S objekty se dnes v informatice setkáváme nejen při programování, ale zcela běžně také při návrhu aplikací, jejich testování, budování databází a u nespočtu dalších klíčových činností. Zjednodušeně řečeno, objekty jsou všude kolem nás.
Proč tomu tak je? Protože koncept objektů velmi dobře koresponduje s povahou našeho světa, který se většinou snažíme s jistou abstrakcí svými programy zachytit. Řekněme, že programujeme hru s různými postavami a zbraněmi. Automaticky tyto postavy a zbraně vidíme jako objekty, které spolu nějak interagují – postavy komunikují, sbírají a používají zbraně atd. Jiným příkladem může být třeba matematická aplikace, kde budou našimi objekty rovnice, výrazy a matematické funkce. Pokud program takto rozdělíme na vzájemně komunikující objekty, jež programujeme nezávisle na sobě, jsme schopni si v programu udržet lepší logickou strukturu, než když používáme pouze podprogramy.
Chci se zde pokusit vysvětlit princip objektově orientovaného programování (dále raději jen OOP), nikoliv prezentovat konkrétní objektově orientovaný jazyk, místo kterého pro obecnost a jednoduchost použiju pseudokód, i když ke konci mám ke stažení i zdrojový kód v C++. Článek píšu pro čtenáře, kteří mají s programováním základní zkušenosti (zhruba do té míry, že vědí, co je to ukazatel) a chtějí se posunout o kousek dál k něčemu, co je dnes ve světě informatiky jedním z nejrozšířenějších přístupů k řešení problémů.
Jak jste jistě vytušili, objektové programování je paradigma - určitá filozofie, podobně jako např. programování imperativní nebo funkcionální, napomáhající hlavně lepší logické struktuře programu, jeho přehlednosti a tedy logicky značné eliminaci chyb ve větších projektech. Objektové programy se zpravidla dobře navrhují, udržují a rozšiřují, jak zjistíme dále. Je ale nutné dodat, že OOP není lék na všechno a není automaticky nejlepším řešením pro každý projekt. Vždy je nutné se zamyslet - třeba při psaní malých programů může být tento přístup zbytečně složitý. Nicméně s dobrou znalostí problematiky se většinou jedná o skutečně mocný nástroj a my se zde pochopitelně zaměříme na jeho přednosti, jichž je opravdu velké množství.
Pojďme si tedy konečně říct, jak se v praxi liší psaní "normálního" a objektového programu. Když píšeme program klasickým přístupem hledání algoritmu v podobě příkazů a rozkladem problému na podproblémy, např. v jazyce C nebo v Pascalu, zaměřujeme se hlavně na příkazy - snažíme se nalézt posloupnost instrukcí, které vyřeší daný problém. Při tom si samozřejmě můžeme pomáhat podprogramy, moduly a dalšími pomůckami. V centru našeho soustředění však neustále zůstává sekvence příkazů řešící problém.
Při objektovém přístupu se snažíme nalézt objekty, jakési samostatné jednotky, které problém vyřeší samy vzájemnou spoluprací. Jakmile objekty identifikujeme, definujeme je v daném programovacím jazyce, naprogramujeme jejich chování a necháme je problém vyřešit. Programování objektů v praxi provádíme samozřejmě opět pomocí příkazů, ty však hrajou jen jakousi vedlejší roli, představují pomůcku pro popis chování objektů. Při pohledu na problém jako celek se nyní soustředíme především na objekty a jejich komunikaci.
Základní koncept známe, ale abychom byli schopni začít objektově programovat, musíme se ponořit hlouběji, vysvětlit si pár pojmů a pochopit systém, kterým se OOP realizuje. Velmi základními pojmy jsou pro nás nyní objekt a třída.
Objekt, jak už bylo řečeno, je určitá samostatná jednotka, popř. jakási černá skříňka řešící určitou úlohu. Každý objekt má dva typy komponent:
Objekt by měl být vytvořen podle určitých zásad, aby zachovával výhody OOP. Jednak by měl mít na starost pouze jeden úkol, podobně jako podprogram řeší jen jeden podproblém celkového problému. Dále by neměl poskytovat přímý přístup ke svým atributům, i když to programovací jazyky téměř vždy umožňují. Důvod, proč atributy skrývat, je ten, že zkrátka jde programovat bez přístupu k nim a hlavně se tak napomáhá jednoduchosti rozhraní objektu. Atributy by měly sloužit jen jako vnitřní paměť objektu a veškerá manipulace s ním by měla být umožněna jen skrze metody, které tvoří jakousi slupku zakrývající data (viz obrázek). U objektu člověka by tedy nemělo být možné přímo přistupovat např. k jeho atributu váha a pokud by jej bylo potřeba změnit, měla by být k dispozici metoda Změň váhu.
Dobrou otázkou může být, jak objekty identifikovat. Je zřejmé, že vždy existuje mnoho možností, jak svět na objekty rozdělit, a je to ve skutečnosti jedna z nejdůležitějších otázek, které se při velkých projektech řeší. Odpověď tedy není vždy jednoduchá a záleží na programátorovi, aplikaci a míře abstrakce, kterou zvolíme. Platí zde víc než kde jinde dvakrát navrhuj, jednou programuj – je potřeba používat mozek a nepouštět se bez rozmyslu do bušení kódu.
Nyní se podívejme na další důležitý pojem, jímž je třída. Ta je jednoduše řečeno šablonou pro objekt. Na základě toho, co známe, si třídu můžeme představit jako datový typ, přičemž objekty budou svým způsobem proměnné tohoto datového typu. Třídy vždy definujeme jako první podobně jako to děláme se složenými datovými typy (např. záznamy). Popíšeme v nich jména a datové typy atributů a také hlavičky (jméno, atributy a návratovou hodnotu) metod. Od takto definované třídy můžeme potom v programu začít vytvářet objekty, tzn. konkrétní výskyty neboli instance. Pokud bychom uvažovali výše zmíněný příklad, pak bychom definovali třídu Člověk a byli tak schopni vytvářet libovolné množství objektů této třídy, každý s rozdílnými hodnotami svých atributů jméno, věk a váha.
Je nutné říct, že existují jazyky, které třídy nepoužívají a pracují pouze s objekty, jež vytvářejí ne na základě tříd, ale díky tzn. klonování. Při programování běžných aplikací se však častěji setkáme s jazyky třídními a proto zde budeme třídy i nadále uvažovat.
Zkusme si nyní cvičně, jak by mohla vypadat deklarace třídy Člověk a vytváření objektů této třídy. Všimněte si speciální metody konstruktor, kterou má vždy automaticky každá třída a která se automaticky volá při vytváření objektu této třídy. Konstruktory se jmenují v různých jazycích různě, často bývá jeho název identický s názvem třídy. Do konstruktoru můžeme napsat kód, kterým chceme objekt inicializovat. Všimněte si taky, že může mít parametry. Podobně jako konstruktor existuje i destruktor, který se volá při rušení objektu, ale ten zde nebudeme zatím pro jednoduchost uvádět (destruktory se používají např. u složitějších datových struktur, kdy je potřeba při rušení objektu uvolňovat paměť či jiné zdroje). Při deklaraci atributů nebudeme uvádět datové typy a předpokládáme, že do ní lze přiřadit "cokoliv" (jak tomu většinou bývá ve skriptovacích jazycích).
Je důležité si všimnout, jak pracujeme s objekty. Nejdřív deklarujeme proměnnou, která bude odkazem na objekt, nikoliv objektem samotným. Do této proměnné poté přiřadíme adresu objektu při jeho vytváření – k tomu dojde použitím klíčového slova (zde nový), které vytvoří nový objekt, nad ním zavolá konstruktor a uloží jej do nově alokované paměti. S objekty poté pracujeme právě pomocí proměnné s uloženým odkazem.
Nyní se pomalu dostáváme k pravé síle objektového programování, jíž jsou možnosti zapouzdření objektů (encapsulation), dědičnosti tříd (inheritance) a polymorfismu (polymorphism). Uznávám, že se nám množina pojmů začíná nepříjemně rozrůstat, ale slibuji, že těmito třemi již pomalu budeme končit. Jedná se skutečně o podstatu OOP, bez níž nemá cenu se jím zabývat z jiného úhlu, proto si všechny tři pojmy vysvětlíme hezky popořadě.
Se zapouzdřením jsme se již setkali. Nejde o nic složitého, byť je význam tohoto principu větší, než se začátečníkům mnohdy zdá. Zapouzdřený objekt je takový, který se chová jako černá skříňka a neumožňuje přístup ke svým vnitřnostem, jimiž se myslí jeho soukromé atributy (popř. i soukromé metody, které může objekt rovněž mít). Jak jsem již psal, objekt by pro svou manipulaci měl programátorovi poskytovat pouze rozhraní ve formě metod, které by mělo být co nejjednodušší a oproštěné od vnitřního fungování objektu. Zapouzdření velmi napomáhá abstrakci, přehlednosti, umožňuje rozdělovat práci na projektu mezi více programátorů a považuje se za jeden ze základních návyků v OOP.
Trochu méně triviálním pojmem je dědičnost, která umožňuje vytvářet nové třídy na základě již existujících. Nejlépe asi bude demonstrovat dědičnost na příkladu. Výše jsme se bavili o třídě Člověk, od které jsme schopni vytvářet objekty představující konkrétní lidi. Nyní si představme, že chceme do svého programu zahrnout navíc třeba ještě psy. Klidně bychom mohli vytvořit novou třídu Pes tak, že bychom zkopírovali kód pro třídu Člověk, umazali bychom vlastnosti a metody, které u psa nechceme mít, a zároveň bychom nové věci přidali, např. metodu sedni. Jak ale víme, kopírování zdrojového kódu je známka redundance a především špatného programátora. Psi mají s lidmi spoustu společného, ale mají zároveň své specifické vlastnosti a chování, proto by bylo dobré vytvořit třídu Pes, která by měla něco společného s třídou Člověk a něco si k ní mohla přidat. Takové situace nastávají často a OOP pro ně má řešení, jímž je právě možnost dědičnosti tříd. Ta nám umožňuje, pokud máme vytvořenou nějakou třídu A, vytvořit třídu B, která zdědí všechny vlastnosti (atributy) a metody třídy A tak, že je již nemusíme explicitně deklarovat a zároveň můžeme deklarovat nové atributy a metody pouze pro třídu B. Dědičnost vnáší do tříd hierarchii a můžeme se proto bavit o třídách, které jsou rodiči a potomky jiných tříd (rodičovské třídy jsou obecnější, potomci představují konkrétnější objekty světa).
Zkusme si tedy představit, že vytvoříme třídu se jménem Živočich, která bude mít vlastnost jméno a metodu vydej zvuk. Tato třída představuje obecného živočicha, např. člověka nebo psa, přičemž předpokládáme, že každý živočich má jméno a umí vydávat zvuk. Nyní můžeme vytvořit třídy Pes a Člověk a u každé uvedeme jako rodiče třídu Živočich, čímž jsme uvedli dědičnost v praxi. Třídy Pes a Člověk mají automaticky vlastnost jméno a metodu vydej zvuk a pokud v některé z nich vytvoříme nový atribut či novou metodu, např. metodu sedni u psa nebo atribut příjmení u člověka, bude ji mít už pouze tato třída sama. Ještě dodejme, že třída Živočich je typem třídy, která se označuje jako abstraktní – je to třída, která slouží pouze k dědění a nelze na jejím základě vytvářet žádné objekty. Pochopitelně ne vždy musí být rodičovská třída abstraktní, označují se tak zkrátka třídy, od nichž nemá smysl vytvářet instance.
Nejsložitějším z pojmů je nejspíš polymorfismus neboli tzv. mnohotvarost. Umožňuje nám řešit další problém, který se v souvislosti s dědičností může vyskytnout a zároveň při správném využití poskytuje ohromné programátorské možnosti. Jak je zřejmé, třídy Člověk a Pes mají obě metodu vydej zvuk, což je naprosto v pořádku, neboť pes i člověk jistě dokáží nějaké zvuky vyluzovat. Problém je, že pes vydává jiné zvuky než člověk. Máme tedy implementovat metodu vydej zvuk ve třídě Živočich podle toho, jaké zvuky vydává pes nebo člověk? Odpověď zní, že díky polymorfismu můžeme udělat obojí. Nejdřív musíme označit metodu vydej zvuk ve třídě Živočich jako tzv. virtuální. Co to znamená? Znamená to, že tato metoda bude naprogramována různě pro různé třídy, i když bude mít stejné jméno. Co metoda ve skutečnosti udělá, se rozhodne až za běhu programu podle toho, nad kterým objektem bude volána. Nyní, když je metoda označena jako virtuální, můžeme napsat jeden kód pro třídu Pes (např. vypsání řetězce „haf“) a jeden pro třídu Člověk (např. vypsání „ahoj, já jsem ...“). Polymorfismus má opravdu velmi široké uplatnění.
Představme si např. jinou situaci, kdy máme pole odkazů (ukazatelů) na objekty tříd, které jsou potomkem abstraktní třídy Tvar představující obecný geometrický útvar. Tyto objekty tedy můžou být instance třídy Kružnice, Čtverec, Úsečka apod. Nyní chceme vykreslit objekty v poli na obrazovku. Nezkušený programátor by nejspíš procházel pole po každém prvku a podmínkami zjišťoval, jaké je každý objekt třídy, podle čehož by objekty různým způsobem kreslil (neboť kružnice se bez pochyby kreslí jinak než čtverec). Mnohem výhodnější je ale deklarovat virtuální metodu Vykresli se třídě Tvar a u jejích potomků (Kružnice, Čtverec, Úsečka, ...) ji poté jen implementovat podle daného konkrétního tvaru. Potom stačí projít pole a nad každým objektem zavolat metodu Vykresli se. Program za běhu zjistí, kterou implementaci má u každého objektu použít a vykreslí správné tvary.
Pochopit OOP jen z teoretického výkladu je skoro nemožné, proto si zkusíme uvést jeden konkrétní příklad, na němž ukážeme zapouzdření, dědičnost i polymorfismus. Využijeme v něm naše třídy Živočich, Pes a Člověk, které trochu upravíme. Zkuste si tedy projít následující kód a všimněte si, jak se deklarují třídy (velmi podobně jako datový typ záznam), jak se implementují jejich metody, jak se vytváří objekty (nejdřív vytvoříme ukazatele, do nichž uložíme adresy dynamicky vytvořených objektů) a jak se s nimi pracuje (volání metod). Jako bonus si můžete stáhnout zdrojový kód programu v C++ a rovnou si jej spustit, abyste viděli, že si nevymýšlím.
Po spuštění nám dá program následující výstup:
A na závěr ještě obrázek, jak náš program vlastně vypadá - obdelníky představují třídy a kolečka objekty. Rovné čáry naznačují dědičnost, zaoblené čáry ukazují, od kterých tříd jsou objekty odvozeny a přerušované čáry vyjadřují vztah "vlastnictví psa".
Příklad je snad víceméně jasný. Naučit se OOP důkladně samozřejmě není triviální věc a vyžaduje určitý čas. Jako vždy platí, nejlépe se programovat naučíte programováním. Proto si zkuste vybrat vhodný programovací jazyk, prohlédněte si svět kolem sebe plný objektů a zkuste jej nějakým způsobem ztvárnit. Uvidíte, že si OOP oblíbíte.