Арлоу Д., Нейштадт А. UML2 и Унифицированный процесс. Практический объектно-ориентированный анализ и проектирование
Подождите немного. Документ загружается.
234 Глава 10. Наследование и полиморфизм
10.3.2. Абстрактные операции и классы
Иногда требуется перенести реализацию операции в подклассы. В при
мере с классом Shape операция Shape::draw( g : Graphics ) – как раз такой
случай. В самом классе Shape обеспечить какуюлибо разумную реали
зацию этой операции невозможно, поскольку неизвестно, как должны
отрисоваться «фигуры». Понятие «отрисовка фигуры» слишком абст
рактное, чтобы иметь конкретную реализацию.
У абстрактных операций нет реализации.
Отсутствие реализации операции можно обозначить, сделав ее абст
рактной операцией. В UML для этого имя операции просто записыва
ется курсивом.
Класс с одной или более абстрактными операциями является непол
ным, поскольку в нем есть операции, не имеющие реализации. Это
означает невозможность создания экземпляров подобных классов. По
этому такие классы называют абстрактными. Чтобы показать, что
класс является абстрактным, его имя записывается курсивом.
Абстрактные классы имеют одну или более абстрактных операций. Соз
дать экземпляр абстрактного класса невозможно.
В примере на рис. 10.5 абстрактный класс Shape имеет две абстрактные
операции: Shape::draw( g : Graphics ) и Shape::getArea() : int. Эти операции
реализуются подклассами Square и Circle. Хотя Shape является непол
ным, и его экземпляр не может быть создан, оба его подкласса предо
ставляют недостающие реализации, являются полными и могут иметь
экземпляры. Любой класс, экземпляр которого может быть создан, на
зывается конкретным классом.
Операция getBoundingArea() является конкретной операцией класса Sha
pe, потому что контактная площадь (bounding area) любой фигуры вы
числяется одинаково: ширина фигуры умножается на высоту.
Shape
draw( g : Graphics )
getArea() : int
getBoundingArea() : int
Square Circle
draw( g : Graphics )
getArea() : int
draw( g : Graphics )
getArea() : int
абстрактные
операции
абстрактный
класс
конкретные
классы
конкретные
операции
Рис. 10.5. Абстрактный класс Shape и конкретные подклассы Square и Circle
10.3. Наследование классов 235
Использование абстрактных классов и операций обеспечивает два
серьезных преимущества:
• В абстрактном суперклассе можно определять ряд абстрактных
операций, которые должны быть реализованы всеми подклассами
Shape. Это можно рассматривать как определение «контракта», ко
торый должны реализовать все конкретные подклассы Shape.
• Можно написать код управления фигурами и затем подставить Circ
le, Square и другие подклассы Shape соответственно. Согласно принци
пу замещаемости код, написанный для управления Shape, должен
работать для всех подклассов Shape.
Более подробно эти преимущества рассматриваются при обсуждении
полиморфизма в разделе 10.4.
10.3.3. Уровень абстракции
Перед тем как перейти к полиморфизму, неплохо было бы разобраться
в уровнях абстракции. Что не так в модели на рис. 10.6?
Сущности, располагающиеся на одном уровне иерархии обобщения,
должны находиться на одном уровне абстракции.
Ответ: «в уровне абстракции». Иерархия обобщения определяет ряд
уровней абстракции, начиная от самого общего, находящегося на са
мом верху, вплоть до самого конкретного, находящегося в самом низу
иерархии. Всегда необходимо стараться придерживаться одного уров
ня абстракции на одном уровне иерархии обобщения. В приведенном
выше примере этого нет. JaguarXJS – марка автомобиля. Очевидно, что
это более низкий уровень абстракции, чем Truck (грузовик). Исправить
данную модель очень просто. Необходимо ввести между JaguarXJS и Ve
hicle (транспортное средство) суперкласс Car (автомобиль).
10.3.4. Множественное наследование
Множественное наследование – у класса может быть более одного не
посредственного суперкласса.
Vehicle
TruckJaguarXJS
Рис. 10.6. Пример неверной иерархии
236 Глава 10. Наследование и полиморфизм
UML позволяет классу иметь несколько непосредственных надклас
сов. Это называется множественным наследованием (multiple inherit+
ance). Подкласс наследуется от всех его непосредственных надклассов.
Обычно множественное наследование считают вопросом проектирова
ния, поэтому отложим его обсуждение до раздела 17.6.2.
10.4. Полиморфизм
Полиморфизм означает «много форм». Полиморфная операция – это
операция, имеющая много реализаций. Мы уже видели две полиморф
ные операции в примере с классом Shape. Абстрактные операции draw()
и getArea() класса Shape имеют две разные реализации: реализацию
в классе Square и другую – в классе Circle. У этих операций «много
форм», следовательно, они полиморфны.
Рисунок 10.7 прекрасно иллюстрирует полиморфизм. Определен класс
Shape, имеющий абстрактные операции draw() и getArea().
Полиморфизм означает «много форм». Полиморфные операции имеют
много реализаций.
Классы Square и Circle наследуются от Shape и предоставляют реализации
полиморфных операций Shape::draw() и Shape::getArea(). Все конкретные
подклассы Shape должны предоставлять конкретные операции draw()
и getArea(), потому что в надклассе они являются абстрактными. Это
значит, что в draw() и getArea() все подклассы Shape можно интерпрети
ровать (treat) одинаково. Таким образом, набор абстрактных операций
является средством определения набора операций, которые должны
быть реализованы всеми конкретными подклассами. Это называют
контрактом.
Конкретный подкласс должен реализовывать абстрактные операции,
которые он наследует.
Shape
draw( g : Graphics )
getArea() : int
getBoundingArea() : int
Square Circle
draw( g : Graphics )
getArea() : int
draw( g : Graphics )
getArea() : int
полиморфные
операции
абстрактный
суперкласс
конкретные
подклассы
Рис. 10.7. Иллюстрация полиморфизма
10.4. Полиморфизм 237
Очевидно, что реализация операций draw() и getArea() для классов Square
и Circle будет разной. Операция draw() для объектов класса Square будет
отрисовывать квадраты, а для объектов класса Circle – круги. И реали
зации операции getArea() тоже будут разными. Для квадрата она будет
возвращать width*height, а для круга – π*r
2
. В этом суть полиморфизма:
объекты разных классов имеют операции с одинаковой сигнатурой,
но разными реализациями.
Инкапсуляция, наследование и полиморфизм – это «три столпа» ОО.
Полиморфизм позволяет разрабатывать более простые системы, кото
рые проще изменять, потому что разные объекты в них интерпретиру
ются одинаково.
По сути, полиморфизм является важнейшим аспектом ОО, поскольку
предоставляет возможность отправлять объектам разных классов оди+
наковое сообщение и получать от них соответствующий ответ. Иными
словами, если послать объектам класса Square сообщение draw(), они от
рисуют квадрат, а если послать такое же сообщение объектам класса
Circle, они отрисуют круг. Объекты кажутся разумными.
10.4.1. Пример полиморфизма
Здесь представлен пример полиморфизма в действии. Предположим,
есть класс Canvas (холст), обслуживающий коллекцию классов Shape.
Хотя это и несколько упрощенная картина, работа многих графиче
ских систем действительно подобна этому. Модель такой простой гра
фической системы приведена на рис. 10.8.
Нам уже известно, что создать экземпляр Shape (поскольку это абст
рактный класс) нельзя. Но согласно принципу замещаемости можно
создать экземпляры его конкретных подклассов и использовать их
везде, где требуется класс Shape.
Итак, хотя на рис. 10.8 показано, что объекты типа Canvas содержат
коллекцию объектов Shape, на самом деле в коллекцию могут входить
только экземпляры конкретных подклассов Shape, потому что сам
Shape является абстрактным и не может иметь экземпляров. В данном
Shape
draw( g : Graphics )
getArea() : int
getBoundingArea() : int
Square Circle
draw( g : Graphics )
getArea() : int
draw( g : Graphics )
getArea() : int
Canvas
1*
Рис. 10.8. Диаграмма классов: полиморфизм в действии
238 Глава 10. Наследование и полиморфизм
случае есть два конкретных подкласса, Circle и Square. Таким образом,
коллекция может содержать объекты Circle и/или объекты Square.
С полиморфизмом объекты разных классов поразному отвечают на
одно и то же сообщение.
На рис. 10.9 представлена модель объектов, соответствующая диа
грамме классов, изображенной на рис. 10.8. Эта модель объектов по
казывает, что у объекта :Canvas
имеется коллекция из четырех объек
тов Shape: s1
, s2, s3 и s4, где s1, s3 и s4 – объекты класса Circle, а s2 – объ
ект класса Square. Что происходит, когда объект :Canvas
посылает каж
дому объекту этой коллекции сообщение draw()? Каждый объект, что
и не удивительно, реагирует правильно: объекты Square отрисовывают
квадраты, а объекты Circle – круги. Именно класс объекта определяет,
что отрисовывает объект. Иначе говоря, класс объекта определяет се
мантику набора операций, предлагаемых объектом.
Главное здесь то, что каждый объект отвечает на сообщение вызовом
соответствующей операции, заданной его классом. Все объекты одного
класса будут отвечать на одно и то же сообщение вызовом одной и той
же операции. Это не означает, что все объекты одного класса отвечают
на одно сообщение совершенно одинаково. Результаты вызова опера
ции обычно зависят от состояния объекта: значений всех его атрибу
тов и состояния всех отношений. Например, есть три объекта класса
Square с разными значениями атрибутов width (ширина) и height (высо
та). Получив сообщение draw(), каждый из этих классов отрисует квад
рат (т. е. значение или семантика операции остается неизменной), но
все квадраты будут разного размера в зависимости от значений атри
бутов width и height.
Вот еще один пример. Бизнесправила снятия денег и вычисления про
центов отличаются в зависимости от типа банковского счета. Так, для
2.draw( )
3.draw( )
1.draw( )
4.draw( )
:Canvas
s2:Square
s1:Circle
s3:Circle
s4:Circle
Рис. 10.9. Объект Canvas имеет коллекцию из 4+х объектов Shape
10.4. Полиморфизм 239
текущих счетов обычно существуют ограничения по превышению кре
дита, и поэтому они могут иметь отрицательный баланс, в то время
как баланс депозитных счетов не может опускаться ниже нуля. Анало
гично часто поразному вычисляются и начисляются на счет процен
ты. Один из простых способов моделирования этих банковских опера
ций показан на рис. 10.10. Описывается абстрактный класс Account
(счет). Затем предоставляются конкретные подклассы CheckingAccount
(текущий счет) и DepositAccount (депозитный счет). Абстрактный класс
определяет абстрактные операции withdraw() (снять деньги) и calculateIn
terest() (вычислить процент), которые реализуются поразному каж
дым из конкретных подклассов.
Конкретные операции тоже могут быть полиморфными, но это считается
плохим стилем.
Обратите внимание, что мы также переопределили конкретную опера
цию deposit() (разместить), предоставив ей новую реализацию в классе
ShareAccount (паевой счет). Запомните, что для переопределения опера
ции базового класса необходимо только предоставить подкласс с опе
рацией, имеющей абсолютно аналогичную сигнатуру. Мы сделали это
для ShareAccount, потому что бизнесправила размещения денег на пае
вом счете (ShareAccount) отличаются от правил для других типов счетов
(Account). Например, могут быть правила, определяющие минималь
ный размер вклада. Тогда будет две реализации deposit(): одна в
Account,
а другая в ShareAccount. Это значит, что теперь deposit() является поли
морфной операцией. То есть конкретные операции, такие как deposit(),
могут быть полиморфными!
Необходимо быть очень осторожным при переопределении конкрет
ных операций, потому что при этом происходит не просто предоставле
ние реализации операции абстрактного суперкласса – в этом случае из
меняется существующая реализация. Выяснить допустимость этого
можно, проверив спецификацию операции суперкласса и убедившись,
Account
withdraw( amount )
calculateInterest()
deposit( amount )
CheckingAccount
withdraw( amount )
calculateInterest()
Bank
1*
withdraw( amount )
calculateInterest()
deposit( amount )
DepositAccount
withdraw( amount )
calculateInterest()
ShareAccount
Рис. 10.10. Диаграмма классов для банковских операций
240 Глава 10. Наследование и полиморфизм
что при этом ее контракт не будет нарушен. Абстрактные операции
можно безопасно переопределять всегда, потому что они именно для
этого и предназначены. Однако переопределение конкретных опера
ций может иметь неожиданные последствия и представлять некото
рую опасность. Часто операция подкласса просто выполняет какоето
дополнительное действие и вызывает операцию суперкласса. Иначе
говоря, она добавляет собственное поведение в операцию суперкласса.
Это хороший способ повторного использования и расширения поведе
ния конкретной операции суперкласса, поскольку, как правило, он
безопасен.
Некоторые языки программирования обеспечивают возможность пре
дотвратить переопределение конкретной операции суперкласса в под
классе. В Java добавление ключевого слова final (финальный) в сигна
туру операции явно запрещает переопределение операции. На практи
ке в Java считается хорошим стилем определять как final все операции,
кроме тех, которые вы хотите явно определить как полиморфные.
10.5. Дополнительные аспекты обобщения
В данном разделе мы рассмотрим два углубленных аспекта обобще
ния: множества обобщения и множества всех типов. Понятие мно
жеств обобщения может быть весьма полезным. А вот множества всех
типов используются крайне редко. Они включены в эту книгу глав
ным образом для обеспечения полноты изложения.
10.5.1. Множества обобщения
Подклассы любого суперкласса можно организовать в одно или более
множеств обобщения.
Множества обобщения распределяют подклассы соответственно опре
деленному правилу.
Множества обобщения группируют подклассы соответственно опреде
ленному правилу или на основании специализации. Обсудим пример.
На рис. 10.11 показано, что у класса Shape может быть множество под
классов. Рассматривая эти подклассы, мы обнаруживаем здесь две со
вершенно разные группы фигур: двух и трехмерные.
На диаграмме классов это разделение подклассов можно отобразить
путем ассоциирования каждой группы фигур с разным множеством
обобщения, как показано на рис. 10.12.
К множествам обобщения могут применяться ограничения. Они опре
деляют, являются ли множества:
10.5. Дополнительные аспекты обобщения 241
• {complete} (полный) – подклассы множества обобщения охватывают
все возможные варианты. Например, множество обобщения gender
(пол) класса Person (человек), содержащего два подкласса, Male
(мужчина) и Female (женщина), можно было бы считать {complete},
поскольку существует только два пола;
• {incomplete} (неполный) – могут существовать подклассы, кроме
тех, которые представлены в множестве обобщения. Множество
обобщения twoDShape явно {incomplete}, поскольку двухмерных фи
гур очень много;
• {disjoint} (несовместный) – объект может быть экземпляром одного
и только одного из членов набора множества обобщения. Это самый
распространенный случай;
• {overlapping} (перекрывающийся) – объект может быть экземпляром
нескольких членов множества обобщения. Это довольно редкий
случай, поскольку подразумевает множественное наследование
или множественную классификацию.
Shape
Рис. 10.11. Класс Shape имеет множество подклассов
Shape
Square Circle Triangle
Cube Sphere Pyramid
threeDShape
twoDShape
множество обобщения
множество обобщения
имя множества обобщения
(не обязательно)
Рис. 10.12. Множества обобщения на диаграмме классов
242 Глава 10. Наследование и полиморфизм
Ограничения множеств обобщения могут комбинироваться, как пока
зано в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Рисунок 10.13 иллюстрирует применение ограничений множеств обоб
щения к примеру с классом Shape.
Как видите, множества обобщения – это аналитическая концепция, ко
торая позволяет разделять множества подклассов на группы. Когда де
ло доходит до реализации, ни один из широко используемых ОО язы
ков программирования не поддерживает напрямую множества обобще
ния, и с точки зрения реализации эта концепция является избыточной.
При реализации множества обобщения или игнорируются, или в каче
стве решения вводится новый уровень иерархии наследования, если
в этом есть какойто смысл. Взглянув на аналитическую модель на
рис. 10.13, можно предположить, что существуют какието атрибуты
или операции, общие для всех twoDShape и всех threeDShape. Это дает ос
нование для перевода множеств обобщения в новые классы иерархии
наследования, как показано на рис. 10.14.
10.5.2. Множества всех типов
Множества всех типов (powertype) – это аналитическая концепция,
которая в обычном повседневном моделировании встречается крайне
Ограничение Множество
полно
Члены множества могут
иметь общие экземпляры
{incomplete, disjoint} – применяется
по умолчанию
Нет Нет
{complete, disjoint} Да Нет
{incomplete, overlapping} Нет Да
{complete, overlapping} Да Да
Shape
Square Circle Triangle
Cube Sphere Pyramid
threeDShape {disjoint, incomplete}
twoDShape {disjoint, incomplete}
Рис. 10.13. Применение ограничений множеств обобщения
10.5. Дополнительные аспекты обобщения 243
редко. Этот раздел включен в книгу в основном для обеспечения пол
ноты изложения и как справочный материал, если вдруг ктото из чи
тателей когданибудь столкнется с этим понятием.
Множество всех типов – это класс, экземпляры которого – классы, так
же являющиеся подклассами другого класса.
Множество всех типов – это класс, экземпляры которого являются клас
сами. Эти экземпляры также являются подклассами другого класса.
Любой класс, экземпляры которого являются классами, называют ме+
таклассом (класс класса). Таким образом, множество всех типов – это
особый тип метакласса, экземпляры которого являются еще и под
классами другого класса.
Идея множеств всех типов довольно сложна. Лучше всего проиллюст
рировать ее простым примером (рис. 10.15).
Вопервых, необходимо отметить, что InterestAccount (счет процентов)
не является обычным классом; это множество всех типов, как обозна
чено стереотипом. Вовторых, ассоциация между классами InterestAc
count и Account не имеет обычной семантики ассоциации. В данном слу
чае она показывает, что InterestAccount может быть (но необязательно
(0..1)) множеством всех типов класса Account (и его подклассов благода
ря наследованию).
Shape
Square Circle Triangle
{disjoint, incomplete}
{disjoint, incomplete}
TwoDShape
Sphere PyramidCube
ThreeDShape
Рис. 10.14. Множества обобщения переведены в новые классы
иерархии наследования