Концепции объектно-ориентированного программирования JAVA

JAVA основывается на концепциях объектно-ориентированного программирования, что позволяет перейти на более высокий уровень абстракции, чтобы разрешить любую проблему реалистичным путем. Объектно-ориентированный подход концептуализирует решение проблемы в плоскости объектов реального мира, которые легче повторно использовать в приложении. Например, Chair (стул), Fan (вентилятор), Dog (Собака), Computer (компьютер) и так далее. В JAVA класс представляет собой макет, шаблон или прототип, который определяет общее поведение объекта данного типа. Экземпляр — это отдельная реализация класса, и все экзепляры класса имеют одинаковые свойства, которые описаны в определении класса. Например, вы можете опрделить класс с именем House (дом) с количеством комнат в качестве атрибута и создать экземпляры класса, такие как дом с двумя комнатами, дом с тремя комнатами и так далее.Преимущества: Ниже перечислены некоторые плюсы объектно-ориентированной разработки программного обеспечения (ПО).

• Снижение затрат на поддержку ПО, в основном за счет того, что она осуществляется модульно.
• Усовершенствованное повторное использование кода благодаря таким качествам, как наследование, и, как результат, более быстрая разработка ПО.
• Повышенные надежность и гибкость кода.
• Легкость понимания вследствие моделирования реального мира.
• Лучшая абстракция на уровне объекта.
• Уменьшение сложности перехода от одной фазы разработки к другой.

Есть четыре основные характеристики ООП:

• Инкапсуляция
• Наследование
• Полиморфизм
• Абстракция

Инкапсуляция

Инкапсуляция выступает договором для объекта, что он должен скрыть, а что открыть для доступа другими объектами. В JAVA мы используем модификатор доступа private для того, чтобы скрыть метод и ограничить доступ к переменной из внешнего мира. JAVA также располагает различными модификаторами доступа: public, по умолчанию, protected, private, которые используются для ограничения видимости на разных уровнях. Но конечной целью является инкапсуляция тех вещей, которые не должны быть изменены. Лучше всего работает подход, при котором, у класса должна быть только одна причина для изменения, и инкапсулирование воплощает в реальность проектирование этой “одной причины”. Правильным в инкапсуляции считается сокрытие часто изменяющихся вещей во избежание повреждения других классов. Преимущества: Ниже представлены некоторые преимущества инкапсуляции:

• Мы можем защитить внутреннее состояние объекта с помощью сокрытия его атрибутов.
• Это улучшает модульное построение кода, так как предотвращает взаимодействие объектов неожиданными способами.
• Повышается практичность кода.
• Это поддерживает договорные отношения конкретного объекта.
• Инкапсуляция облегчает поддержку ПО.
• Изменения в коде могут производиться независимо друг от друга.

Полиморфизм

Полиморфизм в программировании — это способность предоставлять один и тот же интерфейс для различных базовых форм (типов данных). Это означает, что классы, имеющие различную функциональность, совместно используют один и тот же интерфейс и могут быть динамически вызваны передачей параметров по ссылке. Классический пример — это класс Shape (фигура) и все классы, наследуемые от него: square (квадрат), circle (круг), dodecahedron (додекаэдр), irregular polygon (неправильный многоугольник), splat (клякса) и так далее. В этом примере каждый класс будет иметь свой собственный метод Draw() и клиентский код может просто делать:

Shape shape = new Shape();

Shape.area() чтобы получить корректное поведение любой фигуры Красота полиморфизма заключается в том, что код, работая с различными классами, не должен знать, какой класс он использует, так как все они работают по одному принципу. Процесс, применяемый объектно-ориентированными языками программирования для реализации динамического полиморфизма, называется динамическим связыванием. Примечание: Полиморфизм — это способность выбирать более конкретные методы для исполнения в зависимости от объекта. Полиморфизм осуществляется тогда, когда не задействованы абстракные классы. Преимущества:

• Создание повторно используемого кода. То есть, как только класс создан, реализован и протестирован, он может свободно использоваться без заботы о том, что конкретно в нем написано.
• Это обеспечивает более универсальный и слабосвязанный код.
• Понижается время компиляции, что ускоряет разработку.
• Динамическое связывание.
• Один и тот же интерфейс может быть использован для создания методов с разными реализациями.
• Вся реализация может быть заменена с помощью использования одинаковых сигнатур метода.

Переопределение методов как часть полиморфизма. Переопределение взаимодействует с двумя методами: методом родительского класса и методом производного класса. Эти методы имеют одинкавые имя и сигнатуры. Переопределение позволяет вам производить одну и ту же оперецию различными путями для разных типов объектов. Например:

while(it.hasNext()) {
Shape s = (Shape) it.next();
totalArea += s.area(dim); //будет применен полиморфизм и вызван нужный метод для каждого объекта. 
}

Перезагрузка методов или ad-hoc полиморфизм или статический полиморфизм Перезагрузка взаимодействует с несколькими методами одного класса, которые одинаково названы, но имеют разные сигнатуры методов. Перезагрузка позволяет вам описать одну и ту же операцию различными путями для разных данных. Иногда ее называют статическим полиморфизмом, но фактически полиморфизмом она не является. Это ничто иное, как просто наличие двух методов с одинаковыми именами, но разным списком аргументов. Перезагрузка не имеет ничего общего с наследованием и полиморфизмом. И перезагруженный метод совсем не то же самое, что переопределенный метод. Параметрический полиморфизм через обобщение в JAVA При объявлении класса поле имени может ассоциироваться с различными типами, а имя метода может ассоциироваться с различными параметрами и возвращаемыми типами. JAVA поддерживает параметрический полиморфизм, применяя обобщение (дженерики).

List<String> list = new ArrayList<String>();

Почему мы не можем переопределить статический метод в JAVA? Переопределение зависит от наличия экземпляра класса. Идея полиморфизма состоит в том, что вы можете создать подкласс, и объекты, реализуемые теми подклассами, будут вести себя по-другому с теми же методами родителького класса (переопределенными в подклассах). Статический метод не ассоциируется ни к каким экземпляром класса, таким образом, сама концепция переопределения не может быть применена. Создателями JAVA руководили два соображения, которые повлияли на такой подход. Во-первых, это проблемы исполнения кода: лилось очень много критики в адрес Smalltalk из-за медленной работы (сборщик мусора и полиморфизм были частью этой проблемы), и в проектировании JAVA старались этого избежать. Вторым соображением было решение, что целевой аудиторией JAVA станут С++ разработчики. То, что статические методы работают именно таким образом, было очень знакомо C++ программистам, а так же ускоряло работу, так как не было необходимости проходить вверх по иерархии классов, чтобы выяснить, какой метод вызывать. Вы идете прямо к классу и вызываете конкретный метод.

Наследование

Наследование — это включение поведения (т.е. методов) и состояния (т.е. переменных) базового класса в производный класс, таким образом они становятся доступны в этом производном классе. Главное преимущество наследования в том, что оно обеспечивает формальный механизм повторного использования кода и избегает дублирования. Унаследованный класс расширяет функциональность приложения благодаря копированию поведения родительского класса и добавлению новых функций. Это делает код сильно связанным. Если вы захотите изменить суперкласс, вам придется знать все детали подклассов, чтобы не разрушить код. Наследование — это форма повторного использования программного обеспечения, когда из уже существующего класса (суперкласса) создается новый класс (подкласс), который расширяет свою функциональность и при этом использует некоторые свойства суперкласса. Так что, если у вас есть класс-родитель, а потом появляется класс-наследник, то наследник наследует все вещи, которыми обладает родитель. Преимущества:

• Усовершенствованное повторное использование кода.
• Устанавливается логическое отношение «is a» (является кем-то, чем-то). Например: Dog is an animal. (Собака является животным).
• Модуляризация кода.
• Исключаются повторения.

Недостаток:

• Сильная связанность: подкласс зависит от реализации родительского класса, что делает код сильно связанным.

Абстракция

Абстракция означает разработку классов исходя из их интерфейсов и функциональности, не принимая во внимание реализацию деталей. Абстрактный класс представляет собой интерфейсы без включения фактической реализации. Он отличает реализацию объекта от его поведения. Абстракция упрощает код, скрывая несущественные детали. Преимущества:

• Применяя абстракцию, мы можем отделить то, что может быть сгруппировано по какому-либо типу.
• Часто изменяемые свойства и методы могут быть сгруппированы в отдельный тип, таким образом основной тип не будет подвергаться изменениям. Это усиливает принцип ООП: «Код должен быть открытым для Расширения, но закрытым для Изменений».
• Абстракция упрощает представление доменных моделей.

Отличие между абстракцией и инкапсуляцией Инкапсуляция — это стратегия, используемая как часть абстракции. Инкапсуляция относится к структуре объекта: объекты инкапсулируют свои свойства и скрывают их от доступа извне. Пользователи класса взаимодействуют с ним с помощью его методов, но не имеют доступа напрямую к структуре класса. Таким образом класс абстрагирует детали реализации, относящиеся к его строению. Абстракция является более общим термином. Она также может достигаться среди прочего с помощью подклассов. Например, класс List (список) в стандартной библиотеке является абстракцией для последовательности элементов, проиндексированных согласно их места в списке. Конкретными примерами списка List являются ArrayList или LinkedList. Код, который взаимодействует со списком List абстрагируется от деталей, какой именно список он использует. Часто абстракция невозможна без сокрытия основного состояния с помощью инкапсуляции. Если класс раскрывает свою внутреннюю структуру, он не может изменить свои внутренние операции, а, следовательно, не может абстрагироваться. Что такое абстрактный класс и абстрактный метод? Случается, что во время разработки вы хотите, чтобы базовый класс представлял только интерфейс для его производных классов. То есть вы не хотите, чтобы кто-либо создавал экземпляры базового класса. Вам необходимо использовать интерфейс таким образом, чтобы только приводить объекты к нему (это неявное приведение, которое обеспечивает полиморфное поведение). Это достигается путем создания данного класса абстрактным с помощью ключевого слова abstract. Это накладывает некоторые ограничения, такие как невозможность создавать экземпляры абстрактного класса, при использовании абстрактного класса необходимо реализовывать абстрактные методы. Этим обеспечивается полиморфизм. Абстрактный класс может содержать и абстрактные и конкретные методы. Если хоть один метод в классе объявлен абстрактным, весь класс должен так же быть объявлен абстрактным. Тем не менее, в обратную сторону правило не обязано соблюдаться. Если класс объявлен абстрактным, он может и не содержать абстрактные методы. Метод, который всего лишь определяет свои сигнатуры и не обеспечивает реализацию, называется абстрактным. Фактическая его реализация оставлена его подклассам, которые расширяют абстрактный класс. Абстрактный метод не может быть использован объектом, только другой класс может его расширить. Когда необходимо использовать абстрактный класс? Абстрактные классы позволяют вам определить некоторое поведение по умолчанию и заставить подклассы обеспечить любое конкретное поведение. Например: List (список) является интерфейсом, в свою очередь AbstractList определяет основное поведение Списка, которое может быть использовано как есть или уточнено в подклассе, например, в ArrayList (списочный массив). Что такое интерфейс? В концепции интерфейса лежит абстрактный класс, но интерфейс (определяется ключевым словом interface) шагнул дальше. Он предотвращает вообще любую реализацию метода или функции. Вы можете только объявлять метод или функцию, но не обеспечивать их реализацию. Класс, который реализует данный интерфейс, должен как раз и позаботиться о фактической реализации. Интерфейсы очень полезны и повсеместно используются в ООП. Так как они разделяют сам интерфей и реализацию, они предоставляют много преимуществ своего использования:

1. Множественное наследование.
2. Слабая связанность. Происходит абстракция операции, такая как разделение на уровни, а конкретной реализацией может быть что угодно: JDBC, JPA, JTA и т.д.
3. Программа-интерфейс не реализуется.
4. Полиморфизм с динамическим связыванием: раскрывается програмный интерфейс объекта без раскрытия его фактической реализации.
5. Абстрактные уровни, разделение функциональностей.

Разница между интерфейсом и абстрактным классом.

• Интерфейс — это договорные отношения с классами, которые этот интерфейс реализуют, о том, что реализация происходит путём, обозначенным интерфейсом. Это пустая оболочка с объявленными методами.
• Абстрактный класс определяет некоторое общее поведение и просит свои подклассы определить нетипичное или конкретное поведение для своего класса.
• Методы и члены абстрактного класса могут быть обозначены любым модификатором доступа, в свою очередь все методы интерфейса обязаны быть открытыми (public).
• Когда происходит наследование абстрактного класса, класс-наследник должен определить абстрактные методы, в то время как интерфейс может наследовать другой интерфейс и при этом не обязательно определять его методы.
• Класс-наследник может расширять только один абстрактный класс, а интерфейс может расширять или класс может реализовывать множество других интерфейсов.
• Класс-наследник может определять абстрактные методы с тем же или менее ограниченным модификатором доступа, при этом класс, реализующий интерфейс, должен определять методы с тем же уровнем видимости.
• Интерфейс не содержит конструкторы, в том время, как они есть в абстрактном классе.
• Переменные, объявленные в Java-интерфейсе по умолчанию являются final. Абстрактный класс может содержать переменные, которые не являются final.
• Все участники Java-интерфейса по умолчанию являются public. Участники абстрактного класса могут позволить себе быть public, protected и др.

Композиция

Повторное использование кода может быть достигнуто с помощью как наследования, так и композиции. Но при этом задействование композиции обеспечивает более высокий уровень инкапсуляции, чем наследование, так как изменения в back-end классе не обязательно затронут код, который относится к front-end классу. Композиция — это техника проектирования, применяющая в классах отношения типа “has-a” (имеет, включает в себя). Для повторного использования кода могут применяться как наследование в java, так и композиция объекта. Суть композиции заключается в выражении отношения "has a" между объектами. Подумайте о стуле. У стула есть (has a) сидение. У стула есть (has a) спинка. У стула есть (has a) определенное количество ножек. Фраза ”has a” / “есть” предполагает отношения, в которых стул имеет или, как минимум, использует другой объект. Это как раз и есть отношения “has-a”, являющиеся основой композиции. Преимущества:

• Контроль видимости
• Реализация может быть заменена во время выполнения (run-time)
• Слабая связанность, так как класс-интерфейс не зависит от реализации.

Различия между композицией и наследованием Примечание: Не используйте наследование только для того, чтобы обеспечить повторное использование кода. Если нет отношенией “is a“ (является), для этих целей используется композиция. Разница между композицией и агрегацией в отношениях объектов. Агрегация — это взаимосвязь, при которой один класс вписывается в коллекцию. Это часть целого отношения, где часть может существовать без целого. Такие отношения гораздо слабее. Нет циклической зависимости. Например: заказ и продукт. Композиция — это взаимосвязь, при которой один класс вписывается в коллекцию. Это часть целого отношения, при которой часть не может существовать без целого. Если целое уничтожается, все его составляющие тоже будут уничтожены. Это более сильные отношения. Например: многоугольник и его вершины, заказ и его компонент.