1
Introduzione alla programmazione ad oggetti
Gli strumenti di programmazione finora mostrati sono solo una
piccola parte della strumentazione necessaria alla progettazione e
realizzazione di software attinenti applicazioni reali.
Di norma una applicazione richiede migliaia o centinaia di migliaia
di linee di codice per cui è di fondamentale importanza avere
adeguati strumenti sia di programmazione che di verifica del
software.
2
I grandi progetti software richiedono un gruppo di lavoro e non un
singolo individuo e di conseguenza si hanno interazioni continue tra
diverse soggetti.
Di qui la necessità di conformare l’attività del gruppo a degli
standard:
•uniformità di stile di programmazione,
•progettazione comune di interfacce,
•documentazione standard,
•………………………….
3
Anche la qualità del software deve soddisfare ad alcune
proprietà:
•
Correttezza. Un software è corretto se e solo se soddisfa
le sue specifiche. Le specifiche descrivono il
comportamento del sistema nel suo complesso in tutti i
dettagli, così come stabilito dal contratto tra utente e
sviluppatori.
•
Robustezza. Un software è robusto se ha la capacità di
funzionare anche in condizioni anormali. Se le specifiche
descrivono in dettaglio tutti gli errori in cui si può incorrere
allora si ottiene un software più robusto.
4
•
User-friendly. Un software è di facile utilizzo se richiede
poco tempo sia nell’apprendimento del sistema nel suo
complesso, sia nel suo uso pratico.
•
Adattabilità. E’ la capacità del software di evolversi senza
traumi. Piccoli cambiamenti nel software (aggiungendo
nuove caratteristiche o modificando quelle esistenti) non
devono provocare continui errori nel sistema.
•
Riusabilità. Un software è riusabile quando i suoi
componenti possono essere riutilizzati in altri sistemi
software.
•
Interoperabilità. E’ la capacità del software di essere
facilmente combinato con altri sistemi software.
5
•
Efficienza. Un sistema software è efficiente se i vari costi da
sostenere sono sufficientemente bassi.
•
Portabilità. E’ la capacità di un software di essere
trasportato su un diverso hardware (di norma con costo
minore).
•
Sicurezza. Un sistema è sicuro se un utente non
autorizzato non può accedervi e, quindi, introdurre modifiche
o produrre danni.
6
E’ necessario, quindi, introdurre una metodologia per lo
sviluppo del software che abbia due caratteristiche
fondamentali:
•essere una descrizione astratta di come si costruiscono
grossi sistemi di software;
•provvedere a prescrizioni di come il software deve essere
costruito.
7
Nell’ambito dello sviluppo software si identifica il così detto
“ciclo di vita del software” che può essere suddiviso in una
serie di passi distinti secondo lo schema seguente:
•
Introduzione
dei
requisiti
e
delle
specifiche
(Requirements). In questa fase vengono determinate le
specifiche del software; esse coinvolgono gli utenti e gli
sviluppatori per determinare gli scopi e le funzionalità del
prodotto richiesto.
•
Analisi e razionalizzazione dei requisiti (Analysis).
Vengono analizzate le specifiche per evitare eventuali
ambiguità ed imprecisioni; è in questa fase che si
incomincia a costruire un modello astratto del sistema.
8
•
Progettazione (Design). Scrittura di un documento che
costituisca la base del software, sia rispetto alla sua
consistenza che alla sua manutenzione ed adattabilità.
•
Implementazione (Production). Scelta delle strutture dati
e degli algoritmi necessari e scrittura del codice relativo.
•
Testing. Controllo dei difetti sia nelle unità componenti che
nel software nel suo insieme.
•
Manutenzione (Maintenance). Evoluzione del sistema
software.
9
A parte la manutenzione, che deve necessariamente essere
effettuata dopo che il software è andato in uso, si hanno due
modelli per la progettazione del software:
Waterfall (a cascata) ed Evolutionary (a spirale o evolutivo).
Modello Waterfall: è un modello nel quale ogni passo di
progettazione può essere compiuto soltanto dopo il
completamento di quello precedente; l’integrazione tra le varie
fasi avviene soltanto alla fine dello sviluppo per cui il software è
utilizzabile solo alla fine del processo.
Modello Evolutionary: è un modello nel quale si identificano
brevi cicli di sviluppo completo con una forte integrazione tra i
passi; è spesso presente un prototipo del software che
implementa alcune funzionalità.
10
Nell’ottica del modello Evolutionary sono stati introdotti i così
detti linguaggi a oggetti.
Tra questi uno dei più utilizzati è proprio il C++.
Esso presenta la caratteristica di poter essere usato sia
secondo una metodologia orientata alla funzione, come in
realtà abbiamo fatto finora, sia secondo una metodologia più
propriamente orientata agli oggetti OOD (Object Oriented
Design).
11
Terminologia della programmazione a oggetti.
Introduciamo alcuni termini che si usano nella programmazione
a oggetti.
Esempi di oggetti sono le persone, gli animali, le piante, le
automobili, gli aerei, i palazzi, i calcolatori e quant'altro.
Gli uomini pensano in termini di oggetti.
Possiamo suddividere gli oggetti in due grandi categorie:
oggetti animati e inanimati. I primi si muovono e intraprendono
azioni, al contrario dei secondi.
Entrambi i tipi di oggetti hanno una caratteristica in comune:
gli attributi, come ad esempio la dimensione, la forma, il colore,
il peso, e così via.
12
Gli oggetti hanno tutti dei comportamenti: un pallone rotola,
rimbalza, si gonfia o si sgonfia; un bambino piange, dorme,
mangia, cammina; un'automobile accelera, frena, svolta; un
asciugamano assorbe l'acqua e così via.
Nella programmazione a oggetti si devono individuare i tipi di
attributi e i comportamenti che caratterizzano gli oggetti
software individuati.
13
Molti oggetti diversi possono essere caratterizzati da attributi e
comportamenti molto simili tra loro. Ad esempio un bambino e
un adulto hanno comportamenti simili per alcuni versi e diversi
per altri. Oppure se pensiamo alla classe dei felini avremo
animali come i gatti e le tigri che sono simili per alcuni aspetti
e molto diversi per altri.
L’idea sottointesa dalla progettazione ad oggetti è quella di
modellare gli oggetti software sulla base degli oggetti del
mondo reale con i loro attributi e modalità di funzionamento.
14
E’ stato quindi introdotto il concetto di classe che individua
tutte le proprietà che caratterizzano in genere una larga
varietà di oggetti, che si diranno appartenere a quella classe.
Ad esempio alla classe delle sedie appartengono tutti quegli
artefatti che consentono ad un uomo di sedere; hanno quindi
una certa altezza massima, hanno un piano di appoggio, sono
spostabili, e così via. Quindi alla classe sedia appartengono le
poltrone, le sedie a sdraio, gli sgabelli e così via.
15
Si introducono poi delle relazioni di ereditarietà, secondo le
quali è possibile definire nuove classi di oggetti derivate da
classi esistenti, ereditando le loro caratteristiche ed
estendendole con caratteristiche proprie.
Ad esempio, un oggetto della classe bovino ha le stesse
proprietà degli oggetti appartenenti alla classe mammifero in
aggiunte ad altre proprietà che la caratterizzano, quali ad
esempio quella di produrre latte.
16
Programmando ad oggetti abbiamo uno strumento più
naturale e intuitivo di pensare al processo della
programmazione, in quanto possiamo modellare, con la
precisione che ci interessa, gli oggetti del mondo reale, i loro
attributi e i loro comportamenti.
Con la programmazione ad oggetti è anche consentita una
comunicazione tra gli oggetti che avviene mediante messaggi,
che reciprocamente possono inviarsi.
Un oggetto prenotazione ferroviaria, potrebbe, ad esempio,
ricevere un messaggio che gli impone di ridurre il numero di
posti disponibili su un determinato treno, a seguito di un
messaggio inviato da un altro oggetto denominato biglietto e
relativo ad una prenotazione effettuata.
17
La progettazione ad oggetti incapsula i dati (gli attributi) e le
funzioni (i comportamenti) in pacchetti denominati oggetti;
tali dati e funzioni sono intimamente correlati tra di loro.
E’ possibile per un oggetto mascherare delle informazioni
(information hiding). Infatti, sebbene gli oggetti comunichino
tra loro attraverso interfacce ben definite, non sempre un
oggetto conosce la struttura interna degli oggetti con cui
comunica, in quanto i dettagli delle implementazione sono
nascosti all'interno di ciascun oggetto.
Ad esempio possiamo tranquillamente adoperare un
calcolatore anche se non conosciamo come esso funzioni.
18
Si hanno quindi i linguaggi come il C, il Pascal e così via detti
linguaggi procedurali, nei quali la programmazione tende a
essere orientata all'azione.
Al contrario la programmazione nei linguaggi come il C++ è
detta orientata agli oggetti.
19
Mentre in C l'unità di programmazione è la function, in C++
l’unità è la classe, dalla quale eventualmente si istanziano
(creano) gli oggetti.
La relazione fra classi e oggetti può essere esemplificata
come segue:
Il progetto di un’automobile sta all’automobile costruita, allo
stesso modo in cui le classi stanno agli oggetti.
Infatti, così come è possibile costruire molte automobili
partendo dallo stesso progetto allo stesso modo, possiamo
istanziare parecchi oggetti a partire da una sola classe.
20
I programmatori C si concentrano sulla scrittura di funzioni,
cioè di gruppi di azioni che effettuano un'operazione completa.
Un programma è costituito da un insieme di funzioni.
I dati sono importanti anche in C, naturalmente, ma il concetto
è che essi sono soltanto un supporto alle azioni da
intraprendere.
I verbi presenti nelle specifiche (descrizioni) di un sistema
guidano il programmatore C nel determinare l'insieme di
funzioni che devono lavorare insieme per implementarlo.
21
Le classi del C++ contengono funzioni che implementano le
operazioni e i dati che implementano gli attributi.
Una progettazione orientata agli oggetti OOD (Object Oriented
Design) focalizza l’attenzione sul dominio del problema più
che sui processi inerenti la sua soluzione.
In altre parole gli elementi di base sono ora gli oggetti e non
più le funzioni.
22
Che cosa è un oggetto?
Ad esempio, il tipo int rappresenta il concetto di numero
intero mentre le operazioni +, -, *, /, % rappresentano alcuni
dei suoi metodi, cioè sono gli strumenti che possiamo
utilizzare per operare con essi.
Quindi possiamo dire che il concetto di tipo parte da un’idea
astratta per poi assumere una rappresentazione concreta.
23
Altro esempio. Abbiamo introdotto le strutture con la parola
chiave struct, che ci hanno permesso di definire vari tipi,
come studente, anagrafe, data etc., che si servono a loro
volta sia di tipi elementari che di altre strutture.
Ora, così come accade per i tipi int e float, potremmo definire
delle operazioni anche per strutture tipo la struct studente.
In questo caso, per esempio, potremmo avere, come
operazioni, o metodi, la lettura e scrittura dei dati dello
studente, il calcolo della media dei voti e delle tasse pagate
fino ad un certo periodo, e così via.
24
Per ottenere questo risultato è necessario introdurre un nuovo
costrutto che inglobi in sè sia i dati che le operazioni.
A tal fine si introduce un nuovo tipo utilizzando la parola
chiave class.
La class è, quindi, un tipo definito dall’utente con annesse
tutte le operazioni e le proprietà che lo rendono adatto agli
scopi che l’utente stesso si prefigge.
25
Gli oggetti sono le variabili di tipo class: diremo anche che
un oggetto è un’istanza della classe.
Per conservare la modularità, è necessario che ogni oggetto
esegua il suo compito senza che l’utilizzatore conosca
esattamente come ciò avvenga.
Questo si verifica sicuramente con i tipi standard, int e float:
infatti noi eseguiamo su di loro tutte le operazioni del caso
senza necessariamente sapere come queste operazioni sono
implementate.
26
Con questo
information hiding, si rendono invisibili
dall’esterno tutti i meccanismi interni dell’oggetto.
Inoltre, l’oggetto contiene al suo interno tutte le proprietà e le
operazioni che consentono di gestirlo: questo meccanismo di
autosufficienza dell’oggetto è detto incapsulamento.
In definitiva un oggetto è qualcosa di autosufficiente
caratterizzato da
•uno stato: in cui sono definite tutte le proprietà
dell’oggetto
•un’interfaccia: in cui sono definite tutte le operazioni che
si possono eseguire sull’oggetto
27
Le proprietà e i metodi di un oggetto possono essere
pubblici (public) se sono sempre accessibili dall’esterno,
privati (private) se sono invisibili dall’esterno e quindi gestibili
unicamente dagli oggetti stessi,
protetti (protected) se sono pubblici per gli oggetti derivati e
privati per quelli astratti.
La tipologia protected è connessa all’ereditarietà ed al
polimorfismo, aspetti che non tratteremo in questo corso.
28
Un oggetto è
comportamenti.
un
insieme
indistinto
di
variabili
e
Un oggetto è la definizione di un nuovo tipo, che rappresenta
la sua classe (class).
Un oggetto-classe definisce una particolare variabile che lo
contiene insieme a tutti i comportamenti che può esibire.
Le variabili associate con una classe sono dette data-member
(istanze di variabili) e
i comportamenti sono detti function-member (o metodi).
I metodi sono i processi che possono essere attivati all’interno
della metodologia orientata agli oggetti; essi corrispondono
alle function della metodologia Top-down.
29
Nella progettazione orientata agli oggetti i dati devono
corrispondere agli elementi concettuali che meglio possono
essere utili per la soluzione del problema proposto.
Le classi, contenendo tipi primitivi, tipi di dati definiti dall’utente,
come le struct, e le operazioni relative, consentono al
compilatore di verificare eventuali inconsistenze tra specifiche,
implementazione ed uso grazie al concetto di astrazione in esse
contenuto.
30