Кирютенко Ю.А., Савельев В.А. Объектно-ориентированное программирование. Язык Smalltalk

Подождите немного. Документ загружается.

Ю.А. КИРЮТЕНКО, В.А. САВЕЛЬЕВ

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ

ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Язык Smalltalk

Москва

«Вузовская книга»

2006

УДК 681.3.06

ББК 32.973.26-018.2

К43

Кирютенко Ю.А., Савельев В.А.

К43 Объектно-ориентированное программирование. Язык Small-

talk / Ю.А. Кирютенко, В.А. Савельев. — М.: Вузовская книга,

2006. — 328 с.: ил.

ISBN 5-9502-0097-7

В учебном пособии обсуждаются базовые понятия объектной идео-

логии, их реализация и применение в языке Smalltalk. Основу книги

составили материалы курсов, читавшихся авторами в Ростовском го-

сударственном университете и Донском государственном техническом

университете.

Для студентов и преподавателей вузов, практикующих программи-

стов и всех желающих изучить язык Smalltalk и объектно-ориентиро-

ванное программирование.

УДК 681.3.06

ББК 32.973.26-018.2

ISBN 5-9502-0097-7

 Кирютенко Ю.А., Савельев В.А., 2002, 2006

 «Издательское предприятие «Вузовская книга», 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Чтобы переварить знания, надо погло-

щать их с аппетитом.

Анатоль Франс

Сядем за стол, на котором стоит компьютер, найдем место для чистых

листов бумаги, ручки и начнем пир — пир познания нового. Нам бы хоте-

лось, чтобы чтение нашего учебника вы рассматривали именно так! Очень

интересно и необычно то, с чем вам предстоит познакомиться. Более десяти

лет назад стали мы изучать тогда новый для нас язык и теперь постараемся

рассказать вам о нем, о языке программирования высокого уровня Smalltalk

(по-русски — Смолток) — одном из самых удивительных и самых малоиз-

вестных в России языков программирования.

Если быть точным, речь у нас пойдет о системе программирования

Смолток, объединяющей язык программирования, обширную библиотеку

классов и среду разработки. Программирование в такой системе сводится к

расширению библиотеки классов с помощью языка программирования.

Из истории языка Смолток

Как это ни удивительно, Смолток довольно старый язык. Его история

длится уже тридцать лет. Он построен вокруг одной идеи — объектно-ори-

ентированного программирования, которая занимает особое место в совре-

менном мире. Разработка языка Смолток началась в 70-х годах в группе по

проблемам обучения (Learning Research Group) исследовательского центра

Xerox в Пало Альто (Калифорния, США). Основные концепции, положен-

ные в основу Смолтока, были сформулированы Аланом Кеем (Alan Kay)

(см. [10]) во время его работы в университете Юты над проектом Flex и,

после перехода в Xerox, во время работы над проектом Dynabook. Алан

Кей [31] отстаивал позицию, что любая работа с компьютером, в конечном

счете, сводится к моделированию тех или иных сторон реального мира или

человеческого мышления: «вычисление есть моделирование».

Огромное влияние на конечный результат оказали появившийся в то

время язык программирования Симула (Simula), созданный для программи-

рования задач имитационного моделирования, и опыт эксплуатации систем

4 Предисловие

на основе языков Лисп (Lisp) и SketchPad. В разработке языка активное

участие принимали психологи и специалисты по теории обучения.

Предполагалось, что язык Смолток в основном будет служить встроен-

ным языком для программирования на микрокомпьютере Dynabook, пред-

восхитившем сегодняшние PDA. Поэтому язык должен быть максимально

простым (даже для детей) и одновременно мощным, обеспечивающим есте-

ственную среду моделирования, то есть быть открытой, легко изменяемой

системой с удобным и выразительным интерфейсом пользователя. Он дол-

жен развиваться вместе с пользователем, поддерживая, по мере понимания

решаемых задач, все более сложные модели.

Реализовать идеи Алана Кея взялась группа разработчиков во главе с

Дэном Ингалсом (Dan Ingalls), ведущим разработчиком системы, который

создал ее общую архитектуру и графическое ядро, позволившее реализо-

вать пользовательский интерфейс на основе перекрывающихся окон, кон-

текстных (всплывающих) меню и активного использования только что по-

явившихся устройств-указателей (теперь называемых мышью). Созданная

им схема выполнения графических операций до сих пор применяется во

многих системах без существенных изменений.

Некоторые версии языка (Smalltalk-72, -74, -76, -78) были реализованы

для рабочих станций Xerox Alto, Xerox Dorado и Xerox Dolphin. Введенное

в версии Smalltalk-76 наследование сделало систему более компактной, а

байткоды — переносимыми с одной платформы на другую.

Совершенствование языка продолжалось, и была создана версия Small-

talk-78, которая уже широко использовалась внут ри фирмы Xerox. Опыт ее

эксплуатации позволил создать Smalltalk-80 — первую версию, выпущен-

ную за пределы фирмы. Система Smalltalk-80 была предложена для изуче-

ния и рецензирования таким производителям аппаратных средств, как App-

le Computer, Digital Equipment Corporation (DEC), Hewlett-Packard и Text-

ronix, что позволило устранить множество ошибок и привело к появле-

нию в 1983 году версии 1.2, которая стала поставляться как коммерческий

продукт. Полное описание системы Smalltalk-80 и ее основной библиотеки

классов было опубликовано в книгах [3–5], [18].

Кроме участников рецензирования, лицензию на систему Smalltalk-80

получили несколько крупных компаний. Но для массового разработчика

система оставалась недоступной, как из-за политики фирмы Xerox, уста-

новившей очень высокие цены на систему Smalltalk-80 и рабочие станции

для нее, так и из-за требований самой системы к аппаратным средствам.

Ситуация изменилась только после выделения из фирмы Xerox компании

ParcPlace, для которой развитие и продвижение языка Смолток стало ос-

новным видом деятельности. Этой компанией были созданы улучшенные

Предисловие 5

реализации Smalltalk-80 (VI 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) для самых разных аппаратных

платформ, включая Apple Mac, рабочие станции Sun и IBM AT 386+.

После выхода в свет книг [4,18] фирма Digitalk выпустила Methods: ком-

пактную версию Смолтока, предназначенную для IBM XT. Эта реализация,

развиваясь вместе с персональными компьютерами (Smalltalk/V, Small-

talk/V 286, Smalltalk/V for Windows, Smalltalk Express, Visual Smalltalk),

долгое время была самой массовой реализацией Смолтока. Были предпри-

няты и другие попытки реализовать Смолток для PC-совместимых машин,

но они оказались не столь удачны.

Развитие оконных систем (X Window System, Presentation Manager, Win-

dows) стимулировало ParcPlace к переходу от Smalltalk-80 через Object-

Works к семейству продуктов VisualWorks, которые использовали встроен-

ные в операционные системы менеджеры окон и были снабжены средства-

ми взаимодействия с другими приложениями. А в 1993 году фирма IBM

представила семейство систем программирования VisualAge, ядром которо-

го является VisualAge for Smalltalk. Эта система предназначалась для кол-

лективной визуальной разработки программ в многоплатформенной среде

(возможно, включающей в себя «большие» машины и «унаследованные»

приложения) и объединила в себе сильные стороны VisualWorks и Visual

Smalltalk, что сразу обеспечило ей ведущие позиции на рынке.

Появилось несколько небольших фирм, интенсивно развивающих как

коммерческие, так и некоммерческие версии языка Смолток.

Существование множества реализаций смолтоковских систем потребо-

вало стандартизации языка. Летом 1993 года ANSI был сформирован техни-

ческий комитет X3J20 для создания стандарта языка Смолток, куда вошли

представители производителей языка и фирм, активно его использующих.

Были предприняты все возможные меры, чтобы стандарту удовлетворяло

максимальное количество ранее написанного кода и большинство реали-

заций. Тем более, что все системы использовали практически одинаковый

синтаксис и семантику программных конструкций и чрезвычайно близкие

объектные библиотеки (по крайней мере, в пределах классов, описанных

в [4]). Принятый в 1998 году стандарт зафиксировал сложившуюся ситуа-

цию, исключив пока из сферы стандартизации все, что касается графики и

пользовательского интерфейса.

Долгий процесс созревания языка Смолток в недрах фирмы Xerox и по-

следующее рецензирование позволили создать удивительно естественный,

мощный и достаточно простой язык. Именно так: мощный и простой. Мы

не согласны с теми, кто, на наш взгляд, необоснованно и несправедли-

во относит язык Смолток к сложным языкам программирования [25]. Как

показала мировая практика, язык Смолток может быть отнесен к непри-

6 Предисловие

вычным языкам программирования, поскольку он не «алголоподобен», как

большинство современных языков. Однако непривычность не есть слож-

ность. Сложным может стать освоение огромной библиотеки классов, на-

копленной языком за время существования. Но великолепные инструменты

смолтоковских систем делают это освоение более легким, чем освоение

большинства библиотек в традиционных языках программирования. Воз-

можно, миф о сложности языка связан с тем, что Смолток применяется для

создания сложных программных систем, и их сложность воспринимается

не как свойство предметной области, а как свойство самого языка.

Сегодня Смолток — это современный, продуманный и универсальный

язык программирования, в котором объектная идеология реализована с мак-

симальной последовательностью и полнотой. Он содержит минимум лову-

шек для разработчика и очень стабильный внешний интерфейс основных

классов. В смолтоковской системе все сущности являются объектами, а

свойства объектов описываются объектами-классами. Все объекты в сово-

купности составляют образ системы, «оживляемый» ее виртуальной маши-

ной. Образ системы между сеансами работы сохраняется в файле образа,

который представляет собой моментальный снимок состояния системы, со-

держащий переменную ее часть. Виртуальная машина и образ системы со-

ставляют минимальную смолтоковскую систему. Именно такую структуру

имеют автономные (выделенные из среды разработки) смолтоковские при-

ложения. При работе смолтоковские системы используют архив исходных

текстов и файлы записи произведенных изменений (журналы). Конкретный

вид архива исходных текстов зависит от реализации: от текстового файла

в однопользовательских системах до объектной базы данных с управлени-

ем версиями и ограничениями доступа в системах групповой разработки,

таких как ENVY или VisualAge for Smalltalk.

Современные реализации языка обеспечивают также перенос и распро-

странение смолтоковских приложений в виде пакетов, содержащих набор

новых классов, связанных с существующей библиотекой, вместе с необхо-

димыми ресурсами и со сценариями инсталляции/деинсталляции.

Использование смолтоковских систем

Практически сразу смолтоковские системы заняли не предназначавшее-

ся им место системы обучения программированию, а стали инструментом

разработки сложных приложений с развитым пользовательским интерфей-

сом. Причина этого кроется, прежде всего, в простоте и мощи как языка

Смолток, так и среды разработки приложений, которые позволяют вести

коллективную работу, быстро реализовывать и эффективно поддерживать

Предисловие 7

сложные приложения с высокими требованиями к надежности и постоян-

ной готовности к функционированию, эффективно сопровождать создан-

ный программный продукт во время эксплуатации, производить регуляр-

ные модификации.

Среди типовых задач, для которых сегодня используется Смолток, мож-

но выделить следующие:

• автоматизация, робототехника;

• диспетчеризация, планирование;

• интерфейс пользователя;

• коммуникации, связь;

• медицина, экспертные системы;

• обработка коммерческой инфор-

мации;

• системы управления;

• тренажеры, моделирование;

• обучение программированию.

Так в начале 80-х разработчиками из Xerox и ЦРУ была создана большая

система Analyst для ситуационного центра. Эта система обеспечивала ра-

боту с электронной почтой, совместное редактирование одного документа

с нескольких рабочих мест и публикацию с различными уровнями досту-

па, электронные таблицы, способные содержать в своих ячейках и обраба-

тывать произвольные объекты системы, поддержку растровой и векторной

графики, в том числе анимационной, и обладала встроенной геоинформа-

ционной системой. Известны также приложения для системы управления

спутниками NASA, созданные в технологическом институте Джорджии.

Заметим, что сама область критически важных приложений такова, что

многие компании ст ремятся не указывать какие-либо данные о своих систе-

мах этого класса, но опубликованные данные показывают, что основными

языками программирования в этой области являются Кобол, C++ и Смол-

ток, причем в настоящее время доля Кобола постоянно сокращается, и от

Кобола переход обычно о существляется именно к Смолтоку.

С середины 90-х количество пользователей Смолтока устойчиво рас-

тет [15, 16]. Оказывается, если организация начала использовать Смолток,

то вс е новые ее разработки будут выполняться именно на нем. Возможно,

это следствие того, что Смолток явно имеет лучшее отношение количе-

ства законченных работ к количеству начатых работ, чем сравнимые с ним

по возможностям языки программирования. В отчете [16] приводятся ста-

тистические данные, показывающие высокую лояльность программистов,

пишущих на языке Смолток, к выбранному языку.

Смолток в России

В то время когда во многих странах мира, начиная с 1983 года, Смол-

ток активно используется, а монографии и учебники по языку издаются

постоянно, в России он практически неизве стен. За прошедшие годы на

8 Предисловие

русском языке вышло всего несколько книг и статей, в которых Смолток

только упоминается (см. [24], [25], [28–30], [34], [37]), но по ним совершен-

но невозможно понять, что он собой представляет и как на нем програм-

мировать. Книга, которую вы открыли, как предполагают авторы, должна

восполнить этот пробел. Еще одной причиной неизвестности и благодат-

ной почвой для мифа о сложности языка Смолток до последнего времени

(пока не появились мощные свободно распространяемые версии) служила

высокая стоимость смолтоковских систем.

Но сказать, что Смолток совсем не известен в России, нельзя. В по-

следние годы он стал использоваться, хотя это часто не афишируется. Во

многом его применение связано с постепенно расширяющимся использо-

ванием продуктов семейства IBM VisualAge. Существовали и существуют

разрозненные группы программистов (Москва, Ростов-на-Дону, Таганрог,

Новосибирск и др.), работающие на этом языке. В начале 90-х годов в

ИПИ РАН группой программистов под руководством кандидата техниче-

ских наук А.Г. Иванова [29, 30], [35] были разработаны версии «Русского

Смолтока» (ТМООП, ГООСП) для MS-DOS, которые по своей структуре

и возможностям примыкают к версии Smalltalk/V и представляют системы

программирования на языке, подобном Смолтоку, но основанном на рус-

ской лексике

В настоящее время интере с к Смолтоку в России растет. Предпринима-

ются попытки создать российскую группу пользователей языка Смолток.

Создаются русские интернет-ресурсы, посвященные Смолтоку, такие как

«Смолток по-русски»

. Расширяется список вузов, использующих Смолток

в обучении программированию и объектным технологиям.

Обзор учебника

Несколько слов о том, что представляет собой данная книга и как сле-

дует с ней работать. Прежде всего — это учебник, в котором представле-

ны объектно-ориентированная методология и основы программирования на

языке Смолток, а не справочник и не описание стандарта языка. Книга со-

держит описание основных понятий, принципов, технологий, познакомив-

шись с которыми вы сможете самостоятельно разбираться в документации,

поставляемой с каждой смолтоковской системой.

Учебная версия «Русского Смолтока» в начале 2005 года располагалась на стра-

нице hhttp://www.math.rsu.ru/smalltalk/russian.ru.htmli.

hhttp://www.smalltalk.ru/i

Предисловие 9

Те, кто считает себя асом в Си, Паскале, Фортране, Лиспе, должны бу-

дут приложить определенные усилия и изменить многие привычные для

них воззрения на практику программирования. Тем, кто мало знаком с про-

граммированием, будет, как это ни удивительно, легче, поскольку на них не

будет давить груз приобретенного опыта. Именно об этом говорит практика

преподавания языка Смолток как для школьников, так и для студентов. Но в

любой среде учащихся и сам язык, и объектно-ориентированная методоло-

гия программирования воспринимались намного легче, чем при изучении

сравнимых по возможностям языков программирования Java, Lisp/CLOS,

Ada или С++.

Читайте разделы внимательно, не торопясь. Не торопитесь начинать

программировать, прочитав всего несколько страниц. Из-за непохожести

Смолтока на все остальное в мире языков программирования излишняя то-

ропливость чревата полным разочарованием. Вполне возможно, что какие-

то моменты не удастся понять сразу — не расстраивайтесь. В действитель-

ности, в языке Смолток нет ничего сложного.

Обязательно пытайтесь выполнить задания для само стоятельной рабо-

ты, это поможет вам быстрее понять особенности языка.

Книга разбита на пять частей. В первой части учебника рассказывается

об основных принципах объектно-ориентированной методологии програм-

мирования и о том, как эти принципы реализуются в языке: в его синтакси-

се, инструментах, в особенностях функционирования самой смолтоковской

среды. Другими словами, излагается некоторая «теория».

Чтобы изложение было более конкретным, мы предполагаем, что на ва-

шем компьютере установлена система Smalltalk Express. Наш выбор объяс-

няется тем, что данная реализация распространяется бесплатно, компактна,

работает на всех IBM-совместимых компьютерах, в основном соответству-

ет стандарту, содержит все необходимое для первоначального знакомства и

работы. Среди доступных нам реализаций Смолтока другой системы, удо-

влетворяющей всем этим требованиям, не нашлось, хотя по каждому от-

дельному показателю или некоторому их подмножеству другие реализации

были бы лучше. Разумеется, читатель, работая с книгой, может пользовать-

ся любой смолтоковской системой. Большая часть того, о чем мы будем

рассказывать и что не будет касаться графики и интерфейса пользователя,

справедлива в любой реализации.

Вторая часть — библиотека классов смолтоковской системы. Даже в до-

статочно небольшой системе Smalltalk Express эту библиотеку нельзя на-

звать маленькой, а в учебнике невозможно рассмотреть ее полностью. Мы

ограничились только наиболее часто используемыми и важными классами

и их функциональными возможностями.