NEWOBJ.ru → Введение в ООП с примерами на C# →

2.3. Поля и методы: состояние и поведение

§ 15. Состояние и поведение. В настоящем разделе мы подробнее разберем особенности использования методов и полей классов. Начнем с определения [Буч 3]:

Мы оговариваем, что перечень полей обычно статический, то есть зафиксированный в определении класса, так как в некоторых языках перечень полей может быть изменен после создания объекта.

Мы оговариваем, что перечень текущих значений полей обычно динамический, то есть может меняться после создания объекта, так как во всех языках есть механизмы, позволяющие ограничить изменение полей после создания объекта. Мы обсудим некоторые из таких возможностей в следующем параграфе.

В настоящей книге мы используем термин поле (field), так как оно используется в C#. При этом в других языках программирования для обозначения полей класса могут применяться и другие термины: переменная-член (member variable, member), свойство (property). Отметим, что термин свойство, в свою очередь, имеет в C# специфическое значение и будет рассмотрен ниже в настоящей главе.

Приведем определение поведения объекта аналогичное определению состояния объекта [3].

Мы оговариваем, что перечень методов, обычно статический, так как в некоторых языках программирования существуют механизмы, позволяющие изменять перечень методов класса или отдельного объекта при выполнении программы.

Мы оговариваем, что результаты вызова методов зависят от текущего состояния или, по-другому, определяются историей объекта (то есть историей изменения его состояния), так как один и тот же метод в общем случае может возвращать разные результаты в зависимости от состояния.

В предыдущих главах мы уже показывали, что методы имеют доступ ко всем полям объекта независимо от уровня видимости. При этом доступ выполняется через неявно передаваемую в метод переменную this, указывающую на объект, для которого был вызван метод. Если локальная переменная метода имеет такое же имя, как и некоторое поле класса, то эта локальная переменная скрывает (hide) поле класса. Мы уже рассматривали эту возможность ране в § 7.

Сокрытие переменных можно назвать разновидностью более общего понятия – перегрузки – использования в одной и той же области видимости одного и того же имени для обозначения разных элементов языка. Если «элемент языка» – метод, то мы имеем дело с перегрузкой методов.

Компилятор, используя различие в параметрах, определяет на этапе компиляции, какой именно метод необходимо вызывать.

Мы используем термин метод, так как он используется в C#, но в других языках и, в целом, в объектно-ориентированном программировании как синонимы также используются термины функция (function) и функция-член (member function). Исторически термин функция возник в процедурном программировании и обозначал функцию, не связанную ни с каким классом. В объектно-ориентированных языках чтобы различать функции, не связанные ни с каким классом, и функции класса, последние стали называть другими терминами, например, функциями-членами в C++ и методами в C# и Java, оставив термин функция для функций, объявленных вне классов. При этом во многих объектно-ориентированных языках вовсе нет возможности объявить функцию вне какого-либо класса.

В заключение напомним, что при проектировании класса, как правило, следует избегать открытых полей – для изменения состояния объекта следует использовать методы²⁴.

§ 16. Неизменяемость. Изменение программистом значений переменных (состояния объектов) в ходе выполнения программы выглядит вполне естественной практикой. Однако существует множество ситуаций, когда желательно так или иначе ограничивать эту возможность.

Во-первых, некоторые объекты представляют семантически неизменяемые данные, константы. Например, мы не хотели бы иметь возможность изменять переменные, в которых хранится число π, или число e, или коэффициенты перевода единиц измерения, или другие подобные значения. Семантически константами могут быть и более сложные объекты, например, точка-центр координат, объект-прямоугольник с размерами страниц стандартного формата. параметры работы приложения, не допускающие изменения после запуска. Очень часто локальные переменные не должны изменяться после инициализации согласно логике метода. Конечно, можно сказать, что раз эти объекты не должны меняться, то и не следует их менять. Например, в Python это единственная рекомендация для разработчика²⁵. Однако во многих других современных языках программирования принята практика ограничений изменения семантически неизменяемых объектов на уровне языка.

Во-вторых, часто желательно ограничить возможность изменения состояния объекта только некоторыми фрагментами кода. В следующем примере будет ли изменено состояние объекта reportData внутри метода Create?

Report report = reportFactory.Create (reportData);

Метод Create создает объект-отчет report, используя данные из объекта reportData. Разумно предположить, что метод Create использует данные reportData, но не изменяет их. Однако это не точно: код метода Create вполне может случайно или намеренно (в этом случае речь идет о неудачной архитектуре) изменить какие-то поля объекта reportData.

Приведем еще пример:

ReportDataProvider reportDataProvider = new ReportDataProvider (db);
ReportData reportData = reportDataProvider.Select();

Здесь класс ReporDataProvider выполняет загрузку данных из базы данных с использованием переданного в конструкторе объекта-подключения db. Как и в предыдущем примере, разумно предположить, что объект reportDataProvider использует объект-подключение db, но не изменяет его. Однако (как и в предыдущем примере), это не точно. Особенно важна задача локализации фрагментов кода, изменяющих состояние объекта, в многопоточных приложениях. Так, если мы используем объект db для нескольких объектов-провайдеров, каждый из которых будет менять свойства подключения, то при параллельном запуске этих провайдеров отследить кто и что изменил значительно сложнее, чем при последовательном.

Дополнительным аргументов в пользу неизменяемости состояния объектов является потенциальное повышение производительности. Компилятор, зная, что значение тех или иных переменных не будет никогда меняться, может сгенерировать более оптимальный код.

Способы ограничивать изменение состояния объектов сильно отличаются в различных языках программирования. Рассмотрим коротко основные возможности C#: механизм констант (const) и механизм readonly-полей классов.

Локальные переменные методов и поля классов значимых типов могут быть помечены как константы ключевым словом const. Такие объекты невозможно изменить во время выполнения приложения. Рассмотрите следующий пример:

public double Area (double r) 
{
const double Pi = 3.14;
// Будет скомпилировано как 3.14 * r * r
return Pi * r * r;
}

Значения констант должны быть определены на момент компиляции приложения, поэтому мы не можем их использовать со ссылочными переменными – экземплярами классов²⁶:

// Ошибка компиляции:
// экземпляр класса Point создается на этапе выполнения приложения
// в динамической памяти,
// переменная ссылочного типа не может быть константой.
const Point p = new Point();

Для ограничения изменения переменных ссылочного типа в C# используется механизм readonly-полей. Поля классов могут быть помечены как доступные только на чтение ключевым словом readonly (англ. «только чтение»). Это значит, что мы сможем присваивать значения этим полям только в конструкторе класса или непосредственно при инициализации поля. Рассмотрим следующий пример неизменяемого (immutable) класса:

class Point
{
  private readonly float x;
  private readonly float y;
   public Point (float x, float y)
  {
    this.x = x;
    this.y = y;
   }
}
class Circle
{
  private readonly Point center;
  private readonly float radius;
  public Circle (Point center, float radius)
  {
    this.center = center;
    this.radius = radius;
}
}

Этот пример демонстрирует несколько важных особенностей.

Во-первых, в C# неизменяемость (immutability) – это свойство класса, а не объекта: или мы объявляем класс как неизменяемый и все его экземпляры будут неизменяемыми. Или мы объявляем класс как изменяемый и все его экземпляры будут также изменяемыми. У нас нет возможности сделать неизменяемым только некоторые экземпляры этого класса. Для сравнения, отметим, что в C++ такая возможность есть: мы можем отметить ключевым слово const переменную или даже параметр метода и это будет значить, что указанную переменная или параметр метода невозможно изменить, но другие, не отмеченные этим словом экземпляры будут изменяемыми, а объект-параметр будет изменяемым вне соответствующего метода.

Другая особенность, демонстрируемая примером с кругом – класс может быть не полностью неизменяемым. То есть часть полей может быть изменяемая, часть – нет. Полностью неизменяемый объект мы можем сделать только если все вложенные объекты (поля класса) также реализованы как неизменяемые. Так, в классе Circle недостаточно написать readonly Point, нужно чтобы и сам Point был неизменяемым, так как readonly для ссылочного типа обозначает лишь невозможность изменить его значение (ссылку), но не состояние объекта, на который он ссылается.

И последний момент, который мы разберем – особенность копирования неизменяемых объектов. В конструкторе для копирования объекта-центра мы используем копирование ссылки, так как уверены, что переданный объект уже не будет никогда изменен и вполне достаточно иметь всего один экземпляр объекта, на который будут ссылаться множество логически не связанных между собой переменных.

В заключение отметим, что, применяя имеющиеся возможности языка, как правило, лучше избыточно ограничить изменение переменных и позже снять это ограничение, чем случайно изменить переменную, которая с точки зрения других фрагментов кода, должна быть неизменяемой.

Несмотря на широкое использование в ежедневной практике, для объектно-ориентированного программирования неизменяемость – это всегда ограничение, так как исходно переменные в ООП изменяемые (mutable). Более того, в теории языков программирования введение неизменяемости для всех объектов – это определение функциональной парадигмы программирования [Мартин 11].

§ 17. Сохраняемость. Иногда требуется сохранить состояние объекта между запусками программы или при перемещении объекта между приложениями. Конечно, строго говоря, при восстановлении сохраненного состояния, мы в действительности создаем новый объект в памяти и присваиваем его полям значения, соответствующе тем, которые были у другого объекта. Однако удобно представлять этот процесс на более высоком уровне абстракции, как сохранение и восстановление.

Для сохранения объекта в файл, передачи по сети или другому процессу, как правило, требуется привести значения полей объекта в формат, который будет понятен получателю и преобразовать их в непрерывную последовательность байт. Этот процесс называется сериализацией (от англ. serial – последовательный).

На следующем рисунке предоставлен пример сериализации объекта в формат JSON.

Особая тема – сохранение объектов в реляционную базу данных. Чаще всего используется следующий подход: объект соответствует строке таблицы, а поля – столбцам этой таблицы. Значения значимых полей хранятся непосредственно в ячейках строки таблицы, а ссылочные поля реализуются с помощью внешних ключей, связывающих строку таблицы объекта со строкой или строками таблицы другого объекта, на который указывает ссылочное поле²⁷. На следующем рисунке приведен пример сохранения уже рассмотренного выше объекта Circle c в две таблицы реляционной базы данных:

Очевидно, процесс сохранения и восстановления состояния объекта из базы достаточно трудоемкий для программиста, поэтому крайне привлекательна идея сохранения и загрузки состояния объекта в реляционную базу данных простым вызовом некоторых встроенных методов Save и Load. Библиотеки, упрощающие сохранение и загрузку состояния объектов или реализующие так или иначе эти методы Save и Load, называют ORM-библиотеками:

Эти механизмы используются крайне широко и любое промышленное приложение использует ту или иную ORM, например, EntityFramework или Dapper.

Следует отметить, что полноценное «зеркалирование» базы данных в объекты памяти помимо трудоемкости, а точнее рутинности этого процесса, сопряжено с множеством концептуальных проблем, прежде всего, связанных с транзакциями. Чтобы преодолеть эти ограничения некоторые базы данных заявляются как объектные, а не реляционные, в том смысле, что при работе с ними мы не транслируем объектную модель программы в реляционную модель БД с помощью ORM, а напрямую сохраняем в БД в объектной модели. Хотя эти направления динамично развиваются, однако пока остаются нишевыми.

§ 18. Свойства в C#. В заключение главы, коротко рассмотрим специальную синтаксическую разновидность методов в C# – свойства. В C# мы можем объявить метод, возвращающий значение заданного типа или принимающий один параметр заданного типа, используя следующий специальный синтаксис, позволяющий пользователям класса обращаться к этим методам, как к полям:

class Circle
{
  private float radius;
  // Обычные методы
  public float GetRaduis ()
  {
    return raduis;
  }
  public void SetRaduis (float value)
  {
     radius = value;
  }
  // Свойство, эквивалентно двум предыдущим методам.
  public float Radius
  {
    get
    {
       return radius;
    }
    set
    {
       //value здесь – ключевое слово, обозначающее параметр метода типа float.
       radius = value;
    }
  }
}
// Использование обычных методов.
float r = circle.GetRaduis();
circle.SetRaduis (5);
// Использование свойств.
// Синтаксичеки обращение к свойствам выглядит как обращение к полю класса.
// public float Radius.
// Однако по факту выполняется вызов методов Radius.get и Radius.set.
float r = circle.Radius;
circe.Radius = 5;

Для свойства может объявлен только метод get, тогда мы создаем свойство доступное только на чтение, или, наоборот, только метод set, тогда мы создаем свойство, доступное только на запись (как правило, неудачное решение). Для методов get и set нет устоявшегося перевода на русский язык, по-английски их называют getter и setter.

Отметим еще раз, что свойства – специфическая возможность C# и представляет лишь синтаксическое упрощение для объявления и вызова определенных методов, а термин «свойство» вне языка C# часто используется для обозначения обычных полей класса.

Вопросы и задания

1. Дайте определение следующим терминам и сопоставьте русские термины с английскими: состояние объекта, поле, переменная-член, свойство, поведение объекта, метод, перегрузка метода, функция, функция-член, сокрытие локальных переменных неизменяемость, константа; state, field, member variable, property, behavior, method, overloading, member function, immutability.

2. Имеет ли открытый (public) метод класса доступ к закрытым (private) полям того же класса (1) того же объекта, для которого этот метод был вызван; (2) для другого объекта того же класса, который был передан как параметр этого метода?

3. В чем отличие между классом без состояния (stateless) и неизменяемым классом (immutable)?

4. Почему нельзя перегрузить методы с одинаковыми параметрами, но отличающимися типами возвращаемых значений?

5. Изучите различия классов string и StringBuilder.

6. Назовите преимущества и недостатки использования неизменяемых типов данных.

7. Можно ли в C# объявить локальную переменную или параметр метода с ключевым словом readonly?

8. Можно ли в конструкторе присваивать значения readonly-полю несколько раз?

9. Является ли массив неизменяемым типом данных в C#?

10. Повышают ли производительность приложений использование const и readonly в C#? Является ли производительность фактором, который необходимо учитывать, применяя механизмы языка программирования по ограничению изменения состояния объектов?

11. Объясните утверждение, что в C# неизменяемость – свойство классов, а не объектов.

12.* Познакомьтесь с подходом «event sourcing» (к сожалению, устоявшегося перевода этого термина нет), в рамках которого мы храним список транзакций, то есть событий об изменении состояния, но не храним само состояние.

13.* Приведите аргументы в пользу следующего тезиса: «Чем большей памятью мы располагаем и чем быстрее становятся наши компьютеры, тем меньше мы нуждаемся в изменяемых состояниях.» [11]