Чем больше система, тем большее число уровней абстракции необходимо для ее описания и тем труднее определять и поддерживать эти уровни абстракции. Отметим, что таким уровням абстракции есть прямое соответствие в природе и в различных построениях человеческого интеллекта. Например, можно рассматривать дом как объект, состоящий из атомов; молекул; досок и кирпичей; стен, пола и потолков; комнат.
Пока удается хранить раздельно представления этих уровней абстракции, можно поддерживать целостное представление о доме. Однако если смешать их, возникнет бессмыслица.
Взаимоотношения, о которых мы говорим, естественно устанавливаются в области приложения или (в случае повторных проходов по шагам проектирования) возникают из последующей работы над структурой классов. Они отражают наше понимание основ области приложения и часто являются классификацией основных понятий. Пример такого отношения — машина с выдвижной лестницей есть грузовик, есть пожарная машина, есть движущееся средство.
В действительности нельзя разделить процессы определения классов и выяснения того, какие операции для них нужны. Однако на практике они различаются, поскольку при определении классов внимание концентрируется на основных понятиях, не останавливаясь на программистских вопросах их реализации, тогда как при определении операций прежде всего сосредоточиваются на том, чтобы задать полный и удобный набор операций. Часто бывает слишком трудно совместить оба подхода, в особенности, учитывая, что связанные классы надо проектировать одновременно.
Возможно несколько подходов к процессу определения набора операций. Предлагаем следующую стратегию:
— рассмотрите, каким образом объект класса будет создаваться, копироваться (если нужно) и уничтожаться;
— определите минимальный набор операций, необходимый для понятия, представленного классом;
— рассмотрите операции, которые могут быть добавлены для удобства записи, и включите только несколько действительно важных;
— рассмотрите, какие операции можно считать тривиальными, т. е. такими, для которых класс выступает в роли интерфейса для реализации производного класса;
— рассмотрите, какой общности именования и функциональности можно достигнуть для всех классов компонента.
Очевидно, что это стратегия минимализма. Гораздо проще добавить любую функцию, приносящую ощутимую пользу, и сделать все операции виртуальными. Но чем больше функций, тем больше вероятность, что они не будут использоваться, наложат определенные ограничения на реализацию и затруднят эволюцию системы. Гораздо легче включить в интерфейс еще одну функцию, как только установлена потребность в ней, чем удалить ее оттуда, когда уже она стала привычной.
Причина, по которой мы требуем явного принятия решения о виртуальности данной функции, не оставляя его на стадию реализации, в том, что, объявив функцию виртуальной, существенно повлияем на использование ее класса и на взаимоотношения этого класса с другими.
При определении набора операций (методов) больше внимания следует уделять тому, что надо сделать, а не тому, как это сделать.
Иногда полезно классифицировать операции класса по тому, как они работают с внутренним состоянием объектов:
1) базовые операции: конструкторы, деструкторы, операции копирования;
2) селекторы: операции, не изменяющие состояния объекта;
3) модификаторы: операции, изменяющие состояние объекта;
4) операции преобразований, т. е. операции, порождающие объект другого типа, исходя из значения (состояния) объекта, к которому они применяются;
5) повторители: операции, которые открывают доступ к объектам класса или используют последовательность объектов.
Кроме уже перечисленных групп методов, в классы могут быть введены дополнительные методы самотестирования и проверки корректности данных. Это не есть разбиение на ортогональные группы операций. Например, повторитель может быть спроектирован как селектор или модификатор.
Выделение этих групп просто предназначено помочь в процессе проектирования интерфейса класса. Конечно, допустима и другая классификация.
Виды взаимоотношений между классами могут быть следующими: отношения наследования; отношения включения; отношения использования; запрограммированные отношения.
Еще одно взаимоотношение — отношение включения {агрегирования) — класс содержит в виде члена объект или указатель на объект другого класса. Позволяя объектам содержать указатели на другие объекты, можно создавать так называемые "иерархии объектов". Такие реализации альтернативно дополняют возможности использования иерархии классов.
Очень важным при проектировании является вопрос: какое отношение выбрать — агрегации (включения) или наследования. В принципе эти методы взаимозаменяемы, кроме случая, когда используется позднее связывание. Наиболее предпочтителен тот вариант, в котором наиболее точно моделируется окружающая действительность, т. е. если понятие X является частью понятия Y, то используется включение. Если понятие X более общее, чем Y, — то наследование.
Для составления и понимания проекта часто необходимо знать, какие классы и каким способом они используются, другими словами, отношения использования. Возможно следующим образом классифицировать те способы, с помощью которых класс X может использовать класс Y.
— X использует Y;
— X вызывает функцию-член (метод) Y;
— X читает член Y;
— X пишет в член Y;
— X создает Y;
— X размещает переменную из Y
Анализ подобных взаимосвязей позволяет выявить потребности в определенных методах классов или, наоборот, выявить их ненужность.
Запрограммированные отношения — те отношения проекта, которые не могут быть прямо представлены в виде конструкций языка. Допустим, в проекте оговорено, что каждая операция, не реализованная в классе А, должна обслуживаться объектом класса В. К запрограммированным отношениям относят также операции преобразования типов. Следует, по возможности, избегать применения этого вида отношений из-за усложнения реализации. Идеальный класс должен в минимальной степени зависеть от остального мира. Следовательно, следует стараться минимизировать зависимости.
Спрячем подробности реализации за фасадом интерфейса. Объект инкапсулирует поведение, если он умеет выполнять некоторые действия, но подробности, как это делается, остаются скрытыми за фасадом интерфейса. Эта идея была сформулирована специалистом по информатике Дэвидом Парнасом в виде правил, которые часто называются принципами Парнаса.
Правило 1. Разработчик программы должен предоставлять пользователю всю информацию, которая нужна для эффективного использования приложения, и ничего кроме этого.
Правило 2. Разработчик программного обеспечения должен знать только требуемое поведение объекта и ничего кроме этого.
Следствие принципа отделения интерфейса от реализации состоит в том, что программист может экспериментировать с различными алгоритмами, не затрагивая остальные классы объектов программы.
На этом шаге дается четкое описание классов, их данных и методов (опуская реализацию и, возможно, скрытые методы). Всем методам задаются точные типы параметров.
Идеальный интерфейс представляет пользователю полный и последовательный набор понятий; согласован со всеми частями компоненты; не открывает подробности реализации и может быть реализован различными способами; ограниченно и четко определенным образом зависит от других интерфейсов.