Инкапсуляция (Encapsulation).

Инкапсуляция является одним из ключевых понятий ООП. Приведем формальное определение этого понятия:

Инкапсуляция - это механизм, который объединяет данные и методы, манипулирующие этими данными, и защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Когда методы и данные объединяются таким способом, создается объект.

Итак, зачем же нам нужна инкапсуляция? Ответ прост, мы - люди. А человеку свойственно ошибаться. Никто не застрахован от ошибок. Применяя инкапсуляцию, мы, как бы, возводим крепость, которая защищает данные, принадлежащие объекту, от возможных ошибок, которые могут возникнуть при прямом доступе к этим данным. Кроме того, применение этого принципа очень часто помогает локализовать возможные ошибки в коде программы. А это намного упрощает процесс поиска и исправления этих ошибок.

Можно сказать, что инкапсуляция подразумевает под собой скрытие данных (data hiding), что позволяет защитить эти данные.

Cуть инкапсуляции можно определить следующим образом:

Переменные состояния объекта скрыты от внешнего мира. Изменение состояния объекта (его переменных) возможно ТОЛЬКО с помощью его методов (операций).

Почему же это так важно? Этот принцип позволяет защитить переменные состояния объекта от неправильного их использования. Это существенно ограничивает возможность введения объекта в недопустимое состояние и/или несанкционированное разрушение этого объекта.

Для иллюстрации приведенного выше постулата рассмотрим простой жизненный пример.

Представьте, что у Вас не заводится машина и Вы, увы, не механик и плохо разбираетесь в машинах. Вы открываете капот и начинаете выдергивать какие-то шланги, что-то откручивать. и т.д. Хорошо, если Вы запомнили что, где и как выдергивали и откручивали. А если нет? Или, у Вас стрелка уровня топлива стоит на нуле, а Вы считаете, что у Вас полно топлива и полезете со спичками внутрь бензобака проверять уровень топлива. Какие последствия Вас могут ожидать?

Аналогично и с нашими объектами, которые могут быть чрезвычайно сложными, а Вы пытаетесь что-то в них подправить, не представляя их внутреннюю организацию.

Для того, чтобы починить машину не причинив себе и самой машине вреда (ну, разве только финансовые затраты с Вашей стороны) необходимо пригласить квалифицированных авто-слесарей, причем каждый из которых отлично разбирается только в определенной части Вашей машины. Если Вы скажете, что у Вас не горит лампочка подсветки в салоне, то замену лампочки проведет специалист по электрооборудованию автомобилей. И т.д. Аналогично и в нашем объекте. Есть "мастера" - методы, которые "специализируются" в определенных областях, но свою область они знают на "5" баллов. А самое главное, они знают как можно изменить состояние объекта так, чтобы не повредить его.

Хорошим примером применения принципа инкапсуляции являются команды доступа к файлам. Обычно доступ к данным на диске можно осуществить только через специальные функции. Вы не имеете прямой доступ к данным, размещенным на диске. Таким образом, данные, размещенные на диске, можно рассматривать скрытыми от прямого Вашего вмешательства. Доступ к ним можно получить с помощью специальных функций, которые по своей роли схожи с методами объектов. При этом, хотелось бы отметить два момента, которые важны при применении этого подхода. Во-первых, Вы можете получить все данные, которые Вам нужны за счет законченного интерфейса доступа к данным. И, во-вторых, Вы не можете получить доступ к тем данным, которые Вам не нужны. Это предотвращает случайную порчу данных, которая возможна при прямом обращении к файловой системе. Кроме того, это предотвращает получение неверных данных, т.к. специальные функции обычно используют последовательный доступ к данным.

Как известно, ни что в этом мире не дается даром. Применение этого метода ведет к снижению эффективности доступа к элементам объекта. Это обусловлено необходимостью вызова методов для изменения внутренних элементов(переменных) объекта. Однако, при современном уровне развития вычислительной техники, эти потери в эффективности не играют существенной роли.

Затроним еще одно понятие ООП. Это абстрактные типы данных (ABSTRACT DATA TYPES).

Абстрактный тип данных - это группа тесно связанных между собой данных и методов (функций), которые могут осуществлять операции над этими данными.

Поскольку подразумевается, что эта структура защищена от внешнего влияния, то она считается инкапсулированной структурой. Важным же отличием от других аналогичных структур является то, что данные заключенные в этой структуре, тесно связанны и активно взаимодействуют между собой внутри структуры. Подобные структуры имеют слабые связи с внешним миром посредством ограниченного интерфейса. Суть подобных структур довольно проста: данные имеют тесные взаимосвязи внутри структуры, но слабые связи с внешним миром посредством ограниченного числа методов. Таким образом, структуры подобного рода имеют достаточно простой, но эффективный интерфейс, что позволяет их легко интегрировать в программах. Проведем аналогию. Рассмотрим монитор как единый объект. Наверное, на много приятнее иметь дело с несколькими кнопками на Вашем мониторе для того, чтобы его настроить, чем копаться в его внутренностях, пытаясь его настроить. Для того, чтобы настроить монитор необходимо знать только простой интерфейс настройки и все.

Определение класса

Класс языка С++ очень похож на структуру. Для понимания классов С++ полезно сначала обсудить использование структур (более детальное описание структур смотрите в одном из предыдущих занятий).

Структуры языка С позволяют сгруппировать набор связанных переменных-членов. Например, если создан прямоугольник, удобно хранить его координаты в виде структуры, определенной следующим образом:

struct Rectangle

{

int Left;

int Top;

int Right;

int Bottom;

};

Далее можно определить функцию рисования прямоугольника.

void DrawRectangle(Rectangle Rect)

{

Line (Rect.Left, Rect.Top, Rect.Right, Rect.Top);

Line (Rect.Right, Rect.Top, Rect.Right, Rect.Bottom);

Line (Rect.Right, Rect.Bottom, Rect.Left, Rect.Bottom);

Line (Rect.Left, Rect.Bottom, Rect.Left, Rect.Top);

}

В этом примере Line - гипотетическая (т.е. вымышленная) функция, которая позволяет рисовать линию от точки, заданной первыми двумя координатами, до точки, определенной вторыми двумя координатами. Такая функция может быть определена где-либо в программе или вызвана из библиотеки функций. Наконец, чтобы задать прямоугольник в определенном месте, нужно определить и инициализировать переменную типа Rectangle, а затем передать ее в функцию DrawRectangle.

Rectangle Rect={25,25,100,100};

DrawRectangle(Rect);

Класс языка С++ позволяет определить не только семейство компонентов данных, но и функции, работающие с этими данными. В С++ можно совместить координаты прямоугольника и функции рисования прямоугольника внутри определенного класса, что и показано в следующем примере:

class CRectangle

{

int Left;

int Top;

int Right;

int Bottom;

void DrawRectangle()

{

Line (Left, Top, Right, Top);

Line (Right, Top, Right, Bottom);

Line (Right, Bottom, Left, Bottom);

Line (Left, Bottom, Left, Top);

}

};

Компоненты данных, определенные внутри класса, называются переменными-членами класса (иногда их называют также полями данных). Функции, определенные внутри класса, называются функциями-членами или методами класса. В нашем примере переменные-члены - Left, Top, Right и Bottom, а функция-член - Draw(). Обратите внимание: функция член может содержать ссылку на любую переменную класса, не используя при этом специальный синтаксис.

Определение класса предоставляет компилятору проект класса, но в действительности место в памяти не резервируется. Чтобы зарезервировать память и создать переменную, нужно задать определение типа

CRectangle Rect;

Это определение создает экземпляр класса CRectangle, который также называют объектом. Экземпляр Rect класса CRectnagle занимает собственный блок памяти и может использоваться для хранения данных и выполнения операций над ними. Как и переменная встроенного типа, объект существует, пока поток управления не выходит за пределы области видимости его определения (например, если объект определен внутри функции, то он уничтожается при выходе из нее). Определение класса должно предшествовать определению и использованию экземпляра класса. Заметим, что можно создать произвольное число экземпляров данного класса.

После создания экземпляра класса организуется доступ к переменным-членам и функциям-членам класса. При этом используется синтаксис, подобный применяемому для работы со структурами. Однако при наличии одного только определения класса СRectangle программа не сможет обратиться ни к одному из его членов, так как по умолчанию все переменные и функции, принадлежащие классу, определены как закрытые (private). Это означает, что они могут использоваться только внутри функций-членов самого класса. Так, для функции Draw() разрешен доступ к переменным-членам Top, Left, Right и Bottom, потому что Draw() - функция-член класса. Для других частей программы, таких как функция main(), доступ к переменным-членам или вызов функции-члена Draw() запрещен.

С использованием спецификатора доступа public можно создать открытый член класса, доступный для использования всеми функциями программы (как внутри класса, так и за его пределами). Например, в следующем варианте класса CRectangle все члены являются открытыми.

class CRectangle

{

public:

int Left;

int Top;

int Right;

int Bottom;

void DrawRectangle()

{

Line (Left, Top, Right, Top);

Line (Right, Top, Right, Bottom);

Line (Right, Bottom, Left, Bottom);

Line (Left, Bottom, Left, Top);

}

};

Спецификатор доступа применяется ко всем членам, расположенным после него в определении класса (пока не встретиться другой спецификатор доступа). Теперь, когда все члены класса CRectangle открыты, доступ к ним возможен с использованием оператора "." (точка) .

CRectangle Rect; //определение объекта CRectangle

Rect.Left=5; //присваивание значений переменным-членам

Rect.Top=10;

Rect.Right=100;

Rect.Bottom=150;

Rect.Draw(); //создание прямоугольника

Согласно принципам инкапсуляции внутренние структуры данных, используемые в реализации класса, не должны быть доступны пользователю класса непосредственно. Однако наша последняя реализация класса CRectangle явно нарушает этот принцип, так как пользователь может непосредственно читать или модифицировать любые переменные-члены. Чтобы не нарушать правила сокрытия данных класс СRectangle должен быть определен так, чтобы иметь доступ к функциям-членам (в нашме примере - это функция Draw()), но не иметь доступа к внутренним переменным-членам, используемым этими функциями (Left, Top, Bottom, Right)

class CRectangle

{

private:

int Left;

int Top;

int Right;

int Bottom;

public:

void DrawRectangle()

{

Line (Left, Top, Right, Top);

Line (Right, Top, Right, Bottom);

Line (Right, Bottom, Left, Bottom);

Line (Left, Bottom, Left, Top);

}

};

Спецификатор доступа private делает переменные, определенные позже, закрытыми. Таким образом они доступны только функциям-членам класса. Подобно спецификатору доступа public, спецификатор private воздействует на все объявления, стоящие после него, пока не встретится другой спецификатор. Следовательно, такое определение делает переменные Left, Top, Right, Bottom закрытыми, а функцию Draw() - открытой. Наверное, Вы догадались, что спецификатор доступа private, не требуется помещать в начале определения класса, потому что члены класса по умолчанию являются закрытыми. Однако включение спецификатора private облегчает чтение программы.

Следующий код иллюстрирует как корректное, так и некорректное обращение к членам очередного варианта класса CRectangle.

void main()

{

CRectangle Rect; //Определение объекта CRectangle

Rect.Left=5; //ОШИБКА! Нет доступа к ЗАКРЫТОМУ члену

Rect.Top=5; //ОШИБКА!

Rect.Draw(); //допускается (но координаты не определены!)

}

Теперь, когда пользователю класса запрещен прямой доступ к переменным-членам, класс должен предоставить альтернативное средство указания координат перед созданием прямоугольника. Хороший способ для этого - предоставление открытой функции-члена, принимающей требуемые значения координат и использующей эти значения для установки переменных-членов. Например:

void SetCoord (int L, int T, int R, int B)

{

Left=L;

Right=R;

Top=T;

Bottom=B;

}

Добавим эту функцию в радел public определения класса СRectangle. Теперь класс CRectangle можно использовать для создания прямоугольника.

void main()

{

CRectangle Rect; //Определение объекта CRectangle

Rect.SetCoord(30,30,100,100); //установка координат прямоугольника

Rect.Draw(); //отображение прямоугольника

}

Напрашивает следующий вопрос: "Может проще было бы "просто" присвоить членам-переменным значения и не мучаться?". "Проще" - может быть, а вот проблем было бы еще больше! Очевидное преимущество инкапсуляции заключается в том, что она позволяет разработчику проверить правильность любых значений, присваиваемых переменным-членам, и тем самым предотвратить ошибки программирования! Другое преимущество управления доступом к внутренним структурам данных заключается в том, что автор класса может свободно изменить способ представления этих данных, не изменяя другие части программы, использующие класс.