инс т рукции r := Rational.CreateAs(a, b);

тод л я инициал из ации чис л ит ел я и з нам енат ел я буд ут ис пол ь з ов аны м етод ы SetNum и SetDen, т ак чточис л оr окажет с я рав ны м a/b, л иш ь ес л и в ы ражения a и b им еют д опус т им ы е з начения. Кром е того, в ы з ы в ая конс т рукторы д л я уже с ущес т в ующегообъект а r: r.CreateNumber; r.CreateAs(a, b);

м ожнол егкос брос ит ь егоз начение в 0 ил и из м енит ь на т ребуем ое. Н екоторы м чит ат ел ям , в ероят но, покажет с я с т ранны м , что м ы прид ум ы в аем в с е нов ы е им ена д л я конс т рукторов в м ес то того, чтобы в ос пол ь з ов ат ь с я в ес ь м а ум ес т ной з д ес ь перегруз кой ил и ус т анов ит ь д л я парам ет ров n и m з начения поум ол чанию. Сд ел аноэтонам ереннос цел ь ю м акс им ал ь ноупрос т ит ь м ат ериал .

К с ожал ению, в нов ь д обав л енны е м етод ы не поз в ол яют реш ит ь в с ехпробл ем : пол ь з ов ат ел ь по-прежнем у м ожет с оз д ат ь нов ы й объект пос ред с т в ом обы чного конс т рукт ора Create, которы й не гарант ирует коррект нос т и его з начения. Ч т обы л икв ид иров ат ь т акую в оз м ожнос т ь , с л ед ует не прос то д обав ит ь к кл ас с у нов ы е конс т рукт оры , а переопред ел ит ь уже с ущес т в ующий. В д ейс т в ит ел ь нос т и э тоочень л егко: д ос т аточно л иш ь из м енит ь им я CreateNumber на Create, чт о м ы и с д ел аем , ус т ранив т ем с ам ы м пос л ед ний из нед ос т ат ков библ иот еки, перечис л енны хв начал е § 2.1. 32

Под робном еханиз м переопред ел ения м етод ов рас с м ат рив ает с я в с л ед ующем параграфе. У п раж нения 2.1. Доопред ел ит е кл ас с Rational, в кл ючив в негооператоры прис в аив ания и с рав нения. 2.2. Вз яв з а ос нов у библ иот еку из з ад ачи 1.1, опред ел ит е кл ас с д л я пред с т ав л ения в екторов д л ины n с цел ы м и ком понент ам и. Реал из уйт е операторы с л ожения, с кал ярного произ в ед ения, прис в аив ания, с рав нения на рав енс т в о, м етод ы д л я в ы чис л ения д л ины , чт ения и з апис и з начений ком понент. Н апиш ит е програм м у, д ем онс т рирующую работ у с объект ам и д анногокл ас с а. 2.3. Т а же з ад ача, но д л я м ат риц раз м ера n ´ n, эл ем ент ам и которы хяв л яют с я рационал ь ны е чис л а, т. е. объект ы рас с м от ренногокл ас с а Rational. Н еобход им ы е м ет од ы : с л ожение, ум ножение, прис в аив ание, с рав нение на рав енс т в о. У казание. Данном у кл ас с у необход им ы с пециал ь ны е конс т руктор и д ес т руктор. Перв ы й т ребует с я д л я раз м ещения в пам ят и объектов кл ас с а Rational, в торой — д л я ихуд ал ения. Обрат ит е т акже в ним ание на то, что м етод ы чт ения-з апис и эл ем ентов д ол жны копиров ат ь их з начения, а не ад рес а. В прот ив ном с л учае у пол ь з ов ат ел я появ л яет с я в оз м ожнос т ь неяв ногоиз м енения с од ержим огом ат рицы .

33

3. О Б ЪЕ К Т Н О -О РИ Е Н Т И РО В А Н Н О Е ПРО Г РА М М И РО В А Н И Е 3.1. Н аследование Как с л ожит ь д в е м ат рицы ? Дл я м ат ем ат ика от в ет на э т от в опрос очев ид ен: поэл ем ент но. Програм м ис т же, ис пол ь з ующий яз ы к с о с т рогой т ипиз ацией, в ы нужд ен с начал а уточнит ь , какой т ип им еют эл ем ент ы м ат риц. В с ам ом д ел е, при т рад иционном под ход е неяв ны е (ав том ат ичес кие) преобраз ов ания т ипов ограничив ают с я обы чно операциям и над с кал ярам и и некоторы м и прос т ейш им и прив ед ениям и. Поэ том у раз работ ат ь под програм м у, приним ающую в качес т в е аргум ентов м ат рицы раз л ичной природ ы , оказ ы в ает с я в ес ь м а з ат руд нит ел ь но. Как прав ил о, д л я кажд ой пары т ипов д анны хприход ит с я с оз д ав ат ь отд ел ь ную функцию, с нов а и с нов а пов торяя пос ут и од ин и тот же ал горит м . Н ет руд но в ид ет ь , что з ав ис им ос т ь кол ичес т в а под програм м от чис л а ис пол ь з уем ы хт ипов оказ ы в ает с я д л я бинарной операции д аже не л инейной, а кв ад рат ичной. Как с л ед с т в ие, програм м ис т (а без прим енения перегруз ки и пол ь з ов ат ел ь ) очень с короначинает тонут ь в э том м ногообраз ии. Кром е того, кл иент ы в ы нужд ены под д ержив ат ь пос тоянную обрат ную с в яз ь с раз работ чиком библ иот еки, пос кол ь ку они не в с егд а м огут ис пол ь з ов ат ь уже им еющиес я ал горит м ы д л я работ ы с нов ы м и, необход им ы м и им т ипам и д анны х. Объект но-ориент иров анны е яз ы ки пред ос т ав л яют в рас поряжение програм м ис т а с ред с т в а, поз в ол яющие д ос т аточно л егко раз рабат ы в ат ь обобщенны е ал горит м ы , прим еним ы е (причем без переком пил яции) к пот енциал ь но бес конечном у м ножес т в у раз л ичны хт ипов . Раз ум еет с я, э тот э ффект не м ожет бы т ь д ос т игнут без некоторого ос л абл ения конт рол я т ипов с ос тороны ком пил ятора, и в ел ичина т акогоос л абл ения оказ ы в ает с я очень в ажной характ ерис т икой яз ы ка. Од ной из нов ы хформ опред ел ения от нош ений м ежд у т ипам и, с очет ающей преим ущес т в а обоихпод ход ов , яв л яет с я раз работ ка ие ра рхии н а сл едова н ия. На сл едова н ием наз ы в ает с я м еханиз м , при котором од ин кл ас с опред ел яет с я на ос нов е д ругого, уже с ущес т в ующего. Ст ары й кл ас с наз ы в ают предком ил и ба зовым кл а ссом, нов ы й — потомком ил и производн ым кл а ссом. При од иночном нас л ед ов ании кажд ы й кл ас с им еет не бол ее од ного пред ка, поэ том у с ов окупнос т ь в с ех кл ас с ов и от нош ений м ежд у ним и образ ует д рев ов ид ную с т рукт уру, наз ы в аем ую иерархией нас л ед ов ания. 34

Е с т ес т в енно, баз ов ы й кл ас с в ы бирает с я не с л учайно, а т ак, чтобы кл ас с -потом ок с с од ержат ел ь ной точки з рения пред с т ав л ял с обой его под т ип. Т аким образ ом , от нош ение тожд ес т в а т ипов , ис пол ь з уем ое при т рад иционном под ход е д л я пров ерки коррект нос т и прис в аив ания, з ам еняет с я бол ее с л абы м от нош ением в кл ючения. Под робнее ос ов м ес т им ос т и кл ас с ов м ы буд ем гов орит ь в § 3.2. В процес с е нас л ед ов ания в с е чл ены баз ов огокл ас с а ав том ат ичес ки с т анов ят с я чл енам и произ в од ного, причем пос л ед ний м ожет переопред ел ит ь некоторы е из них, а т акже д обав ит ь нов ы е пол я, м етод ы и с в ойс т в а. Под переопред ел ением з д ес ь поним ает с я объяв л ение в кл ас с епотом ке чл ена с т ем же им енем , что и некоторы й чл ен кл ас с а-пред ка. Н икаких ограничений на переопред ел яем ы е чл ены не накл ад ы в ает с я, хотя в с л учае м етод ов нов ая и с т арая в ерс ия обы чноим еют од инаков ы е з агол ов ки. Объяв л ение произ в од ногокл ас с а в ы гл яд ит с л ед ующим образ ом : ИмяПотомка = class(ИмяПредка) СписокИзмененныхЧленов end;

гд е И м я П о т о м ка — л юбой д опус т им ы й ид ент ификатор, И м я П р едка — ид ент ификатор некоторогоопред ел енногоранее и д ос тупного в д анном м ес те кл ас с а, С пи с о кИ зм ененны хЧ лено в — с пис ок объяв л ений нов ы хи переопред ел енны хчл енов кл ас с а (в оз м ожно, пус той). По-прежнем у кажд ом у чл ену м ожет пред ш ес т в ов ать д ирект ив а, указ ы в ающая егообл ас т ь в ид им ос т и. При э том обл ас т ь в ид им ос т и чл ена, переопред ел яем ого в произ в од ном кл ас с е, не м ожет бы т ь с д ел ана м ень ш е, чем в баз ов ом . Кром е того, опубл иков анны е чл ены нел ь з я переопред ел ит ь как от кры т ы е. В яз ы ке Object Pascal кажд ы й кл ас с д ол жен им еть в точнос ти од ногопред ка. Е д инс тв енны м ис кл ючением из этогоправ ил а с л ужит в с т роенны й кл ас с TObject, пред с т ав л яющий с обой в ерш ину иерархии нас л ед ов ания. Вс е кл ас с ы , в объяв л ении которы хне указ аноим я пред ка, яв л яют с япрям ы м и потом кам и TObject, т ак чтов ы ражение ИмяКласса = class ... end;

рав нос ил ь нов ы ражению ИмяКласса = class(TObject) ... end;

И м енно от э того кл ас с а и унас л ед ов аны , в час т нос т и, упом инав ш иес я в ы ш е конс т руктор Create и д ес т руктор Destroy. В качес т в е прим ера рас с м от рим кл ас с д л я работ ы с p-ичны м и д робям и, тоес т ь рационал ь ны м и чис л ам и, з нам енат ел ь которы хяв л яет с я с т епень ю некоторогофикс иров анногопрос тогочис л а p.

35

Пример 3.1. И нт ерфейс кл ас с а PAryFraction. PAryFraction = class(Rational) // p-ичное рациональное число private // закрытые члены класса base: Integer; // простое число p protected // защищенные члены класса function isPrime(value: Integer): boolean; // Является простым function isPowerOfBase(value: Integer): boolean; // Является степенью base public // открытые члены класса constructor Create; constructor CreateAs(n, m: Integer); procedure SetDen(value: Integer); procedure SetBase(value: Integer); // Установить base function GetBase: Integer; // Вернуть base end;

Очев ид но, чтокажд ая p-ичная д робь характ ериз ует с я т рем я чис л ам и: чис л ит ел ем , з нам енат ел ем и прос т ы м чис л ом p, с т епень ю которогояв л яет с я з нам енат ел ь . Поэ том у к кл ас с у PAryFraction д обав л енонов ое пол е base (ос нов ание с т епени) и от кры т ы е м етод ы GetBase и SetBase д л я чт ения-з апис и его з начений. Пос кол ь ку чис л о, с охраняем ое в пол е base, с л ед ует обяз ат ел ь но пров ерят ь на прос тот у, в раз д ел protected в кл ючена с оот в ет с т в ующая функция isPrime. Дал ее, необход им о поз аботит ь с я о том , чтобы нов ое пол е в с егд а им ел о коррект ное з начение и з нам енат ел ь пред с т ав л ял с обой его с тепень . С э той цел ь ю кл ас с PAryFraction переопред ел яет конс т рукторы Create, CreateAs и м етод SetDen с в оего пред ка. Кром е того, к перечню з ащищенны хчл енов д обав л яет с я в с пом огател ь наяфункция isPowerOfBase. Обрат им с я т еперь к реал из ации нов ы хи переопред ел енны хм етод ов , пред пол агая, чтоопред ел ения с т арогои нов огокл ас с ов наход ят с я в раз ны хм од ул ях. В э том с л учае нам оказ ы в ают с я д ос т упны в с е чл ены баз ов огокл ас с а з а ис кл ючением з акры т ы х, тоес т ь в д анном конкрет ном с л учае з а ис кл ючением пол ей num и den, и з д ес ь в оз никает небол ь ш ая пробл ем а. Очев ид но, чтонов ая в ерс ия м етод а SetDen т ак ил и иначе д ол жна из м енят ь в ел ичину з нам енат ел я т екущегообъект а. Пос кол ь ку пол е den в произ в од ном кл ас с е нед ос т упно, ед инс т в енны й с пос об с д ел ат ь э то — ис пол ь з ов ат ь с т ары й в ариант той же процед уры , унас л ед ов анны й из кл ас с а Rational. Н опрос тое упом инание с обс т в енногоим ени в реал из ации м етод а SetDen буд ет в ос принятокак обы чны й рекурс ив ны й в ы з ов , что, раз ум еет с я, нам не под ход ит. 36

Дл я того, чтобы ком пил ятор м ог отл ичат ь с т ары е и нов ы е в ерс ии чл енов кл ас с а в яз ы к в в ед еноз арез ерв иров анное с л ов оinherited. Вы ражение inherited ИмяЧлена

гов орит о том , чтообращение произ в од ит с я к чл ену т екущего объект а, унас л ед ов анном у из непос ред с т в енного пред ш ес т в енника его кл ас с а в иерархии нас л ед ов ания. Указ ат ел ь self з д ес ь уже нед опус т им . Зам ет им , чтот аким образ ом м ожнопол учит ь д ос т уп л иш ь к чл енам бл ижайш егопред ка. Е с л и, с кажем , кл ас с C переопред ел ил м етод X кл ас с а B, а кл ас с B в с в ою очеред ь переопред ел ил с оот в ет с т в ующий м етод кл ас с а A, тов ы з в ат ь в ерс ию м етод а X д л я кл ас с а A при реал из ации кл ас с а C нев оз м ожно. И т ак, рас с м от рим Пример 3.2. Реал из ация кл ас с а PAryFraction. unit UnitPAryFraction; interface uses UnitRational; // подключаем модуль, // в котором реализован класс Rational type PAryFraction = class(Rational) // здесь находится приведенный выше интерфейс класса end; implementation uses SysUtils; // модуль включает поддержку исключений function PAryFraction.isPrime(value: Integer): boolean; var i:Integer; begin if value<2 then begin result:=false; exit; end; result:=true; i:=1; repeat inc(i); // i изменяется от 2 и максимум до value/2+1 if ((value mod i)=0) and (i=(value div 2)); end; function PAryFraction.isPowerOfBase(value: Integer): boolean; var v:Integer; begin

37

if value=0 then raise Exception.Create('Ambiguous result'); { Если value равно нулю, возбуждается исключение с сообщением "Неоднозначный результат". } v:=value; while (v mod self.base)=0 do v:=v div self.base; if (v=1) or (v=-1) then result:=true else result:=false; { Делим value на base до тех пор, пока это возможно. Если в результате остается ±1, значит value является степенью base. } end; function PAryFraction.GetBase: Integer; begin result:=self.base; end; procedure PAryFraction.SetBase(value: Integer); begin if (value<>self.base) then if self.isPrime(value) then // value должно быть простым begin self.base:=value; self.SetNum(0); self.SetDen(1); end else // иначе возбуждается исключение с сообщением // "Недопустимое значение основания" raise Exception.Create('Illegal value of base'); end; procedure PAryFraction.SetDen(value: Integer); begin if (value>0) and self.isPowerOfBase(value) then inherited SetDen(value) else raise Exception.Create('Illegal value of denominator'); { Если передаваемое значение положительно и является степенью base, то можно изменить знаменатель, вызвав старую версию метода SetDen. Иначе возбуждается исключение с сообщением "Недопустимое значение знаменателя". } end; constructor PAryFraction.Create; begin inherited Create; // старый конструктор инициализирует поля num и den self.base:=2; end;

38

constructor PAryFraction.CreateAs(n, m: Integer); var i: Integer; begin if m<1 then // знаменатель должен быть положителен raise Exception.Create('Illegal value of denominator'); if m=1 then begin // определить base невозможно, полагаем равным 2 self.base:=2; self.SetNum(n); self.SetDen(m); exit; end; self.base:=0; i:=1; repeat // выбираем первый простой делитель числа m inc(i); if (m mod i)=0 then self.base:=i; until self.base=i; self.SetNum(n); self.SetDen(m); // если m не является степенью base, SetDen вызовет исключение end; end.

Реал из ация м етод ов isPrime , isPowerOfBase и GetBase очев ид на. Процед ура SetBase в ы пол няет с я, л иш ь когд а перед ав аем ое ей з начение отл ично от т екущего. Пос кол ь ку з нам енат ел ь д ол жен бы т ь с т епень ю base, его в э т ом с л учае т акже необход им ом енят ь , и ед инс т в енны й раз ум ны й в ы ход — ус т анов ит ь в с е чис л орав ны м 0. М етод SetDen пров еряет, яв л яет с я л и нов ое з начение д опус т им ы м и, ес л и д а, в ы з ы в ает с в ою с т арую в ерс ию, которая и м од ифицирует з начение пол я. Анал огичны м образ ом реал из ов ан конс т руктор Create, инициал из ирующий унас л ед ов анны е пол я при пом ощи конс т руктора кл ас с а Rational. Н аконец, конс т руктор CreateAs пы т ает с я опред ел ит ь з начение base поз нам енат ел ю. В качес т в е канд ид ат а в ы бирает с я перв ы й же прос той д ел ит ел ь чис л а m, ес л и оноотл ичноот ед иницы , и 2 в прот ив ном с л учае. Зав ерш ает пров ерку коррект нос т и м етод SetDen (нов огокл ас с а), в ы з ы в аем ы й д ал ее. Зам ет им , чтоз ам енит ь в ы ражение self.SetNum(n); self.SetDen(m);

в реал из ации д анногоконс т руктора инс т рукцией inherited CreateAs(n, m);

нел ь з я, т ак как с т ары й конс т руктор в ы з ов ет с т арую же в ерс ию м етод а SetDen и пров ерка буд ет в ы пол нена не в пол ном объем е.

39

3.2. Совместимо сть классов и ее о со б енно сти При пос т роении произ в од ногокл ас с а в пред ы д ущем параграфе м ы не в нес л и никакихиз м енений в с пис ок м етод ов , ос ущес т в л яющихарифм ет ичес кие операции, и т акое пол ожение д ел в ряд л и м ожнос чит ат ь уд ов л ет в орит ел ь ны м . Пос кол ь ку м ножес т в оp-ичны хд робей з ам кнутоот нос ит ел ь нос л ожения, в ы чит анияи произ в ед ения, в пол не ес т ес тв еннобы л о бы им еть в нов ом кл ас с е операторы , приним ающие и в оз в ращающие в качес тв е з начений p-ичны е д роби, тоес т ь объекты кл ас с а PAryFraction. Н а перв ы й в з гл яд им еют с я д в а реш ения э той пробл ем ы : л ибопереопред ел ит ь уже им еющиес я м етод ы с л ед ующим образ ом : function Plus(r: PAryFraction): PAryFraction; procedure Add(r: PAryFraction); ...

л ибо прос то д обав ит ь нов ы е операторы , под обрав д л я нихпод ход ящие им ена. И то, и д ругое неуд ачно: в перв ом с л учае м ы т еряем в оз м ожнос т ь с м еш ив ат ь в в ы чис л енияхp-ичны е д роби и произ в ол ь ны е рационал ь ны е чис л а, в о в тором — ос л ожняем работ у пол ь з ов ат ел я, напол няя инт ерфейс кл ас с а м етод ам и, реал из ующим и почт и од инаков ы е операции. В д ейс т в ит ел ь нос т и им еет с я и т рет ий в ариант. Т ребуем ого эффект а поз в ол яет д обит ь с я прос тое переопред ел ение с ущес т в ующихоператоров без какого-л ибо из м енения их з агол ов ков . Т акая в оз м ожнос т ь появ л яет с я бл агод аря том у, что объект ы кл ас с а-потом ка совме стимы в отн ош е н ии опе ра ции присва ива н ия с объект ам и кл ас с а-пред ка. Зд ес ь необход им ов с пом нит ь , чтот ип A наз ы в ает с я с ов м ес т им ы м (assignment-compatible) с т ипом B, ес л и: 1) перем енной т ипа B м ожет бы т ь прис в оеноз начение т ипа A; 2) в под програм м у, форм ал ь ны й парам ет р которой им еет т ип B, м ожет бы т ь перед аноз начение т ипа A. Ос ущес т в л ят ь с я с ов м ес т им ос ть м ожет д в ум я раз л ичны м и с пос обам и, которы е м ы буд ем наз ы в ать преобра зова н ием и приведе н ием т ипов . При преобраз ов ании м аш инное (битов ое) пред с т ав л ение перед ав аем ого з начения под в ергает с я некотором у реал ь ном у из м енению, наприм ер, ув ел ичению з аним аем огоим объем а пам ят и с з апол нением с в обод ного прос т ранс т в а нул ям и ил и ед иницам и. Т акие операции характ ерны д л я переход ов м ежд у цел очис л енны м и и в ещес т в енны м и пред с т ав л ениям и чис ел раз л ичной точнос т и. Прив ед ение т ипа никак не из м еняет м аш инную форм у д анны х, поэ том у его м ожно наз в ат ь т акже ре ин те рпре та цие й им еющейс я ин40

форм ации. Т ак, наприм ер, прив ед ение с с ы л ок поз в ол яет ком пил ятору инт ерпрет иров ат ь од ин и тот же указ ат ел ь как ад рес чегоугод но: чис л а, с им в ол а и т. д . Сов м ес т им ос т ь кл ас с ов реал из ует с я им енно пут ем прив ед ения. Кажд ая объект ная перем енная пред с т ав л яет с обой обы чны й указ ат ел ь , и, в ы пол няя нес л ожны е м анипул яции, м ы м ожем с опос т ав ит ь ей ад рес объект а л юбогокл ас с а, а не тол ь котого, которы й фигуриров ал в объяв л ении д анной перем енной. Од нако под обная в с ед оз в ол еннос т ь чрев ат а с ерь ез ны м и ош ибкам и, прояв л яющим ис я тол ь ков ов рем я в ы пол нения програм м ы . В с ам ом д ел е, ес л и м ы прис в оим перем енной кл ас с а PAryFraction ад рес некоторогообъект а r кл ас с а Rational, тооперации с пол ем base в ы в ед ут нас з а пред ел ы реал ь ногообъект а. В час т нос т и, егоиз м енение прив ед ет к неяв ной м од ификации д анны х, хранящихс я в пам ят и с раз у з а объектом r (с м . рис . 3.1).

пол е num пол е den

Объект r

Ад рес уем ы й объект

Сс ы л ка на объект кл ас с а PAryFraction

пол е base

Рис . 3.1. И м еннопоэ том у прив ед ение т ипа, ав том ат ичес ки ос ущес т в л яем ое ком пил ятором , ограничив ает с я прис в аив анием с с ы л ке на объект кл ас с апред ка ад рес а объект а кл ас с а-потом ка. Пос кол ь ку л юбой чл ен баз ов ого кл ас с а яв л яет с я и чл еном произ в од ного, реал ь ны й объект в этом с л учае з ав ед ом ос од ержит в с е пол я, к которы м д опус т им ообращение (и раз м ещают с я они точнот ак же, как и в объект ахбаз ов огокл ас с а). Кром е того, в с е операции, прим еним ы е к э кз ем пл ярам кл ас с а-пред ка, оказ ы в ают с я в ы пол ним ы и д л яэ кз ем пл яров кл ас с а-потом ка (с м . рис . 3.2). Т аким образ ом , програм м ис т пол учает без опас ную в оз м ожнос т ь м анипул иров ат ь объект ам и произ в од ны хкл ас с ов при пом ощи с с ы л ок на объект ы кл ас с а баз ов ого. С д ругой с тороны , с л ед ует пос тоянноим ет ь в в ид у, что ис пол ь з уем ы й объект м ожет принад л ежат ь л юбом у кл ас с у из некоторого пот енциал ь но бес конечного с ем ейс т в а, опред ел яем ого иерархией нас л ед ов ания. И м енно э т им объе ктн о-орие н тирова н н ое про41

грам м иров ание отл ичает с я от объе ктн ог о, гд е т ип кажд ой перем енной од ноз начноопред ел ен на э т апе раз работ ки.

PAryFraction

Объект кл ас с а

пол е num пол е den

Ад рес уем ы й объект

Сс ы л ка на объект кл ас с а Rational

пол е base

Рис . 3.2. И з с каз анногов ы ш е с т анов ит с я понятно, почем у объект ная перем енная с од ержит не с ам объект, а л иш ь с с ы л ку на него. В против ном с л учае ее раз м ер опред ел ял с я бы кл ас с ом , указ анны м при объяв л ении, и раз м ес т ит ь в этой обл ас ти пам ят и экз ем пл яр произ в ол ь ногокл ас с а-потом ка, не в ы пол няя никакихпреобраз ов аний, бы л обы с корее в с егонев оз м ожно.

3.3. О п ределение тип а о б ъекта во времявы п о лнения Вернем с я т еперь с нов а к наш ем у прим еру. М ы в ы яс нил и, чтоуточнит ь операторы в кл ас с е PAryFraction м ожно, прос то переопред ел ив с оот в ет с т в ующие м етод ы без из м енения их объяв л ений. Опиш ем под робно, как они т еперь д ол жны в ы пол нят ь с я. Е с л и перед ав аем ы й в качес т в е парам ет ра r объект в д ейс т в ит ел ь нос т и принад л ежит кл ас с у PAryFraction (ил и од ном у из его нас л ед ников ), нам прежд е в с его необход им о убед ит ь с я в том , что он и т екущий объект им еют од ноос нов ание. В с л учае д ел ения с л ед ует пров ерит ь т акже, яв л яет с я л и чис л ит ел ь r с т епень ю пол я base. Е с л и и то, и д ругое в ерно, операция в ы пол ним а и рез ул ьт ат ее им еет т ип PAryFraction, иначе с ит уация оказ ы в ает с я неод ноз начной и ед инс т в енны й в ы ход — с генериров ат ь ис кл ючение. Пред пол ожим т еперь , чтот ип объект а r не принад л ежит под д ерев у, порожд аем ом у в иерархии нас л ед ов ания кл ас с ом PAryFraction. В э том с л учае м ы не рас пол агаем никакой информ ацией об r з а ис кл ючением той, которую д ает кл ас с Rational, поэ том у и рез ул ьт атом в ы чис л ений оказ ы в ает с я объект кл ас с а Rational. Данная с ит уация нед опус т им а д л я операторов с прис в оением , пос кол ь ку они с охраняют пол ученное чис л о в т екущем объект е, а пред с т ав ит ь произ в ол ь ное рационал ь ное 42

чис л ов в ид е p-ичной д роби нел ь з я. Т аким образ ом , нам с нов а не ос т ает с я ничегол учш его, как в оз буд ит ь ис кл ючение. Зам ет им , чтопов ед ение функций Plus и Dot в с л учае, когд а ихаргум ент не принад л ежит кл ас с у PAryFraction, в д ейс т в ит ел ь нос т и пол нос т ь ю опред ел яет с я реал из ацией анал огичны хм етод ов кл ас с а Rational. В с ам ом д ел е, операции с л ожения и ум ножения в пол е Q ком м ут ат ив ны , поэтом у рез ул ьт ат ихприм енения к паре объектов , од ин ихкоторы хяв л яет с я p-ичной д робь ю, а д ругой — нет, не д ол жен з ав ис ет ь от поряд ка аргум ентов . Н оес л и на перв ом м ес т е с тоит обы чное рационал ь ное чис л о, то д л я в ы пол нения в ы чис л ений ис пол ь з ует с я в ерс ия м етод а из кл ас с а Rational, д л я которой т ип второгоаргум ент а уже не им еет никакогоз начения.

И т ак, ос нов ной в опрос , ос т ающийс я от кры т ы м : как опред ел ит ь реал ь ны й т ип объект а в ов рем я в ы пол нения програм м ы ? В Object Pascal д л я э тогоис пол ь з ует с я оператор is. Вы ражение ИмяОбъекта is ИмяКласса

в оз в ращает «ис т ину» , ес л и объект принад л ежит д анном у кл ас с у ил и од ном у из егопотом ков и «л ожь » в прот ив ном с л учае. Дл я ис пол ь з ов ания операт ора is необход им о, чтобы объект и кл ас с бы л и с рав ним ы , т. е. форм ал ь ны й т ип объект ной перем енной, указ анны й при ее объяв л ении, яв л ял с я л ибопред ком , л ибопотом ком кл ас с а, с которы м произ в од ит с я с рав нение. И ное не д опус т ит ком пил ятор. Пос л е опред ел ения кл ас с а объект а необход им о в ы пол нит ь с оот в ет с т в ующее прив ед ение т ипа. Сд ел ат ь э то м ожно как пос ред с т в ом обы чной инс т рукции ИмяКласса(ИмяОбъекта)

т ак и при пом ощи с пециал ь ного оператора as. Пос л ед ний отл ичает с я т ем , что пом им о с обс т в енно прив ед ения т ипа ос ущес т в л яет пров ерку коррект нос т и э той операции. Вы ражение ИмяОбъекта as ИмяКласса

поз в ол яет ис пол ь з ов ат ь объект ную перем енную как с с ы л ку на объект указ анногокл ас с а (как и в ы ш е, з д ес ь необход им а с рав ним ос т ь объект а и кл ас с а). Е с л и при э том т ип реал ь ного объект а не с ов пад ает с д анны м кл ас с ом ил и его потом ком (т. е. в ы ражение И м я О бъект а is И м я Клас с а л ожно), в оз никает с оот в ет с т в ующее ис кл ючение. Т аким образ ом , оператор as в ы пол няет без опас ное прив ед ение т ипа, гарант ируя пред с каз уем ое пов ед ение програм м ы при л юбом с очет ании д ейс т в ит ел ь ного и т ребуем ого кл ас с ов объект а. Т ем не м енее, 43

прим енят ь егобез пред в арит ел ь ногов ы з ов а оператора is с л ед ует л иш ь в том с л учае, когд а в ероят нос т ь ус пеш ногорез ул ьт ат а д ос т аточнов ы с ока. Вс е опис анны е в ы ш е с ред с т в а ис пол ь з ует Пример 3.3. Реал из ация операций в кл ас с е PAryFraction. procedure PAryFraction.Add(r: Rational); begin if (r is PAryFraction) and ((r as PAryFraction).base=self.base) then inherited Add(r) { Если r содержит адрес объекта класса PAryFraction и основание этого объекта совпадает с текущим, то сложение допустимо и выполняется посредством старой версии метода. } else raise Exception.Create('Invalid operation'); { Иначе возбуждается исключение с сообщением "Недопустимая операция". } end; procedure PAryFraction.DivideBy(r: Rational); begin if (r is PAryFraction) and ((r as PAryFraction).base=self.base) and self.isPowerOfBase(r.GetNum) then inherited DivideBy(r) { Дополнительно проверяется, является ли числитель r степенью основания. } else raise Exception.Create('Invalid operation'); end; function PAryFraction.Plus(r: Rational): Rational; var res: PAryFraction; begin if (r is PAryFraction) then if (r as PAryFraction).base=self.base then begin res:=PAryFraction.CreateAs(self.GetNum, self.GetDen); res.base:=self.base; res.Add(r); // вызов определенного выше метода Add result:=res; end else raise Exception.Create('Invalid operation') { Если объект r принадлежит классу PAryFraction и имеет то же основание, что и текущий, то создается копия текущего объекта,

44

к которой и добавляется r. Полученная в итоге сумма чисел self и r возвращается в качестве результата функции. } else result:=inherited Plus(r); { Если объект r не принадлежит классу PAryFraction, выполняется обычное сложение посредством старой версии метода, возвращающей в качестве результата объект класса Rational. } end; function PAryFraction.Slash(r: Rational): Rational; var res: PAryFraction; begin if (r is PAryFraction) then if ((r as PAryFraction).base=self.base) and self.isPowerOfBase(r.GetNum) then begin { Дополнительно проверяется, является ли числитель r степенью основания. } res:=PAryFraction.CreateAs(self.GetNum, self.GetDen); res.base:=self.base; res.DivideBy(r); // вызов определенного выше метода DivideBy result:=res; end else raise Exception.Create('Invalid operation') else result:=inherited Slash(r); end; ... // реализация остальных методов производится аналогично

3.4. Статическо е и динамическо е связы вание Попробуем т еперь прив ес т и прос т ейш ий прим ер обобщенного ал горит м а. Опред ел им т ип Matrix с л ед ующим образ ом : Matrix = array[1..n,1..n] of Rational;

гд е n — некоторая цел очис л енная конс т ант а, бол ь ш ая 1, и рас с м от рим function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; var i,j: Integer; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do result[i,j]:=m1[i,j].Plus(m2[i,j]); end;

45

Э т а функция с кл ад ы в ает м ат рицы m1 и m2, в ы з ы в ая д л я кажд ого эл ем ент а перв ой м ат рицы м етод Plus и перед ав ая ем у в качес т в е аргум ент а с оот в ет с т в ующий эл ем ент в торой м ат рицы . В рез ул ь т ат е пол учает с я м ат рица, с од ержащая с с ы л ки на объект ы , с оз д анны е в процес с е работ ы м етод ов Plus. М ы з наем , что хотя форм ал ь но эл ем ент ы м ат риц принад л ежат кл ас с у Rational, в д ейс т в ит ел ь нос т и они м огут с од ержат ь с с ы л ки и на объект ы л юбого д ругого кл ас с а, произ в од ного от Rational, наприм ер, PAryFraction. Е с л и т еперь при в ы з ов е м етод а Plus егов ерс ия т акже буд ет в ы бират ь с я ис ход я из реал ь ного, а не форм ал ь ного, т ипа эл ем ент а м ат рицы , то м ы пол учим обобщенны й ал горит м : рез ул ь т атом с л ожения обы чны храционал ь ны хчис ел буд ет рационал ь ное чис л о, p-ичны хд робей — p-ичная д робь и т. д . Пос м от рим , как им еннообс тоит д ел о. Пример 3.4. Програм м а, д ем онс т рирующая работ у обобщенного ал горит м а. program TestAlgoritm; {$APPTYPE CONSOLE} uses UnitRational, // необходим для объявления типа Matrix UnitPAryFraction; // необходим для создания реальных объектов const n = 3; type Matrix = array[1..n,1..n] of Rational; function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; ... // здесь находится тело функции, приведенное выше procedure WriteMatrix(m: Matrix); var i,j:Integer; begin for i:=1 to n do begin for j:=1 to n do begin Write(m[i,j].GetNum,'/', m[i,j].GetDen); if (m[i,j] is PAryFraction) then Write(' (PAryFraction), ') else Write(' (Rational), '); end; // вместе со значением каждого элемента выводится WriteLn; // информация о его типе: Rational или PAryFraction end; WriteLn; end;

46

var m1,m2,m3: Matrix; i,j: Integer; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin m1[i,j]:=PAryFraction.CreateAs(1,(2 shl i)); m2[i,j]:=PAryFraction.CreateAs(1,(2 shl j)); end; { Элементам матриц присваиваются ссылки на объекты класса PAryFraction. } m3:=AddMatrix(m1,m2); // вызывается реализация алгоритма сложения WriteMatrix(m1); // WriteMatrix(m2); // содержимое матриц выводится на экран WriteMatrix(m3); // for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin m1[i,j].Destroy; m2[i,j].Destroy; m3[i,j].Destroy; end; { По окончании работы программы необходимо удалить как элементы матриц m1 и m2, так и созданные в процессе работы методов Plus элементы матрицы m3. } ReadLn; end.

Прив ед енная програм м а с кл ад ы в ает д в е м ат рицы 2-ичны х д робей, с од ержащие с л ед ующие з начения: æ 14 14 14 ö æ ç1 1 1÷ ç ç8 8 8÷ и ç ç1 1 1÷ ç è 16 16 16 ø è

1 4 1 4 1 4

1 8 1 8 1 8

1 ö 16 1 ÷ 16 ÷ 1 ÷ 16 ø

(в ы ражение 2 shl k ос ущес т в л яет с д в иг битов огопред с т ав л ения чис л а 2 на k бит в л ев о, что э кв ив ал ент ноего ум ножению на 2k ). Пол ученная в рез ул ь т ат е м ат рица m3 опред ел ена коррект но: æ 12 83 165 ö ç3 1 3÷ ç 8 4 16 ÷ ç5 3 1÷ è 16 16 8 ø но, ув ы , в с е ее эл ем ент ы принад л ежат кл ас с у Rational, а не PAryFraction. Т аким образ ом , в процес с е работ ы функции AddMatrix реал ь ны й т ип объектов бы л проигнориров ан и в с юд у ис пол ь з ов ал ас ь в ерс ия м етод а Plus из кл ас с а Rational. 47

Объяс нение д анной с ит уации з акл ючает с я в том , что в с е чл ены кл ас с а поум ол чанию яв л яют с я ста тиче скими. Э то, в час т нос т и, оз начает, что ад рес а м етод ов в ы чис л яют с я в о в рем я ком пил яции в з ав ис им ос т и от форм ал ь ного т ипа объект ной перем енной, д л я кот орой они в ы з ы в ают с я. Раз ум еет с я, в рас с м от ренном конкрет ном с л учае реш ит ь пробл ем у с функцией AddMatrix м ожно, д обав ив в ее реал из ацию опред ел ение и прив ед ение т ипов при пом ощи операторов is и as. Од наконабор кл ас с ов , которы м м ожет принад л ежат ь эл ем ент м ат рицы , окажет с я при э том фикс иров ан на э т апе раз работ ки и, в час т нос т и, конечен. И з бав ит ь с я от д анногоограничения поз в ол яет м еханиз м дин а миче ског о связыва н ия м етод ов . Е го прим енение поз в ол яет в пол ной м ере реал из ов ат ь пол иморфизм объектов , т. е. в оз м ожнос т ь ав том ат ичес кого м анипул иров ания объект ам и раз ны хт ипов при пом ощи с с ы л ок на баз ов ы й кл ас с . Е с л и д л я м етод а ис пол ь з ует с я д инам ичес кое с в яз ы в ание, то ад рес конкрет ной под програм м ы , которую необход им ов ы з в ат ь , опред ел яет с я прям ов ов рем я в ы пол нения програм м ы , ис ход я из реал ь ногот ипа объект а. И м енноэ тогоэффект а м ы и хот ел и д обит ь с я, с оз д ав ая функцию AddMatrix. М еханиз м д инам ичес кого с в яз ы в ания прим еним тол ь ко к м етод ам , с с ы л ки на пол я объект а в с егд а опред ел яют с я с т ат ичес ки. Е с л и произ в од ны й кл ас с переопред ел яет пол я баз ов ого, указ ы в ая д л я нихнов ы й т ип, тообъект ы кл ас с а-потом ка буд ут с од ержат ь оба экз ем пл яра пол я и в ы бор того ил и иного ос ущес т в л яет с я в о в рем я ком пил яции, ис ход я из форм ал ь ногот ипа ис пол ь з уем ой объект ной перем енной.

Дл я в кл ючения м еханиз м а д инам ичес когос в яз ы в ания поот нош ению к том у ил и ином у м етод у необход им о, чтобы в кл ас с е, гд е э тот м етод в перв ы е опред ел ен, пос л е его объяв л ения бы л о указ ано з арез ерв иров анное с л ов оvirtual (виртуа л ьн ый). Кром е того, при переопред ел ении д анногом етод а в ов с ехкл ас с ах-нас л ед никахс оот в ет с т в ующее объяв л ение с л ед ует з ав ерш ат ь з арез ерв иров анны м с л ов ом override (за ме щ а ю щий). Виртуал ь ны м и м огут бы т ь объяв л ены л юбы е м етод ы , в кл ючая конс т рукторы и д ес т рукторы , с л ед ует тол ь ко от м ет ит ь , что з агол ов ки в иртуал ь ногои з ам ещающихм етод ов д ол жны с ов пад ат ь в точнос т и. Н а с ам ом д ел е д инам ичес кое с в яз ы в ание м ожет ис пол ь з ов ат ь с я д л я м етод а и в пред ел ахнекоторой цепочки кл ас с ов , опред ел яем ой иерархией нас л ед ов ания. Пус т ь , наприм ер, им еют с я кл ас с ы C1, C2, ¼, Cn, и кл ас с Ci + 1 яв л яет с я произ в од ны м от Ci д л я кажд огоi < n. Пус т ь т акже в с е кл ас с ы Ci с од ержат од инаков ое объяв л ение м етод а X, причем в некото-

48

ром кл ас с е Ck он объяв л ен как в иртуал ь ны й, а в ов с ехкл ас с ахCi, k < i £ l, (l £ n) — как з ам ещающий. Тогд а при в ы з ов е м етод а X прим еняет с я д инам ичес кое с в яз ы в ание, л иш ь ес л и форм ал ь ны й т ип ис пол ь з уем ой объект ной перем енной принад л ежит цепочке Ck – Ck + 1 – ¼ – Cl.

И т ак, д л я коррект ной работ ы наш егообобщенногоал горит м а необход им о д опол нит ь инт ерфейс ы кл ас с ов Rational и PAryFraction с оот в ет с т в ующим и д ирект ив ам и: Rational = class ... function Plus(r:Rational): Rational; function Minus(r:Rational): Rational; function Dot(r:Rational): Rational; function Slash(r:Rational): Rational; procedure Add(r:Rational); procedure Subtract(r:Rational); procedure MultiplyBy(r:Rational); procedure DivideBy(r:Rational); end; PAryFraction = class(Rational) ... function Plus(r:Rational): Rational; function Minus(r:Rational): Rational; function Dot(r:Rational): Rational; function Slash(r:Rational): Rational; procedure Add(r:Rational); procedure Subtract(r:Rational); procedure MultiplyBy(r:Rational); procedure DivideBy(r:Rational); end;

virtual; virtual; virtual; virtual; virtual; virtual; virtual; virtual;

override; override; override; override; override; override; override; override;

Т еперь в ы з ов той же с ам ой д ем онс т рационной програм м ы из прим ера 3.4 прив од ит к жел аем ом у рез ул ьт ату: в с е эл ем ент ы м ат рицы m3 оказ ы в ают с я объект ам и кл ас с а PAryFraction. Зам ет им , что д л я в кл ючения м еханиз м а д инам ичес кого с в яз ы в ания м ы д ол жны в нос ит ь из м енения в о в с е кл ас с ы иерархии нас л ед ов ания, с од ержащие инт ерес ующий нас м етод . Пос кол ь ку эт и кл ас с ы м огут раз рабат ы в ат ь с я с ов ерш енно раз ны м и л юд ь м и, под обная м од ификация не в с егд а ос ущес т в им а. Почем у же тогд а в с е м етод ы не объяв л яют с я в иртуал ь ны м и ав том ат ичес ки? Пробл ем а з акл ючает с я в с нижении бы с т род ейс т в ия при ис пол ь з ов ании ал горит м а д инам ичес когос в яз ы в ания. Кажд ы й в ы з ов в ирт уал ь -

49

ного м етод а т ребует по крайней м ере од ного д опол нит ел ь ного обращения к пам ят и (чаще д в ух). Т ем не м енее, д обав л яем ы е к кл ас с у нов ы е м етод ы реком енд ует с я объяв л ят ь в иртуал ь ны м и, ес л и ес т ь хот ь небол ь ш ая в ероят нос т ь ихпереопред ел ения в кл ас с ах-нас л ед никах.

В з акл ючение прив ед ем еще од ин, чут ь м енее т рив иал ь ны й, прим ер функции д л я ум ножения д в ухм ат риц, объед инив ее в м ес т е с опред ел ениям и конс т ант ы n, т ипа Matrix и функции AddMatrix в отд ел ь ном м од ул е UnitAlgorithms. П р им ер 3.5. М од ул ь , с од ержащий обобщенны е ал горит м ы д л я работ ы с

м ат рицам и. unit UnitAlgorithms; interface uses UnitRational; // необходим здесь для определения типа Matrix const n = 3; type Matrix = array[1..n,1..n] of Rational; function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; function MultiplyMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; implementation function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; ... // здесь находится тело функции, приведенное в начале параграфа function MultiplyMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; var i,j,k: Integer; p: Rational; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin result[i,j]:=m1[i,1].Dot(m2[1,j]); for k:=2 to n do begin p:=m1[i,k].Dot(m2[k,j]); // функция Dot возвращает новый объект, result[i,j].Add(p); // после добавления к элементу p.Destroy; // матрицы result он больше не нужен end; end; end; end.

Ф ункция MultiplyMatrix перем ножает м ат рицы m1 и m2, пос л ед ов ат ел ь но с кл ад ы в ая произ в ед ения ихэл ем ентов пос ред с тв ом м етод а Add. 50

При ум ножении с т роки м ат рицы m1 на с тол бец м ат рицы m2 м етод Dot с оз д ает n нов ы хобъектов кл ас с а Rational, из которы хл иш ь од ин ис пол ь з ует с я как эл ем ент рез ул ьт ирующей м ат рицы . Ос т ал ь ны е, пос л е д обав л ения с од ержащихся в нихз начений, д ол жны бы ть уд ал ены пут ем яв ного в ы з ов а д ес т руктора. 3.5. А б страктны е методы и классы От м ет им , что в под програм м ахиз м од ул я UnitAlgorithms ис пол ь з уют с я л иш ь м етод ы кл ас с а Rational, ос ущес т в л яющие арифм ет ичес кие операции. Э то не с л учайно: д л я реал из ации ос нов ны хал горит м ов л инейной ал гебры в пол не д ос т аточно, чтобы эл ем ент ы м ат риц принад л ежал и некотором у кол ь цу, т. е. абс т ракт ном у м ножес т в у с операциям и с л ожения, в ы чит ания и ум ножения. Учит ы в ая д анное з ам ечание, пос т араем с я нес кол ь ко ув ел ичит ь обл ас т ь прим енения функций AddMatrix и MultiplyMatrix. Дл я э того нам д ос т аточнобуд ет с д ел ат ь д в е в ещи: д обав ит ь в ос нов у им еющейс я иерархии нас л ед ов ания нов ы й кл ас с , с кажем Number, д л я пред с т ав л ения эл ем ентов произ в ол ь ного кол ь ца и м од ифициров ат ь м од ул ь UnitAlgorithms т аким образ ом , чтобы он ис пол ь з ов ал тол ь ко объект ы д анного кл ас с а. И нт ерфейс кл ас с а Number ос обы х в опрос ов не в ы з ы в ает : д л я реал из ации наш ихприм еров д ос т аточнобуд ет в кл ючит ь в негов с е т е же в ос ем ь операторов , из м енив т ипы ихпарам ет ров и в оз в ращаем ы хз начений на Number. Н ал ичие в кл ас с е, пред с т ав л яющем кол ь цо, м етод ов д л я ос ущес т в л ения д ел ения в ы гл яд ит нес кол ь кос т ранны м . Од нако, как показ ы в ает рас с м от ренны й в ы ш е прим ер кл ас с а PAryFraction, час т ичны й характ ер э той операции в с егд а м ожет бы т ь в ы ражен при пом ощи ис кл ючений. Пробл ем ы в оз никают в с в яз и с реал из ацией м етод ов кл ас с а Number. С од ной с тороны , очев ид но, чтоникакихс од ержат ел ь ны хд ейс т в ий они в ы пол нят ь не м огут. С д ругой — с инт акс ис из в ес т ной нам к нас тоящем у м ом ент у час т и яз ы ка т ребует, чтобы в с е м ет од ы кл ас с а бы л и как-тоопред ел ены . Сам ы м прос т ы м в ы ход ом из э той с ит уации яв л яет с я ис пол ь з ов ание «з агл уш ек» , т. е. под програм м , т ел о которы х пред с т ав л яет с обой пус той бл ок begin end. Н ед ос т аток д анногореш ения з акл ючает с я в том , что програм м ис т, раз рабат ы в ающий произ в од ны й кл ас с , м ожет прос то з абы т ь переопред ел ит ь некоторы е из них, з ал ожив , т ем с ам ы м , в програм м у пот енциал ь ны е ош ибки. 51

Другой под ход с ос тоит в прим енении а бстра ктн ых ме тодов, в ообще не им еющих реал из ации. Конт рол ь з а переопред ел ением т аких м етод ов берет на с ебя ком пил ятор. Объяв л ение абс т ракт ного м етод а, в отл ичие от прос то в ирт уал ь ного, з ав ерш ает с я д в ум я д ирект ив ам и: virtual и abstract. Какой-л ибо реал из ации д анны й м етод не т ребует, од нако и непос ред с т в енны й его в ы з ов в о в рем я в ы пол нения програм м ы прив ед ет к ис кл ючит ел ь ной с ит уации. Т аким образ ом , произ в од ны й кл ас с д ол жен обяз ат ел ь но з ам ес т ит ь в с е реал ь ноис пол ь з уем ы е им абс т ракт ны е м етод ы . В то в рем я, как обы чны е в ирт уал ь ны е м етод ы пос т епенно уточняют с в ойс т в а кл ас с ов в процес с е конкрет из ации, абс т ракт ны е чл ены поз в ол яют пол нос т ь ю отл ожит ь реал из ацию некоторогос в ойс т в а д отогом ом ент а, когд а э т а реал из ация с т анет в оз м ожной и необход им ой. Поэ том у кл ас с , с од ержащий хотя бы од ин нез ам ещенны й абс т ракт ны й м етод , ес т ес т в енно т акже наз ы в ат ь а бстра ктн ым. Абс т ракт ны е кл ас с ы , пожал уй, наибол ее точно с оот в ет с т в уют понят ию абс т ракт ного т ипа д анны х, окотором ш л а речь в начал е в торой час т и. И т ак, опред ел им кл ас с Number с л ед ующим образ ом . П р им ер 3.6. М од ул ь , с од ержащий опред ел ение кл ас с а Number. unit UnitNumber; interface type Number = class // абстрактное число public function Plus (n: Number): Number; virtual; abstract; function Minus(n: Number): Number; virtual; abstract; function Dot (n: Number): Number; virtual; abstract; function Slash(n: Number): Number; virtual; abstract; procedure Add (n: Number); virtual; abstract; // procedure Subtract (n: Number); virtual; abstract; // procedure MultiplyBy(n: Number); virtual; abstract; // procedure DivideBy (n: Number); virtual; abstract; // end;

// // // // абстрактные методы

implementation end.

М од ул ь UnitAlgorithms нужно т еперь м од ифициров ат ь с ов с ем нез начит ел ь но, необход им ол иш ь з ам енит ь им я Rational на Number в опред ел ении т ипа Matrix: 52

Matrix = array[1..n,1..n] of Number;

и в объяв л ении л окал ь ной перем енной p функции MultiplyMatrix. Ч тобы с д ел ат ь э т и из м енения в оз м ожны м и, раз д ел инт ерфейс а д анногом од ул я д ол жен под кл ючат ь UnitNumber в м ес тоUnitRational. В рез ул ь т ат е в с ехис прав л ений м ы пол учаем , наконец, обобщенны е ал горит м ы , пригод ны е д л я в ы чис л ений над л юбы м кол ь цом : д ос т аточнол иш ь с оз д ат ь под ход ящегопотом ка кл ас с а Number. При э том раз работ ка нов ы хкл ас с ов не буд ет оказ ы в ат ь никакогов л ияния на м од ул ь UnitAlgorithms, егоне прид ет с я д аже переком пил иров ат ь . В з акл ючение пос м от рим , как с л ед ует из м енит ь кл ас с ы Rational и PAryFraction, чтобы они с т ал и произ в од ны м и от Number. Вос пол ь з ов ав ш ис ь с л учаем , объяв им в с е м етод ы э т ихкл ас с ов в ирт уал ь ны м и. И с кл ючение с тоит с д ел ат ь л иш ь д л я конс т рукторов , в ы з ы в аем ы хобы чно пут ем яв ного указ ания им ени т ипа, и д л я функции PAryFraction.isPrime , реал из ация которой в д ейс т в ит ел ь нос т и никак не з ав ис ит от с од ержащегоее кл ас с а. П р им ер 3.7. М од ифициров анны й раз д ел интерфейс а м од ул я UnitRational. unit UnitRational; interface uses UnitNumber; // подключаем модуль с определением класса Number type Rational = class(Number) // указываем Number в качестве предка private num: Integer; den: Integer; protected procedure Normalize; virtual; procedure Reduce; virtual; public constructor Create; constructor CreateAs(n, m: Integer); function Plus (n: Number): Number; override; // function Minus(n: Number): Number; override; // function Dot (n: Number): Number; override; // замещаем function Slash(n: Number): Number; override; // абстрактные procedure Add (n: Number); override; // методы procedure Subtract (n: Number); override; // procedure MultiplyBy(n: Number); override; // procedure DivideBy (n: Number); override; //

53

procedure procedure function function end;

SetNum(value:Integer); SetDen(value:Integer); GetNum: Integer; GetDen: Integer;

virtual; virtual; virtual; virtual;

П р им ер 3.8. М од ифициров анны й раз д ел инт ерфейс а м од ул я UnitPAryFraction. unit UnitPAryFraction; interface uses UnitRational; type PAryFraction = class(Rational) private base: Integer; protected function isPrime(value: Integer): boolean; function isPowerOfBase(value: Integer): boolean; public constructor Create; constructor CreateAs(n, m: Integer); function Plus (n: Number): Number; override; // function Minus(n: Number): Number; override; // function Dot (n: Number): Number; override; // function Slash(n: Number): Number; override; // procedure Add (n: Number); override; // procedure Subtract (n: Number); override; // procedure MultiplyBy(n: Number); override; // procedure DivideBy (n: Number); override; // procedure SetDen (value: Integer); override; procedure SetBase(value: Integer); virtual; function GetBase: Integer; virtual; end;

virtual;

типы параметров и возвращаемых значений этих методов изменились

Объяв л ения м етод ов , ос ущес т в л яющих арифм ет ичес кие операции, т еперь с оотв ет с т в уют опред ел ениям из кл ас с а Number. Дл я кл ас с а PAryFraction т акая м од ификация нес ущес т в енна: з д ес ь пров ерка реал ь ногот ипа парам ет ра в ы пол нял ас ь и ранее. Ч тоже кас ает с я кл ас с а Rational, то в его операторы прид ет с я в нес т и с оот в ет с т в ующие из м енения. Пос кол ь ку м ы уже обс ужд ал и под обны й код в § 3.3, рас с м от рим л иш ь од ин

54

П р им ер 3.9. Н ов ая реал из ация м етод а Plus кл ас с а Rational. function Rational.Plus(n: Number): Number; var res: Rational; begin if n is Rational then begin // если n - рациональное число, res:=Rational.Create; // операция выполнима res.num:=self.num*n.den+self.den*n.num; res.den:=self.den*n.den; res.Normalize; res.Reduce; result:=res; end // иначе возбуждается исключение else raise Exception.Create('Invalid operation'); end;

Н ов ая в ерс ия отл ичает с я от пред ы д ущей л иш ь т ем , чтов ы яс няет, принад л ежит л и объект n кл ас с у Rational и, ес л и нет, в оз бужд ает ис кл ючение. У п раж нения 3.1. Опред ел ит е кл ас с Complex д л я работ ы с ком пл екс ны м и чис л ам и, произ в од ны й от кл ас с а Number. Прим енит е рас с м от ренны е обобщенны е ал горит м ы к м ат рицам ком пл екс ны хчис ел . 3.2. М од ифицируйт е операт оры кл ас с ов Rational и Complex т аким образ ом , чтобы в с юд у, гд е э тов оз м ожно, они д опус кал и с ов м ес т ное ис пол ь з ов ание в арифм ет ичес кихв ы раженияхрационал ь ны хи ком пл екс ны хчис ел . 3.3. Попробуйт е с оз д ат ь обобщенны й ал горит м прив ед ения м ат рицы к с т упенчатом у в ид у. Опред ел ит е, какихм етод ов кл ас с а Number не хв ат ает д л я его реал из ации, и д оработ айт е с оот в ет с т в ующим образ ом кл ас с ы Rational, Complex и PAryFraction.

55

4. Р Е А Л И ЗА Ц И Я О Б ЪЕ К Т Н О Й М О Д Е Л И 4.1. У казатели на п одп ро граммы Пос кол ь ку появ л ение объект но-ориент иров анного програм м иров ания не прив ел о к рас ш ирению набора ком анд , в ы пол няем ы хпроцес с орам и, с т анов ит с я очев ид но, чтообобщенны е ал горит м ы м ожнос оз д ав ат ь и при пом ощи т рад иционны хяз ы ков . В э той час т и м ы пос т роим прим ер реал из ации функций с л ожения и ум ножения произ в ол ь ны хм ат риц, ис пол ь з ующий л иш ь с ред с т в а процед урного програм м иров ания, и поход у д ел а от м ет им преим ущес т в а, которы е д ает прим енение объект ного рас ш ирения. Прив од им ы й з д ес ь код пом огает т акже понят ь , как реал из ует с я объект ная м од ел ь в некоторы хс ов рем енны хяз ы ках. Дл я в ы пол нения д инам ичес кого с в яз ы в ания нам пот ребует с я м анипул иров ат ь ад рес ам и под програм м . Дел ает с я э топри пом ощи с пециал ь ны х указ ат ел ей, опис анию которы х и пос в ящен д анны й параграф. Ч ит ат ел и, з наком ы е с э т им м ат ериал ом , м огут с раз у перейт и к § 4.2. Как из в ес т но, л юбой эл ем ент д анны х в ком пь ют ерах фон-Н ейм аннов с когот ипа характ ериз ует с я т рем я в ел ичинам и: раз м ером обл ас т и пам ят и, которую он з аним ает, ад рес ом э той обл ас т и и с обс т в енноз начением . Объяв л ение перем енной x т ипа Integer т ракт ует с я ком пил ятором как необход им ос т ь з арез ерв иров ат ь обл ас т ь пам ят и раз м ером в од но м аш инное с л ов о (им енно с тол ь ко т ребует д л я хранения т ип Integer) и обоз начит ь ее ад рес через x. Пос л е э того л юбое обращение к перем енной x инт ерпрет ирует с я им как операция с ячейкой поад рес у x. Пос кол ь ку кажд ая под програм м а раз м ещает с я в той же физ ичес кой пам ят и, что и д анны е, д л я нее т акже опред ел ены указ анны е т ри в ел ичины , из которы хнас инт ерес ует тол ь коод на — ад рес . Как и в с л учае перем енны х, с им в ол ичес ким обоз начением э тогоад рес а с л ужит им я под програм м ы , д л я операций же с ним ис пол ь з уют с я указ ат ел и ос обого в ид а — процед урны е. Дл я начал а рас с м от рим прим ер функции, в ы чис л яющей опред ел енны й инт еграл м етод ом т рапеций. function Integral(xmin, xmax: Real): Real; var i: Integer; dx: Real; begin dx:=(xmax-xmin)/100; result:=(f(xmin)+f(xmax))*dx/2;

56

for i:=1 to 99 do result:=result+f(xmin+dx*i)*dx; end;

Зд ес ь конкрет ны й в ид функции f не им еет никакогоз начения, д ос т аточнол иш ь пот ребов ат ь , чтобы она приним ал а од ин парам ет р и в оз в ращал а з начение т ипа Real. Ос ущес т в л яет с я э то пут ем объяв л ения f указ ат ел ем на функцию с оот в ет с т в ующего в ид а. С его пом ощь ю ал горит м у м ожно буд ет перед ав ат ь ад рес а раз л ичны х под програм м , с оз д ав аем ы хпол ь з ов ат ел ем пом ере необход им ос т и. Объяв л ение процед урногоуказ ат ел я с в од ит с я к опред ел ению с оот в ет с т в ующегопроцед урногот ипа. Пос л ед нее в ы гл яд ит как з агол ов ок под програм м ы , отл ичаяс ь от неготол ь коот с ут с т в ием конкрет ногоим ени. В наш ем с л учае т ип указ ат ел я f нужноопред ел ит ь т ак: type Integrand = function(x: Real): Real; // тип "Интегранд"

Т еперь с л ед ует л ибо объяв ит ь гл обал ь ную перем енную f нов ого т ипа: f: Integrand;

л ибо, чтобол ее пред почт ит ел ь но, д обав ит ь в з агол ов ок функции Integral еще од ин парам ет р: function Integral(f: Integrand; xmin, xmax: Real): Real;

В перв ом с л учае, кс т ат и, м ожно бы л о обойт ис ь и без яв ного з ад ания им ени т ипа, в кл ючив егоопред ел ение прям ов объяв л ение перем енной f: f: function(x: Real): Real;

Пред пол ожим т еперь , что в наш ем рас поряжении им еют с я т ри функции: function Constant(x: Real): Real; // константа begin result:=1; end; function Polynomial(x: Real): Real; // многочлен begin result:=x*x-x+2; end; function Trigonometric(x: Real): Real; // тригонометрическая функция begin result:=sin(x)+cos(x); end;

Тогд а с л ед ующий код f:=Constant; WriteLn(Integral(f,0,1)); f:=Polynomial; WriteLn(Integral(f,0,1)); f:=Trigonometric; WriteLn(Integral(f,0,1));

57

пос л ед ов ат ел ь но с опос т ав л яет перем енной f им ена (= ад рес а) в с ехт рех функций и в ы в од ит на э кран з начения инт еграл ов от них, в ы чис л енны х в од нихи т ехже пред ел ах: от 0 д о1. Зам ет им , что парам ет р в рас с м от ренны хфункцияхм ожно бы л о наз в ат ь им енем , отл ичны м от x, од нако его т ип и т ип в оз в ращаем ого з начения од ноз начноопред ел яют с я т ипом перем енной f. Е с л и з д ес ь буд ет обнаруженонес оот в ет с т в ие, ком пил ятор не д опус т ит прис в аив ания. Сл ед ует от м ет ит ь т акже, чт о в с т роенны е под програм м ы , наприм ер, sin, не м огут ис пол ь з ов ат ь с я д л я инициал из ации указ ат ел ей. При необход им ос т и ихм ожнопогруз ит ь в нут рь с обс т в енной процед уры ил и функции: function MySin(x: Real): Real; begin result:=sin(x); end;

Н ел ь з я прис в оит ь указ ат ел ю и ад рес л окал ь ной под програм м ы . И нт ерпрет ация ком пил ятором операции, которую с л ед ует в ы пол нит ь над процед урны м указ ат ел ем , з ав ис ит от пол ожения, з аним аем ого пос л ед ним в в ы ражении. Е с л и f и g — д в а указ ат ел я од ногот ипа и prog — под ход ящая д л я ихинициал из ации под програм м а, то: 1) в ы ражения f:=prog и g:=prog прив од ят, как м ы уже в ид ел и, к прис в аив анию ад рес а под програм м ы перем енны м ; 2) в ы ражение f:=g копирует з начение g в f; 3) л юбое д ругое ис пол ь з ов ание перем енны х f и g в ос приним ает с я как в ы з ов ад рес уем ой им и под програм м ы и д ол жно с опров ожд ат ь с я перед ачей необход им огочис л а з начений в качес т в е парам ет ров . Важно пом нит ь , что указ ат ел ь нел ь з я прим енят ь д л я в ы з ов а, не инициал из иров ав его з начение коррект ны м ад рес ом . Н аруш ение э того прав ил а почт и нав ерное прив од ит л ибок в оз никнов ению ис кл ючит ел ь ной с ит уации, л ибопрос ток з ав ис анию програм м ы . Показ ат ь , чтоперем енная не опред ел ена, м ожно, прис в оив ей з начение nil (егоже пол учают с т ат ичес кие указ ат ел и при с т арт е прил ожения). Дл я пров ерки коррект нос т и с од ержим ого ис пол ь з ует с я функция Assigned(const P) (з ад ан). Она в оз в ращает «ис т ину» , ес л и з начение перед анного указ ат ел я не nil, и «л ожь » в прот ив ном с л учае. Т аким образ ом , реал из ацию прив ед енной в ы ш е функции Integral им еет с м ы с л м од ифициров ат ь с л ед ующим образ ом . function Integral(f: Integrand; xmin, xmax: Real): Real; var i: Integer; dx: Real; begin if Assigned(f) then begin // если f<>nil, выполнить вычисления dx:=(xmax-xmin)/100;

58

result:=(f(xmin)+f(xmax))*dx/2; for i:=1 to 99 do result:=result+f(xmin+dx*i)*dx; end else raise Exception.Create('Integrand is undefined.'); // иначе возбудить исключение с сообщением // "Подынтегральная функция не определена." end;

Как и абс т ракт ны е м етод ы , процед урны е указ ат ел и поз в ол яют отл ожит ь на в рем я час т ь реал из ации ал горит м а. Б ол ее того, с ихпом ощь ю м ожноуправ л ят ь ход ом в ы пол нения програм м ы , в ы бирая д л я ис пол ь з ов ания т у под програм м у, кот орая яв л яет с я наибол ее под ход ящей в д анны й м ом ент. И м енноэ т и в оз м ожнос т и пот ребуют с я нам д л я реал из ации пол им орфногопов ед ения объектов в с л ед ующихприм ерах. 4.2. А б страктны е классы и о б о б щ енны е алго ритмы В пред ы д ущей час т и м ы в в ел и кл ас с Number д л я пред с т ав л ения эл ем ентов произ в ол ь ногокол ь ца. Зд ес ь т у же рол ь буд ут играт ь з апис и с л ед ующегов ид а: Number = packed record TypeNameIs: function(TypeName: String): Boolean; Destroy: procedure(var n: PNumber); Plus: function(n1, n2: PNumber): PNumber; Minus: function(n1, n2: PNumber): PNumber; Dot: function(n1, n2: PNumber): PNumber; Slash: function(n1, n2: PNumber): PNumber; Add: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); Subtract: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); MultiplyBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); DivideBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); end;

Кажд ая перем енная т ипа Number с од ержит д ес ят ь процед урны х указ ат ел ей, в ос ем ь из которы х пред наз начены д л я хранения ад рес ов под програм м , ос ущес т в л яющих арифм ет ичес кие операции. Пос кол ь ку д л я парам ет ров и в оз в ращаем ы хз начений пос л ед нихпот ребует с я ос ущес т в л ят ь прив ед ение т ипа, з д ес ь указ ан т ип PNumber, опред ел яем ы й как с с ы л ка на з апис ь т ипа Number: type PNumber = ^Number;

59

В отл ичие от кл ас с а Number, унас л ед ов анногоот TObject, м ы опред ел яем нов ы й т ип «с нул я» и поэ том у д ол жны с ам ос т оят ел ь нореал из ов ат ь в с е необход им ы е нам операции. Ф ункция TypeNameIs ис пол ь з ует с я д л я в ы яс нения т ипа объект а в ов рем я в ы пол нения програм м ы , процед ура Destroy — д л я егоуд ал ения3. Обе э т и под програм м ы м ожноопред ел ит ь уже с ейчас : function TypeNameIs(TypeName: String): Boolean; begin if TypeName='Number' then result:=true else result:=false; end; procedure Destroy(var n: PNumber); begin Dispose(n); // процедура Dispose освобождает область памяти // размером в одну запись типа Number end;

Н ес м от ря на то, чтоназ ы в ают с я функция и процед ура т ак же, как и указ ат ел и в опред ел ении т ипа Number, прис в аив ат ь ихад рес а пол ям объектов прид ет с я в ручную. Вв ед ем д л я э того с пециал ь ную функцию Create, пом ес т ив ее в од ин м од ул ь с объяв л ениям и т ипов Number, PNumber и опред ел ениям и под програм м TypeNameIs и Destroy: function Create: PNumber; begin New(result); result.Destroy:=Destroy; result.TypeNameIs:=TypeNameIs; end;

Она играет з д ес ь рол ь конс т рукт ора: раз м ещает в пам ят и э кз ем пл яр объект а, с опос т ав л яет некоторы м егопол ям под програм м ы и в оз в ращает ад рес в качес т в е з начения. Зам ет им , чт ок пол ям з апис и, ад рес уем ой перем енной result, как и к пол ям нас т оящегообъект а, д опус кает с я обращение без операции раз ы м енов ы в ания: result.Destroy в м ес то result^.Destroy. 3

Зд ес ь и д ал ее в этой час т и м ы буд ем ис пол ь з ов ат ь т ерм ины объект, м етод и нас л ед ов ание прим енит ел ь но к з апис ям , под черкив ая т ем с ам ы м анал огию с объект ной м од ел ь ю. Кром е того, как и ранее, объектом буд ет наз ы в ат ь с я и с обс т в еннообл ас т ь пам ят и, с од ержащая экз ем пл яр з апис и, и перем енная, с с ы л ающаяс я на эт у обл ас т ь .

60

Реш ение ос т ав ит ь процед урны е указ ат ел и, с оот в ет с т в ующие абс т ракт ны м м етод ам , неинициал из иров анны м и в ы гл яд ит в пол не ес т ес т в енны м , од накокажд ы й т акой указ ат ел ь пред с т ав л яет с обой пот енциал ь ную угроз у. Е с л и пол ь з ов ат ел ь попы т ает с я в ы з в ат ь м етод , ос ущес т в л яющий арифм ет ичес кую операцию, д л я объект а т ипа Number, тод ал ь нейш ий ход в ы пол нения прил ожения с т анов ит с я с ов ерш еннонепред с каз уем ы м . Поэтом у прав ил ь нее бы л обы опред ел ит ь под програм м ы function AbstractBinaryOperator(n1, n2: PNumber): PNumber; begin // абстрактный бинарный оператор raise Exception.Create('Call of abstract method.'); // просто возбудить исключение с сообщением // "Вызов абстрактного метода." end; procedure AbstractAssignOperator(var n1: PNumber; n2: PNumber); begin // абстрактный оператор с присвоением raise Exception.Create('Call of abstract method.'); end;

и в функции Create прис в аив ат ь ихад рес а в с ем с в обод ны м указ ат ел ям : result.Plus:=AbstractBinaryOperator; result.Minus:=AbstractBinaryOperator; ... result.Add:=AbstractAssignOperator; ...

Сл ед ует от м ет ит ь , что ком пил ятор в с егд а в ы д ает пред упрежд ение, ес л и в с т речает в ы з ов конс т руктора д л я кл ас с а с нез ам ещенны м и абс т ракт ны м и м етод ам и. При от каз е от ис пол ь з ов ания объект ной м од ел и никакой пом ощи с егос тороны ожид ат ь уже не приход ит с я.

Пос м от рим т еперь , как буд ут в ы гл яд ет ь наш и обобщенны е ал горит м ы . Пример 4.1. Процед урная в ерс ия м од ул я UnitAlgorithms. unit UnitAlgorithms; interface uses UnitNumber; // подключаем модуль с определениями типов // Number, PNumber и функции Create const n = 3;

61

type

Matrix = array[1..n,1..n] of PNumber; // элементы матрицы // ссылки на записи function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; function MultiplyMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; implementation function AddMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; var i,j: Integer; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do result[i,j]:=m1[i,j].Plus(m1[i,j], m2[i,j]); { Вызывается подпрограмма, адресуемая полем Plus записи m1[i,j]. Ей в качестве параметров передаются объекты m1[i,j] и m2[i,j]. } end; function MultiplyMatrix(m1, m2: Matrix): Matrix; var i,j,k: Integer; p: PNumber; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin result[i,j]:=m1[i,1].Dot(m1[i,1],m2[1,j]); for k:=2 to n do begin p:=m1[i,k].Dot(m1[i,k],m2[k,j]); result[i,j].Add(result[i,j],p); p.Destroy(p); end; end; end; end.

Как э то ни уд ив ит ел ь но, код м од ул я почт и не из м енил с я. Сам ое с ущес т в енное отл ичие с ос т оит в том , чтоим я объект а, д л я которогов ы з ы в ает с я м етод , приход ит с я пов торят ь д в ажд ы . Перв ы й раз оноис пол ь з ует с я д л я опред ел ения ад рес а конкрет ной под програм м ы , в торой — как парам ет р э той под програм м ы . Вс пом ним , чтов объект ной м од ел и перв ы й парам ет р перед ает с я м етод у ав том ат ичес ки под им енем self. 4.3. Н аследование В прим ере 4.1 обращает на с ебя в ним ание то, как час то в ис ход ном т екс т е фигурируют указ ат ел и. И эл ем ент ы м ат риц, и пол я объектов с од ержат з начения, которы е м огут бы т ь ад рес ам и чегоугод но. Н а с ам ом 62

д ел е м ы ни в коем с л учае не д ол жны прим енят ь д анны е ал горит м ы к м ат рицам , эл ем ент ы которы х д ейс т в ит ел ь но им еют т ип Number, пос кол ь ку д л я з апис ей т акогот ипа указ ат ел и Plus, Add и Dot не опред ел ены . Вм ес то э того с л ед ует ис пол ь з ов ат ь с т рукт уры , с од ержащие ад рес а конкрет ны хпод програм м . Н од л я того, чтобы д анны е ад рес а обрабат ы в ал ис ь коррект но, они д ол жны наход ит с я на т ехже м ес т ах, чтои в з апис яхт ипа Number. Б ол ее точноэ тооз начает, чтокажд ая з ам ещающая с т рукт ура обяз ана в кл ючат ь в с е пол я т ипа Number, и рас пол агат ь с я они д ол жны в той же пос л ед ов ат ел ь нос т и и с т ем и же с м ещениям и от нос ит ел ь ноначал а объект а. С учетом с каз анного в ы ш е опред ел им т ип д л я хранения рационал ь ны хчис ел : Rational = packed record TypeNameIs: function(TypeName: String): Boolean; Destroy: procedure(var n: PNumber); Plus: function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; Minus: function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; Dot: function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; Slash: function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; Add: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); Subtract: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); MultiplyBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); DivideBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); Normalize: procedure(var r: PRational); Reduce: procedure(var r: PRational); num: Integer; den: Integer; end;

Е го начал о пол нос т ь ю пов т оряет с т рукт уру т ипа Number. К унас л ед ов анны м пол ям д обав л яет с я д в а указ ат ел я на процед уры норм ал из ации и с окращения и д в а обы чны хпол я д л я чис л ит ел я и з нам енат ел я. В объяв л енияхнов ы хпол ей фигурирует т ип PRational, опред ел яем ы й анал огичноPNumber: type PRational = ^Rational;

Дл я прив ед енной с т рукт уры м ожно реал из ов ат ь уже в с е операции, чтом ы и с д ел аем . Пример 4.2. Опред ел ение м етод ов т ипа Rational. procedure Normalize(var r: PRational); begin

63

if r.den<0 then begin r.num:=-r.num; r.den:=-r.den; end; end; function TypeNameIs(TypeName: String): Boolean; begin if (TypeName='Rational') or (TypeName='Number') then result:=true else result:=false; { Поскольку тип Rational является производным от Number, все его объекты принадлежат также и типу Number. Такое определение функции соответствует поведению оператора is. } end; procedure Destroy(var n: PNumber); var _self: PRational; begin _self:=PRational(n); // процедура Dispose определяет размер Dispose(_self); // освобождаемой области памяти по // формальному типу своего параметра end; procedure Add(var n1: PNumber; n2: PNumber); var _num,_den: Integer; _self: PRational; begin _self:=PRational(n1); // понижение типа; при использовании // объектной модели корректность обеспечивается компилятором if n2.TypeNameIs('Rational') then begin _num:=_self.num*PRational(n2).den+_self.den*PRational(n2).num; _den:=_self.den*PRational(n2).den; _self.num:=_num; _self.den:=_den; _self.Normalize(_self); _self.Reduce(_self); end else raise Exception.Create('Illegal operation'); end; function Plus(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; var _self, res: PRational; begin _self:=PRational(n1); if n2.TypeNameIs('Rational') then begin res:=UnitRational.Create; res.num:=_self.num*PRational(n2).den+_self.den*PRational(n2).num; res.den:=_self.den*PRational(n2).den; res.Normalize(res); res.Reduce(res); result:=PNumber(res); // повышение типа; при использовании

64

// объектной модели допустимость проверяется во время компиляции end else raise Exception.Create('Illegal operation'); end; { Остальные арифметические операции и процедура Reduce реализуются аналогично. }

Н аибол ь ш ий инт ерес з д ес ь в ы з ы в ают функция Plus и процед ура Add, а т акже процед ура Destroy. Перв ы м д ел ом они ос ущес т в л яют без ус л ов ное прив ед ение т ипа парам ет ра n1. Э т а операция без опас на, ес л и д л я в ы з ов а м етод а и в качес т в е егоперв огопарам ет ра в с егд а ис пол ь з ует с я од ин и тот же объект. В с ам ом д ел е, ес л и ис пол нение бы л о перед ано под програм м е, от нос ящейс я к т ипу Rational, з начит ее ад рес с од ержал опол е некоторого объект а. При коррект но с проект иров анной иерархии нас л ед ов ания от с юд а с л ед ует, чтод анны й объект им еет т ип Rational ил и произ в од ны й от него. Пред пол агая, чтоэ тот же объект бы л перед ан под програм м е в качес т в е перв огопарам ет ра, м ы и пол учаем т ребуем ы й т ип д л я n1. В прив ед енны храс с ужд енияхкоррект нос т ь упом инает с я д в ажд ы : прим енит ел ь но к иерархии нас л ед ов ания и в ы з ов у под програм м . И в том , и в д ругом с л учае ее обес печение пол нос т ь ю л ожит с я на пл ечи раз работ чика. При ис пол ь з ов ании объект ной м од ел и э т ихпробл ем прос то не в оз никает. Дал ее д л я объект а n2 в ы пол няет с я м етод TypeNameIs, пров еряющий егореал ь ны й т ип. Обс ужд ение в опрос а отом , почем у з д ес ь буд ет в ы з в ана нужная в ерс ия функции, отл ожим д ос л ед ующегопараграфа. Ос т ал ь ны е инс т рукции переш л и из объект ной в ерс ии т ипа почт и без из м енений. Л иш ь в конце функции Plus с нов а в ы пол няет с я яв ное прив ед ение т ипа, т еперь уже в с торону пов ы ш ения. Т о, чтоэ тоим енно пов ы ш ение, с л ед ует тол ь коиз реал из ации функции TypeNameIs, им ит ирующей с т анд арт ны й оператор is. С точки з рения ком пил ятора т ипы Number и Rational с ов ерш еннонез ав ис им ы , поэ том у он не с чит ает д анное прис в аив ание з ав ед ом обез опас ны м . Опред ел им , наконец, функции-конс т рукторы объектов т ипа Rational. Пример 4.3. Конс т рукторы д л я т ипа Rational. function Create: PRational; begin New(result); // экземпляр записи размещается в памяти

65

result.TypeNameIs:=TypeNameIs; // result.Destroy:=Destroy; // result.Plus:=Plus; // result.Minus:=Minus; // процедурным указателям result.Dot:=Dot; // присваиваются адреса result.Slash:=Slash; // конкретных подпрограмм result.Add:=Add; // result.Subtract:=Subtract; // result.MultiplyBy:=MultiplyBy; // result.DivideBy:=DivideBy; // result.Normalize:=Normalize; // result.Reduce:=Reduce; // result.num:=0; // числовые поля инициализируются result.den:=1; // корректными значениями end; function CreateAs(n, m: Integer): PRational; begin if m<>0 then begin // знаменатель должен быть положителен result:=UnitRational.Create; // вызов функции, определенной выше result.num:=n; result.den:=m; end else raise Exception.Create('Illegal value of denominator'); end;

Зд ес ь уже ад рес а под програм м с опос т ав л яют с я в с ем указ ат ел ям , т ак что нез ам ещенны хабс т ракт ны хм етод ов не ос т ает с я. Кром е э того, инициал из иров ат ь приход ит с я т акже и чис л ов ы е пол я. Как и ранее, д л я уд обс т в а д обав л яет с я еще од ин конс т руктор — CreateAs. 4.4. Д инамическо е связы вание Рас с м от рим с л ед ующий код . Пример 4.4. Процед урны й в ариант програм м ы , д ем онс т рирующей работ у обобщенны хал горит м ов . program TestAlgorithm; {$APPTYPE CONSOLE} uses UnitAlgorithms, // здесь находятся обобщенные алгоритмы UnitNumber, // необходим для выполнения повышения типа UnitRational; // необходим для создания реальных переменных

66

procedure WriteMatrix(m: Matrix); var i,j:Integer; begin for i:=1 to n do begin for j:=1 to n do begin Write(PRational(m[i,j]).num,'/', PRational(m[i,j]).den, ' '); end; WriteLn; end; WriteLn; end; var m1,m2,m3,m4: Matrix; i,j: Integer; begin for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin m1[i,j]:=PNumber(UnitRational.CreateAs(1,(2 shl i))); m2[i,j]:=PNumber(UnitRational.CreateAs(1,(2 shl j))); end; { Объекты типа Rational размещаются в памяти и инициализируются. Перед присваиванием ссылки на них следует привести к типу PNumber. } m3:=AddMatrix(m1,m2); // вызываются обобщенные функции m4:=MultiplyMatrix(m1,m2); // сложения и умножения WriteMatrix(m1); // WriteMatrix(m2); // содержимое матриц WriteMatrix(m3); // выводится на экран WriteMatrix(m4); // for i:=1 to n do for j:=1 to n do begin m1[i,j].Destroy(m1[i,j]); // m2[i,j].Destroy(m2[i,j]); // элементы всех матриц m3[i,j].Destroy(m3[i,j]); // удаляются из памяти m4[i,j].Destroy(m4[i,j]); // end; ReadLn; end.

Н ачав работ ат ь , прив ед енная програм м а перв ы м д ел ом с оз д ает объект ы т ипа Rational и ис пол ь з ует с с ы л ки на нихд л я инициал из ации эл ем ентов м ат риц. Пос кол ь ку т ипы Rational и Number с в яз аны д руг с д ругом л иш ь с ем ант ичес ки, з д ес ь опят ь т ребует с я ос ущес т в ит ь яв ное прив ед ение т ипа. Дал ее к пос т роенны м с т рукт урам д анны хприм еняет с я функция 67

AddMatrix, в ы з ы в ающая д л я кажд ого эл ем ент а перв ой м ат рицы (форм ал ь ноим еющегот ип PNumber) м етод Plus: result[i,j]:=m1[i,j].Plus(m1[i,j], m2[i,j]);

Ком пил ятор т ранс л ирует э тот в ы з ов с л ед ующим образ ом . Пол е Plus с тоит т рет ь им в опис ании т ипа Number, с л ед ов ат ел ь но, его с м ещение от начал а объект а опред ел яет с я раз м ером перв ы х д в ух. Учит ы в ая, чтоз апис ь бы л а объяв л ена как упаков анная (packed), т. е. ее пол я с л ед уют д руг з а д ругом без пропус ков , м ы пол учаем в ел ичину в д в а м аш инны хс л ов а (8 байт в 32-раз ряд ны хс ис т ем ах). Т аким образ ом , из обл ас т и пам ят и, ад рес уем ой эл ем ент ом m1[i, j], с чит ы в ает с я т рет ь е пос чет у м аш инное с л ов о и егоз начение инт ерпрет ирует с я как ад рес ис ком ой под програм м ы . Какой им енно т ип им еет объект m1[i, j] з д ес ь уже нев ажно, гл ав ное, чтобы он с од ержал ад рес коррект ной в ерс ии функции Plus в указ анном м ес т е. Вс пом ним т еперь , что, опред ел яя т ип Rational, м ы пол нос т ь ю пов торил и с т рукт уру з апис и Number, д обав ив нов ы е пол я в конец. Кром е того, при с оз д ании нов огообъект а д анногот ипа функции-конс т рукторы прис в аив ают в с ем егопол ям реал ь ны е ад рес а под програм м . Сл ед ов ат ел ь но, в наш ем конкрет ном с л учае с форм ул иров анное ус л ов ие с прав ед л ив ои в ы з ов ы м етод ов прив од ят к ис пол нению жел аем огокод а (с м . рис . 4.1). Т еперь с т анов ит с я понят но, чтопод раз ум ев ал ос ь под коррект но с проект иров анной иерархией нас л ед ов ания. Кажд ы й т ип-нас л ед ник д ол жен опред ел ять с я как упаков анная з апис ь (packed record) и аккурат но пов торять объяв л ения в с ехпол ей с в оегот ипа-пред ка. Е с л и м етод не яв л яет с я абс т ракт ны м , то в опред ел ения функций-конс т рукторов с л ед ует в кл ючать инициал из ацию с оот в ет с т в ующего ем у процед урного указ ат ел я. При этом с ов с ем не обяз ател ь но д л я кажд ого т акого м етод а з анов о с оз д ав ать реал из ующую под програм м у. Е с л и в ерс ия из т ипа-пред ка в с е еще под ход ит, в пол не м ожноис пол ь з ов ать ее ад рес пов торно. Перечис л енны е д ейс т в ия гарант ируют норм ал ь ную работ у прил ожения при ус л ов ии, чтов с е в ы пол няем ы е програм м ис том прив ед ения т ипа яв л яют с я д опус т им ы м и. Зд ес ь кл ючев ую рол ь играет функция пров ерки т ипа (в наш ем с л учае — TypeNameIs), анал огичная оператору is. В рас с м от ренном прим ере м ы неод нократ нопол ь з ов ал ис ь без ус л ов ны м прив ед ением , пос кол ь ку им еннот аков ы м онояв л яет с я в объект ной в ерс ии програм м ы из пред ы д ущей час т и. Пов с ем ес т ное д обав л ение пров ерок д ел ает работ у прил ожения бол ее пред с каз уем ой, нои з ам ед л яет его в ы пол нение. 68

+1 +2 +3

Ф ункция TypeNameIs д л я т ипа Rational

+4 +5 +6

Ф ункция Destroy д л я т ипа Rational

+7 +8 +9

Ф ункция Plus д л я т ипа Rational

+10 +11 +12

TypeNameIs Destroy Plus Minus Dot Slash Add Subtract MultiplyBy DivideBy Normalize Reduce

Реал ь ны й ад рес уем ы й объект в ов рем я в ы пол нения програм м ы

0

Ад рес уем ы й объект с точки з рения ком пил ятора

Сс ы л ка на объект т ипа Number

num

+13

den

+14

Рис . 4.1. Т аким образ ом , пом им опод д ержки абс т ракт ны хт ипов д анны х, о которы хм ы м ногогов орил и в час т и 2, объект ное рас ш ирение яз ы ка Pascal берет на с ебя час т ь рут инны хопераций, с в яз анны хс опред ел ением нов огот ипа, и, чтос ам ое гл ав ное, поз в ол яет с оз д ав ат ь обобщенны е ал горит м ы , не от каз ы в аяс ь от преим ущес т в с т рогой т ипиз ации. При э том з начит ел ь ная час т ь пров ерок и прив ед ений т ипа по-прежнем у произ в од ит с я не в ов рем я в ы пол нения, а на э т апе ком пил яции, чем д ос т игает с я бол ее бы с т рая работ а прил ожения. 4.5. В о п ро сы о п тимизац ии И с пол ь з ов анная нам и реал из ация нас л ед ов ания обес печив ает очень в ы с окую с корос т ь д инам ичес кого с в яз ы в ания. Дл я опред ел ения нужной под програм м ы т ребует с я из в л ечь из пам ят и в с его од ин указ ат ел ь , причем егоад рес пол учает с я из ад рес а объект а д обав л ением с м ещения, в ел ичина которогоиз в ес т на уже на э т апе ком пил яции. Как э точас тобы в ает, с тол ь бы с т ры й ал горит м прив од ит к з начит ел ь ном у перерас ход у пам ят и, в ы з в анном у хранением в кажд ом объект е 69

ад рес ов в с ехв ирт уал ь ны хм етод ов . Сэ коном ит ь м ожно, в ы д ел ив процед урны е указ ат ел и в от д ел ь ную, с ущес т в ующую в ед инс т в енном э кз ем пл яре с т рукт уру, которую обы чно наз ы в ают та бл ице й виртуа л ьн ых ме тодов (VMT — virtual method table). При т аком реш ении объект пом им о с обс т в енны хпол ей д ол жен с од ержат ь л иш ь од ин указ ат ел ь на с оот в ет с т в ующую егот ипу VMT. Вот как в э том с л учае буд ет в ы гл яд ет ь м од ул ь UnitNumber. Пример 4.5. Вторая реал из ация т ипа Number. unit UnitNumber; interface type PNumber = ^Number; PNumberVMT = ^NumberVMT; NumberVMT = packed record // таблица виртуальных методов типа Number TypeName: String; // имя типа Ancestor: PNumberVMT; // указатель на VMT типа-предка TypeNameIs: function(VMT: PNumberVMT; TypeName: String): Boolean; Create: function: PNumber; // конструктор Destroy: procedure(var n: PNumber); // деструктор Plus: function(n1, n2: PNumber): PNumber; // Minus: function(n1, n2: PNumber): PNumber; // Dot: function(n1, n2: PNumber): PNumber; // Slash: function(n1, n2: PNumber): PNumber; // операторы Add: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); // Subtract: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); // MultiplyBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); // DivideBy: procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); // end; Number = packed record // тип Number VMT: PNumberVMT; end; var TypeNumber: NumberVMT; // единственный экземпляр VMT implementation function TypeNameIs(VMT: PNumberVMT; TypeName: String): Boolean; begin if TypeName=VMT.TypeName then result:=true

70

else if VMT.Ancestor<>nil then result:=VMT.Ancestor.TypeNameIs(VMT.Ancestor, TypeName) else result:=false; { Если значение параметра TypeName совпадает с именем, указанным в VMT, то результат - "истина". В противном случае он определяется версией той же функции из типа-предка, если таковой существует. } end; function Create: PNumber; begin New(result); result.VMT:=@TypeNumber; // инициализируем ссылку на VMT end; procedure Destroy(var n: PNumber); begin Dispose(n); end; initialization TypeNumber.TypeName:='Number'; TypeNumber.Ancestor:=nil; // у типа Number нет предка TypeNumber.TypeNameIs:=TypeNameIs; TypeNumber.Create:=Create; TypeNumber.Destroy:=Destroy; end.

Пос кол ь ку Number — абс т ракт ны й т ип, его объект не с од ержит ничего, кром е ад рес а т абл ицы в ирт уал ь ны хм етод ов , хранящейс я в от кры той перем енной TypeNumber. Запол нение ее пол ей проис ход ит од ин раз в процес с е инициал из ации м од ул я, т ак чтом ы пол учаем некоторы й в ы игры ш в ов рем ени при с оз д ании объектов . Зам ет им , что пом им о процед урны хуказ ат ел ей перем енная TypeNumber в кл ючает д в а пол я: TypeName (им я т ипа) и Ancestor (с с ы л ка на VMT т ипа-пред ка); онихи офункции TypeNameIs м ы погов орим ниже. Кром е того, функция-конс т руктор Create т еперь т акже яв л яет с я в иртуал ь ной. При ис пол ь з ов ании нов ой в ерс ии т ипа Number в ы з ов м етод ов ос ущес т в л яет с я пос ред с т в ом в ы ражений в ид а: n3:=n1.VMT.Plus(n1,n2); n1.VMT.Add(n1,n2);

71

Дл я переход а к нужной под програм м е процес с ор д ол жен из в л ечь из обл ас т и пам ят и, з аним аем ой объектом , указ ат ел ь на т абл ицу в ирт уал ь ны хм етод ов , д обав ит ь к нем у с м ещение, в ел ичина которого по-прежнем у опред ел яет с я на э т апе ком пил яции ис ход я из им ени м етод а, и с чит ат ь по пол ученном у ад рес у з начение процед урного указ ат ел я. Т аким образ ом , по с рав нению с пред ы д ущей реал из ацией м ы пол учаем од но д опол нит ел ь ное обращение к пам ят и, что не т ак уж м ал о, учит ы в ая час тот у ис пол ь з ов ания м ет од ов . Т ем не м енее, в ы игры ш от э коном ии пам ят и перев еш ив ает, и им енноэ т а с хем а прим еняет с я в Object Pascal (как, в прочем , и в некоторы х д ругих яз ы ках) д л я от ы с кания нужны х в ерс ий под програм м . Вы д ел ение в с ехпроцед урны хуказ ат ел ей в от д ел ь ную с т рукт уру прив ел ок появ л ению еще од ногос пос оба в ы з ов а м етод ов — пут ем прям огообращения к перем енной TypeNumber: TypeNumber.ИмяМетода(Параметры)

Яв ноуказ ы в ая т абл ицу в ирт уал ь ны хм етод ов , м ы од ноз начноопред ел яем ихв ерс ии и, т ем с ам ы м , пол нос т ь ю ис кл ючаем пол им орфиз м . Поэ том у под обны е в ы ражения раз ум но прим енят ь л иш ь д л я м етод ов , не з ав ис ящихот конкрет ного объект а: Create и TypeNameIs (в объект ной м од ел и т акие м етод ы наз ы в ают с я кл а ссовыми). Обрат им с я т еперь к реал из ации нас л ед ника — т ипа Rational. Пос кол ь ку он с од ержит и нов ы е пол я, и нов ы е м етод ы , нам прид ет с я д опол нит ь как опред ел ение объект а, т ак и с т рукт уру VMT. Код под програм м , пос рав нению с в ерс ией из § 4.3, из м енит с я очень нез начит ел ь но. Пример 4.6. Н ов ая реал из ация т ипа Rational. unit UnitRational; interface uses UnitNumber; // подключаем модуль с определением типа Number type PRational = ^Rational; PRationalVMT = ^RationalVMT; RationalVMT = TypeName: Ancestor: TypeNameIs: Create: Destroy:

packed record // VMT для типа Rational String; PNumberVMT; function(VMT: PNumberVMT; TypeName: String): Boolean; function: PNumber; procedure(var n: PNumber);

72

Plus: Minus: Dot: Slash: Add: Subtract: MultiplyBy: DivideBy: CreateAs: Normalize: Reduce: end;

function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; function(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); procedure(var n1: PNumber; n2: PNumber); function(n, m: Integer): PRational; // добавленные procedure(var r: PRational); // методы procedure(var r: PRational); //

Rational = packed record // тип Rational VMT: PRationalVMT; num: Integer; // добавленные den: Integer; // поля end; var TypeRational: RationalVMT; // единственный экземпляр VMT implementation uses SysUtils; // модуль включает поддержку исключений function Plus(n1: PNumber; n2: PNumber): PNumber; var _self, res: PRational; begin _self:=PRational(n1); if n2.VMT.TypeNameIs(n2.VMT, 'Rational') then begin res:=PRational(TypeRational.Create); res.num:=_self.num*PRational(n2).den+_self.den*PRational(n2).num; res.den:=_self.den*PRational(n2).den; res.VMT.Normalize(res); res.VMT.Reduce(res); result:=PNumber(res); // по сравнению с предыдущей версией изменился синтаксис вызова // функции TypeNameIs, конструктора, процедур Normalize и Reduce end else raise Exception.Create('Illegal operation'); end; ... // остальные операторы и процедуры Normalize и Reduce // модифицируются аналогично функции Plus function Create: PNumber; var res: PRational; begin New(res); res.VMT:=@TypeRational; // объекты ссылаются на VMT типа Rational

73

res.num:=0; res.den:=1; result:=PNumber(res); { Поскольку функция Create теперь является методом, ее заголовок определяется типом Number. В связи с этим здесь и в функциях CreateAs, Plus, Minus, Dot, Slash приходится делать взаимообратные приведения типа. } end; function CreateAs(n, m: Integer): PRational; begin if m<>0 then begin result:=PRational(Create); result.num:=n; result.den:=m; end else raise Exception.Create('Illegal value of denominator'); end; initialization TypeRational.TypeName:='Rational'; TypeRational.Ancestor:=@TypeNumber; // поле Ancestor ссылается на VMT типа Number TypeRational.TypeNameIs:=TypeNumber.TypeNameIs; // функция TypeNameIs остается той же, что и в типе Number TypeRational.Create:=Create; ... // остальные указатели инициализируются адресами // соответствующим образом названных подпрограмм end.

Т ак как обе з апис и, Rational и RationalVMT, пос т роены на ос нов е с т рукт ур т ипа Number, д инам ичес кое с в яз ы в ание з д ес ь буд ет работ ат ь факт ичес ки т ак же, как и рань ш е (рис . 4.2). Зам ет им д ал ее, чтопол я Ancestor (пред ок) объед иняют в с е т абл ицы в ирт уал ь ны хм етод ов , фигурирующие в проект е, в од ну д рев ов ид ную с т рукт уру (с м . рис . 4.3). Б л агод аря э том у, у нас появ л яет с я ед ины й м еханиз м д л я в ы з ов а с т ары хв ерс ий под програм м , анал огичны й оператору inherited.

74

Сс ы л ка на объект т ипа Number

VMT num

TypeName

den

Ancestor TypeNameIs Create

Ад рес уем ы й объект с точки з рения ком пил ятора

Destroy Plus

Реал ь ны й ад рес уем ы й объект в о в рем я в ы пол нения програм м ы

Minus Dot Slash Add Subtract MultiplyBy DivideBy

VMT ад рес уем огообъект а с точки з рения ком пил ятора

CreateAs Normalize

VMT реал ь ногоад рес уем ого объект а

Reduce

Рис . 4.2. ‘Number’

TypeName Ancestor TypeNameIs ...

TypeName

TypeName

TypeNameIs

Ancestor

...

Ancestor ‘Rational’

TypeNameIs ...

Рис . 4.3. 75

Другой нас л ед ник т ипа Number

С пом ощь ю д анного м еханиз м а м ы м ожем с т роит ь рекурс ив ны е ал горит м ы , под обны е функции TypeNameIs. В отл ичие от д ругихм етод ов , ее перв ы м парам ет ром яв л яет с я с с ы л ка не на конкрет ны й объект, а на с оот в ет с т в ующую ем у VMT (перем енны е т ипа PNumberVMT играют з д ес ь рол ь кл а ссовых ссыл ок). Э того в пол не д ос т аточно д л я опред ел ения им ени т ипа, хранящегос я в пол е TypeName. Е с л и онос ов пад ает с о с т рокой, перед анной в качес т в е в торогопарам ет ра, пров ерка з ав ерш ает с я. В прот ив ном с л учае, функция в ы з ы в ает с в ою же в ерс ию из т ипа, яв л яющегос я пред ком поот нош ению к т екущем у, и перед ает ей с с ы л ку на с оот в ет с т в ующую VMT. Т аким образ ом , м ы перем ещаем с я поиерархии нас л ед ов ания в направ л ении в ерш ины ; д обрав ш ис ь д о нее и не в с т рет ив ни од ногос ов пад ения, ал горит м в оз в ращает «л ожь » . В прив ед енном прим ере м ы ис пол ь з ов ал и од ну и т у же под програм м у д л я реал из ации м етод ов TypeNameIs обоих кл ас с ов . Вм ес т е с т ем , рекурс ив ны й в ы з ов произ в од ит с я в ней при пом ощи м еханиз м а д инам ичес когос в яз ы в ания, поэ том у им еет с я в оз м ожнос т ь прим енят ь опис анны й ал горит м , л иш ь начиная с некоторогоуров ня иерархии. Х отя рас с м от ренная в этом параграфе с хем а реал из ации д инам ичес когос в яз ы в ания поз в ол яет с ил ь нос э коном ит ь пам ят ь , при очень раз в итой иерархии нас л ед ов ания д аже этогом ожет оказ ат ь с я нед ос т аточно. Е с л и в баз ов ы хкл ас с ахобъяв л яет с я м ножес т в ов ирт уал ь ны хм етод ов , а з ам ещают с я они л иш ь из ред ка, то д ерев о VMT раз рас т ает с я д о в нуш ит ел ь ны храз м еров и при этом с од ержит яв ноиз бы точную инф орм ацию. Реш ением д анной пробл ем ы м ожет с л ужит ь д ругой ал горит м д инам ичес кого с в яз ы в ания, пос л ед ов ат ел ь но прос м ат рив ающий кл ас с ы , яв л яющиес я пред кам и т екущего, на пред м ет нал ичия в нихпод ход ящего м етод а. При этом от пад ает необход им ос т ь хранит ь ад рес а в с ехм етод ов в кажд ом кл ас с е, нои поис к т ребуем ой под програм м ы проис ход ит нес рав ним ом ед л еннее. В Object Pascal д анны й ал горит м ис пол ь з ует с я д л я в ы з ов а м етод ов , объяв л ение которы хз ав ерш ает с я д ирект ив ой dynamic.

76

З А К Л Ю ЧЕ Н И Е Как уже от м ечал ос ь в ов в ед ении, ос нов ное наз начение объект ноориент иров анной т ехнол огии — борь ба с ос л ожнос т ь ю програм м иров ания. Зд ес ь под с л ожнос т ь ю поним ает с я от нюд ь не в ит иев атос т ь ал горит м ов , а раз рас т ание раз м еров ис ход ны хт екс тов прил ожений в с очет ании с необход им ос т ь ю ихпос тоянной м од ификации. При ис пол ь з ов ании с т рукт урногопрограм м иров ания кажд ая с м ена в ерс ии т ребует от раз работ чика м ногочис л енны хрут инны хиз м енений и поним ания ед в а л и не в с егот екс т а проект а, напис анногок д анном у м ом ент у. Объект ны й под ход поз в ол яет з начит ел ь но ув ел ичит ь с т епень пов торяем ос т и код а, т. е. д ает в оз м ожнос т ь ис пол ь з ов ат ь уже напис анны е и отл аженны е библ иот еки без каких-л ибоиз м енений. Объект ная т ехнол огия в кл ючает т ри от нос ит ел ь нос ам ос тоят ел ь ны х м еханиз м а: под д ержку абс т ракт ны х т ипов д анны х, д инам ичес кое с в яз ы в ание и нас л ед ов ание. Во в торой час т и м ы м ного гов орил и о том , что абс т ракция д анны хнеобход им а д л я обес печения в з аим ной нез ав ис им ос т и раз работ чика т ипа и пол ь з ов ат ел я. Ст анд арт из ов анны й инт ерфейс в д анном с л учае с л ужит преград ой на пут и рас прос т ранения из м енений в ис ход ном т екс т е проект а. Динам ичес кое с в яз ы в ание в с очет ании с хранением информ ации о т ипе (RTTI — run-time type information) поз в ол яет в ы бират ь конкрет ную реал из ацию той ил и иной операции прям о в о в рем я в ы пол нения прил ожения, ис ход я из т ипа д анны х, к которы м она прим еняет с я. Э т а ид ея не яв л яет с я нов ой и д аже им еет под д ержку на аппарат ном уров не; как показ ы в ает § 4.1, с ред с т в ам и д л я ее реал из ации обл ад ают и процед урны е яз ы ки. Т рет ь я концепция — нас л ед ов ание — ус тоял ас ь з начит ел ь ном енее перв ы хд в ух. Она с л ужит д в ум ос нов ны м цел ям : обл егчению м од ификации т ипов д анны х и опред ел ению нов ы х прав ил с ов м ес т им ос т и при прис в аив ании. Понят но, чтов м ес то из м енения уже с ущес т в ующегот ипа гораз д опроще с оз д ат ь на егоос нов е нов ы й, д обав ив ил и переопред ел ив необход им ы е с в ойс т в а. Е с л и бы не появ л ение з ащищенного уров ня д ос т упа, э т а з ад ача с ам а пос ебе с тол ь же ус пеш ном огл а бы бы т ь реш ена и пос ред с т в ом ком поз иции, т. е. в кл ючения в нов ы й т ип с с ы л ки на объект с т арого. Од нако и тот, и д ругой с пос об не буд ут э ффект ив но работ ат ь при с охранении с т рогой т ипиз ации, д опус кающей прис в аив ания л иш ь 77

д л я объектов од ногои тогоже т ипа. Воз м ожной ал ьт ернат ив ой яв л яет с я пол ны й от каз от конт рол я т ипов в ов рем я раз работ ки, реал из ов анны й, наприм ер, в яз ы ке Smalltalk и некоторы хс ис т ем ахс им в ол ь ной м ат ем ат ики. У т акогопод ход а ес т ь д в а очев ид ны хм инус а: с ущес т в енное с нижение с корос т и работ ы прил ожения з а с чет пров ерки т ипа перед в ы пол нением кажд ой операции и отл оженное обнаружение ош ибок нес оот в ет с т в ия. Опис анное в нас тоящем пос обии опред ел ение с ов м ес т им ос т и на ос нов е иерархии нас л ед ов ания поз в ол яет произ в ес т и час т ь пров ерок т ипов л иш ь в о в рем я ком пил яции. Кром е того, с л ед с т в ием обяз ат ел ь ного в кл ючения в кл ас с -потом ок в с ехчл енов кл ас с а-пред ка яв л яют с я в ес ь м а э ффект ив ны е ал горит м ы д инам ичес когос в яз ы в ания, прив ед енны е в час т и 4. Вм ес т е с т ем д анная с хем а нас л ед ов ания не л иш ена и некоторы х нед ос т ат ков . Во-перв ы х, произ в од ны е кл ас с ы д ол жны , как прав ил о, д ос т аточно с ил ь но отл ичат ь с я от баз ов ы хпо уров ню абс т ракции. Рас с м от рим , наприм ер, м ножес т в а ком пл екс ны х, д ейс т в ит ел ь ны х, рационал ь ны х и цел ы хчис ел с с оот в ет с т в ующим и арифм ет ичес ким и операциям и. Вы раз ит ь им еющиес я в кл ючения на форм ал ь ном яз ы ке м ы м ожем , л иш ь с д ел ав кажд ую с л ед ующую с т рукт уру нас л ед ником пред ы д ущей. При э том , од нако, д л я пред с т ав л ения цел огочис л а нам прид ет с я ис пол ь з ов ат ь как м иним ум пару в ещес т в енны хи пару цел очис л енны хпол ей, д ос т ав ш ихс я от кл ас с ов ком пл екс ны хи рационал ь ны хчис ел . И с кл ючит ь л иш ние пол я м ожно, тол ь коунас л ед ов ав в с е кл ас с ы от од ногопред ка (под обного рас с м от ренном у в т рет ь ей час т и кл ас с у Number) и пот еряв , т ем с ам ы м , в з аим ос в яз и м ежд у ним и. Вторая неприят нос т ь в ы з в ана т ем , что от нош ения с ущнос т ей пред м ет ной обл ас т и д ал еконе в с егд а м огут бы т ь в ы ражены с пом ощь ю ориент иров анногод ерев а. Пред пол ожим , чтоу нас им еют с я кл ас с ы д л я пред с т ав л ения абс т ракт ногопол я и л инейноупоряд оченногом ножес т в а. Тогд а кл ас с рационал ь ны хчис ел , очев ид но, д ол жен бы т ь нас л ед ником ихобоих, чтов оз м ожно л иш ь при ис пол ь з ов ании той ил и иной форм ы м ножес т в енногонас л ед ов ания. Од на из в оз никающихна э том пут и пробл ем — конфл икт им ен: баз ов ы е кл ас с ы м огут с од ержат ь чл ены с од инаков ы м и ид ент ификаторам и. Зд ес ь инт ерес но от м ет ит ь , что з ав ис им ос т и м ежд у м од ул ям и с некоторой натяжкой т акже м ожнорас с м ат рив ат ь как форм у м ножес т в енного нас л ед ов ания. Под робное опис ание пробл ем ы перекры в ающихс я объяв л ений в д анном конкрет ном с л учае с од ержит § 1.3.

78

Т аким образ ом , з ад ача поис ка ад екв ат ной и э ффект ив ной форм ал из ации пред м ет ной обл ас т и в яз ы кахпрограм м иров ания в с е еще д ал ека от с в оего реш ения, хот я объект ная т ехнол огия, без ус л ов но, с д ел ал а бол ь ш ой ш аг в э том направ л ении. В з акл ючение попы т аем с я от в ет ит ь на в опрос , почем у объект но-ориент иров анны е яз ы ки при в с ех с в оих преим ущес т в ахникак не м огут в ы т ес нит ь яз ы ки процед урны е. Причин э том у, как м иним ум , д в е. Во-перв ы х, хранение информ ации о т ипе объект а в о в рем я в ы пол нения неиз бежно ув ел ичив ает з аним аем ы й им объем пам ят и. Дл я кл ас с ов , яв л яющихся анал огам и с кал ярны хт ипов д анны х, э тоув ел ичение в пол не м ожет оказ ат ь с я д в ух-т рехкрат ны м . Во-в торы х, л юбой ал горит м д инам ичес кого с в яз ы в ания по с рав нению с ос в яз ы в анием с т ат ичес ким т ребует некоторы хд опол нит ел ь ны х м анипул яций с пам ят ь ю. Как уже от м ечал ос ь , раз в ит ие объект ной т ехнол огии не пов л иял она архит ект уру процес с оров , т ак чтоопт им из ация на аппарат ном уров не з д ес ь нев оз м ожна. В рез ул ьт ат е, ал горит м ы , крит ичны е ков рем ени в ы пол нения, по-прежнем у пиш ут с ис пол ь з ов анием т рад иционны хс ред с т в . Т ем не м енее, с рос том в оз м ожнос т ей ком пь ют еров кол ичес т в о прил ожений, д л я которы хуказ анны е пробл ем ы нес ущес т в енны , в с е в оз рас т ает. Соот в ет с т в енно, приобрет ает попул ярнос т ь и объект ны й под ход к ихраз работ ке. Что читать даль ш е? Н ес м от ря на обил ие книг оDelphi, бол ь ш инс т в оиз нихс од ержит в ес ь м а пов ерхнос т ное опис ание яз ы ка Object Pascal, напом инающее с корее с прав очник, нежел и учебник. От час т и бл агод аря э том у не т еряет попул ярнос т и л ит ерат ура, кас ающаяс я пред ы д ущегопрод укт а фирм ы Borland — яз ы ка Turbo Pascal. К с ожал ению, ис пол ь з ов ат ь ее д л я из учения объект но-ориент иров анногопрограм м иров ания в Delphi нел ь з я: им енно объект ная м од ел ь прет ерпел а наибол ь ш ие из м енения при переход е к нов ой с ред е раз работ ки. И з с каз анного в ы т екает нес кол ь ко неожид анная реком енд ация: д л я бол ее гл убокого з наком с т в а с объект ной т ехнол огией и ее реал из ацией в Delphi раз ум ноис пол ь з ов ат ь книги, опис ы в ающие програм м иров ание на яз ы кахC++ и Java. Зд ес ь в ы бор ис точников информ ации з начит ел ь нош ире; м ногоценны хс в ед ений оприм енении объект ногопод ход а м ожнопочерпнут ь , наприм ер, из с л ед ующихиз д аний:

79

Л иппма н С ., Л а ж ойе Ж . Яз ы к програм м иров ания C++. Вв од ны й курс , 3-е из д . // Спб. – М .: Н ев с кий д иал ект – ДМ К Прес с , 2003. 1104 с . Эккел ь Б. Ф ил ос офия Java. Б ибиот ека програм м ис т а, 2-е из д . // Спб.: Пит ер, 2001. 880 с . Как уже от м ечал ос ь , объект ны е м од ел и яз ы ков Pascal, C++ и Java им еют м ного общего, и ихс рав нит ел ь ны й анал из поз в ол яет л учш е понят ь пл юс ы и м инус ы конкрет ной реал из ации. Сов м ес т ное опис ание объект но-ориент иров анногопрограм м иров ания в с ред ахBorland Pascal, Borland C++, Borland Delphi и Borland C++ Builder с од ержит учебник Ива н ова Г. С ., Ничуш кин а Т. Н., П уг а че в Е . К . Объект но-ориент иров анное програм м иров ание: Учебник д л я в уз ов // М .: И з д -в о М Г Т У им . Н . Э . Б аум ана, 2001. 320 с . Пос л е оз наком л ения с реал из ацией объект ногопод ход а хотя бы в д в ухяз ы кахпрограм м иров ания им еет с м ы с л пол учит ь , наконец, общее пред с т ав л ение ос пос обахпод д ержки объект ной т ехнол огии. От прав ной точкой з д ес ь м ожет с л ужит ь книга С е бе ста Р. Ос нов ны е концепции яз ы ков програм м иров ания, 5-е из д . // М .: И з д . д ом «Вил ь ям с » , 2001. 672 с .

80