Класс (программирование)

Класс — в объектно-ориентированном программировании, модель для создания объектов определённого типа, описывающая их структуру (набор полей и их начальное состояние) и определяющая алгоритмы (функции или методы) для работы с этими объектами.

Суть отличия классов состоит в том, что при задании типа данных, класс определяет одновременно как интерфейс, так и реализацию для всех своих экземпляров (т.е. объектов), поэтому вызов метода-конструктора обязателен.

Класс является одним из ключевых понятий в ООП, но существуют и бесклассовые объектно-ориентированные языки, например, Self, JavaScript, Lua,

На практике объектно-ориентированное программирование сводится к созданию некоторого количества классов, включая интерфейс и реализацию, и последующему их использованию. Графическое представление некоторого количества классов и связей между ними называется диаграммой классов.

Идея классов пришла из работ по базам знаний, имеющих отношение к исследованиям по искусственному интеллекту. Используемые человеком классификации в зоологии, ботанике, химии, деталях машин, несут в себе основную идею, что любую вещь всегда можно представить частным случаем некоторого более общего понятия. Конкретное яблоко — это в целом некоторое яблоко, вообще яблоко, а любое вообще яблоко — фрукт. (Яблоки и груши - частый пример классов в учебных пособиях по объектно-ориентированному программированию.)

Везде далее слова «класс», «объект», «интерфейс» и «структура» будут употребляться в своих специальных значениях, заданных в рамках ООП.

Классы и объекты, понятие экземпляра класса, понятие членов класса

В объектно-ориентированной программе с применением классов каждый объект является «экземпляром» некоторого конкретного класса, и других объектов не предусмотрено. То есть «экземпляр класса» в данном случае означает не «пример некоторого класса» или «отдельно взятый класс», а «объект, типом которого является какой-то класс». При этом в разных языках программирования допускается либо не допускается существование еще каких-то типов данных, экземпляры которых не являются объектами (то есть язык определяет, являются ли объектами такие вещи, как числа, массивы и указатели, или не являются, и, соответственно, есть ли такие классы как «число», «массив» или «указатель», экземплярами которых были бы каждое конкретное число, массив или указатель).

Например, абстрактный тип данных «строка текста» может быть оформлен в виде класса, и тогда все строки текста в программе будут являться объектами — экземплярами класса «строка текста».

При использовании классов все элементы кода программы, такие как переменные, константы, методы, процедуры и функции, могут принадлежать (а во многих языках обязаны принадлежать) тому или иному классу. Сам класс в итоге определяется как список своих членов, а именно полей (свойств) и методов/функций/процедур. В зависимости от языка программирования к этому списку могут добавиться константы, атрибуты и внешние определения.

Обычные поля создаются по одной копии для каждого конкретного объекта — экземпляра класса. Например, общее количество строк текста, созданных в программе за время её работы, будет являться статическим полем класса «строка текста». А конкретный массив символов строки будет являться обычным полем экземпляра класса «строка текста», так же как переменная «фамилия», имеющая тип «строка текста», будет являться обычным полем каждого конкретного экземпляра класса «человек».

Как и поля, код в виде методов/функций/процедур, принадлежащих классу, может быть отнесен либо к самому классу, либо к экземплярам класса. Метод, принадлежащий классу и соотнесенный с классом (статический метод) может быть вызван сам по себе и имеет доступ к статическим переменным класса. Метод, соотнесенный с экземпляром класса (обычный метод), может быть вызван только у самого объекта, и имеет доступ как к статическим полям класса, так и к обычным полям конкретного объекта (при вызове этот объект передастся скрытым параметром метода). Например, общее количество созданных строк можно узнать из любого места программы, но длину конкретной строки можно узнать только указав, тем или иным образом, длину какой строки будем мерить.

Интерфейс и реализация, наследование реализации

В программировании есть понятие программного интерфейса, означающего перечень возможных вычислений, которые может выполнить та или иная часть программы. Это включает описание: какие аргументы и в каком порядке требуется передавать на вход алгоритмам из перечня, а также что и в каком виде они будут возвращать. Абстрактный тип данных интерфейс придуман для формализованного описания такого перечня. Сами алгоритмы, то есть действительный программный код, который будет выполнять все эти вычисления, интерфейсом не задаётся, программируется отдельно и называется реализацией интерфейса.

Класс позволяет задать не только программный интерфейс к самому себе и к своим экземплярам, но и в явном виде написать код, ответственный за вычисления. Если при создании своего нового типа данных наследовать интерфейс, то мы получим возможность передавать экземпляр своего типа данных в любой алгоритм, который умеет работать с этим интерфейсом. Однако нам придется самим написать реализацию интерфейса, то есть те алгоритмы, которыми будет пользоваться интересующий нас алгоритм для проведения вычислений с использованием нашего экземпляра. В то же время, наследуя класс, мы автоматически наследуем готовый код под интерфейс (это не всегда так, родительский класс может требовать реализации каких-то алгоритмов в дочернем классе в обязательном порядке). В этой возможности наследовать готовый код и проявляется то, что в объектно-ориентированной программе тип данных класс определяет одновременно и интерфейс, и реализацию для всех своих экземпляров.

Состояние объекта, понятие областей доступа, конструкторы

Одной из проблем структурного программирования, с которой борется ООП, является проблема поддержания правильного значения переменных программы. Часто разные переменные программы хранят логически связанные значения, и за поддержание этой логической связности несет ответственность программист, то есть автоматически связность не поддерживается. Примером могут служить флажки «уволен» и «ожидает премии по итогам года», когда по правилам отдела кадров человек может быть одновременно не уволенным и не ожидающим премии, не уволенным и ожидающим премии, уволенным и не ожидающим премии, но не может быть одновременно и уволенным, и ожидающим премии. То есть любая часть программы, которая проставляет флажок «уволен», всегда должна снимать флажок «ожидает премии по итогам года».

Практический подход

В современных объектно-ориентированных языках программирования (в том числе в php, Java, C++, Oberon, Python, Ruby, Smalltalk, Object Pascal) создание класса сводится к написанию некоторой структуры, содержащей набор полей и методов (среди последних особую роль играют конструкторы, деструкторы, финализаторы). Практически класс может пониматься как некий шаблон, по которому создаются объекты — экземпляры данного класса. Все экземпляры одного класса созданы по одному шаблону, поэтому имеют один и тот же набор полей и методов.

Классы в языке Ruby

Классы в языке Ruby определяются следующим образом:

class MyClass
  def initialize
    # Конструктор (необязателен)
  end
  
  public # Идентификатор public необязателен, т.к. установлен по умолчанию,
         # указывает на то, что следующие за ним методы доступны из любого места программы
  def public_method
    # Публичный метод
  end
  
  protected # Идентификатор protected указывает на то, что следующие за ним методы
            # будут доступны только членам данного и дочерних классов
  def protected_method
    # Защищённый метод
  end
  
  private # Идентификатор private указывает на то, что следующие за ним методы
          # будут доступны только членам данного класса
  def private_method
    # Приватный метод
  end
end

Создание экземпляра класса:

object = MyClass.new

Уничтожение экземпляра класса не требуется: оно происходит автоматически с помощью «сборщика мусора», как только из памяти исчезет последняя ссылка на него.

Классы в языке Python

Определение класса на языке Python с помощью оператора class:

class MyClass:
      def __init__(self, arg):
          """Конструктор"""
          self._arg = arg    # параметр объекта

      def method1(self, x):
          """метод, входящий в интерфейс класса"""

      def _method2(self, x):
          """метод, не входящий в интерфейс класса"""

      def __method2(self, x):
          """метод доступный только внутри класса"""

      @staticmethod
      def method3(arg1, arg2, ...):
          """статический метод, доступный для вызова как из экземпляров класса, так и из самого класса"""

      @classmethod
      def method4(cls, arg1, arg2, ...):
          """метод класса, доступный для вызова как из экземпляров класса, так и из самого класса, с доступом к внутренним методам и параметрам"""

Создание экземпляра класса:

myinstance = MyClass(4)

Уничтожение экземпляра класса в явном виде не требуется, так как в Python присутствует автоматический «сборщик мусора». Однако в явном виде удалить ссылку на объект (экземпляр класса или сам класс) можно так:

del myinstance

Классы в языке JavaScript

Определение класса на языке JavaScript с помощью оператора class:

class MyClass {
    constructor(arg1, arg2, ...) {
        //конструктор (необязателен)
        this.arg1 = arg1;
        this.arg2 = arg2;
    }

    method1() {
        // Обычный метод
    }

    static method {
        // Статический метод
    }
}