1. Phương pháp lập trình hướng đối tượng
Xuất phát từ hai hạn chế chính của phương pháp lập trình cấu trúc:
- Không quản lí được sự thay đổi dữ liệu khi có nhiều chương trình cùng thay đổi một biến chung. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng khi các ứng dụng ngày càng lớn, người ta không thể kiểm soát được sự truy nhập đến các biến dữ liệu chung.
- Không tiết kiệm được tài nguyên con người: Giải thuật gắn liền với cấu trúc dữ liệu, nếu thay đổi cấu trúc dữ liệu, sẽ phải thay đổi giải thuật, và do đó, phải viết lại mã chương trình từ đầu.
Để khắc phục được hai hạn chế này khi giải quyết các bài toán lớn, người ta xây dựng một phương pháp tiếp cận mới, là phương pháp lập trình hướng đối tượng, với hai mục đích chính:
• Đóng gói dữ liệu để hạn chế sự truy nhập tự do vào dữ liệu, không quản lí được.
• Cho phép sử dụng lại mã nguồn, hạn chế việc phải viết lại mã từ đầu cho các chương trình.
Việc đóng gói dữ liệu được thực hiện theo phương pháp trừu tượng hoá đối tượng thành lớp từ thấp lên cao như sau:
• Thu thập các thuộc tính của mỗi đối tượng, gắn các thuộc tính vào đối tượng tương ứng.
• Nhóm các đối tượng có các thuộc tính tương tự nhau thành nhóm, loại bỏ bớt các thuộc tính cá biệt, chỉ giữ lại các thuộc tính chung nhất. Đây được gọi là quá trình trừu tượng hoá đối tượng thành lớp.
• Đóng gói dữ liệu của các đối tượng vào lớp tương ứng. Mỗi thuộc tính của đối tượng trở thành một thuộc tính của lớp tương ứng.
• Việc truy nhập dữ liệu được thực hiện thông qua các phương thức được trang bị cho lớp. Không được truy nhập tự do trực tiếp đến dữ liệu.
• Khi có thay đổi trong dữ liệu của đối tượng, ta chỉ cần thay đổi các phương thức truy nhập thuộc tính của lớp, mà không cần phải thay đổi mã nguồn của các chương trình sử dụng lớp tương ứng.
Việc cho phép sử dụng lại mã nguồn được thực hiện thông qua cơ chế kế thừa trong lập trình hướng đối tượng. Theo đó:
• Các lớp có thể được kế thừa nhau để tận dụng các thuộc tính, các phương thức của nhau.
• Trong lớp dẫn xuất (lớp được kế thừa) có thể sử dụng lại các phương thức của lớp cơ sở (lớp bị lớp khác kế thừa) mà không cần thiết phải cài đặt lại mã nguồn.
• Ngay cả khi lớp dẫn xuất định nghĩa lại các phương thức cho mình, lớp cơ sở cũng không bị ảnh hưởng và không phải sửa lại bất kì một đoạn mã nguồn nào.
Ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng phổ biến hiện nay là Java và C++. Tuy nhiên, C++ mặc dù cũng có những đặc trưng cơ bản của lập trình hướng đối tượng nhưng vẫn không phải là ngôn ngữ lập trình thuần hướng đối tượng. Java thật sự là một ngôn ngữ lập trình thuần hướng đối tượng.
Đặc trưng
Lập trình hướng đối tượng có hai đặc trưng cơ bản:
• Đóng gói dữ liệu: dữ liệu luôn được tổ chức thành các thuộc tính của lớp đối tượng. Việc truy nhập đến dữ liệu phải thông qua các phương thức của đối tượng lớp.
• Sử dụng lại mã nguồn: việc sử dụng lại mã nguồn được thể hiện thông qua cơ chế kế thừa. Cơ chế này cho phép các lớp đối tượng có thể kế thừa từ các lớp đối tượng khác. Khiđó, trong các lớp kế thừa, có thể sử dụng các phương thức (mã nguồn) của các lớp bị kế thừa, mà không cần phải định nghĩa lại.
Ưu điểm
Lập trình hướng đối tượng có một số ưu điểm nổi bật:
• Không còn nguy cơ dữ liệu bị thay đổi tự do trong chương trình. Vì dữ liệu đã được đóng gói vào các đối tượng. Nếu muốn truy nhập vào dữ liệu phải thông qua các phương thức cho phép của đối tượng.
• Khi thay đổi cấu trúc dữ liệu của một đối tượng, không cần thay đổi các đổi mã nguồn của các đối tượng khác, mà chỉ cần thay đổi một số hàm thành phần của đối tượng bị thay đổi.
Điều này hạn chế sự ảnh hưởng xấu của việc thay đổi dữ liệu đến các đối tượng khác
trong chương trình.
• Có thể sử dụng lại mã nguồn, tiết kiệm tài nguyên. Vì nguyên tắc kế thừa cho phép các lớp kế thừa sử dụng các phương thức được kế thừa từ lớp khác như những phương thức của chính nó, mà không cần thiết phải định nghĩa lại.
• Phù hợp với các dự án phần mềm lớn, phức tạp.
2. Phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng:
Một vấn đề cơ bản đặt ra cho phương pháp hướng đối tượng là từ một bài toán ban đầu, làm sao để thu được một tập các đối tượng, với các chức năng được phối hợp với nhau, đáp ứng được yêu cầu của bài toán đặt ra?
Phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng ra đời nhằm trả lời cho câu hỏi này. Mục đích là xây dựng một tập các lớp đối tượng tương ứng với mỗi bài toán, phương pháp này tiến hành theo hai pha chính:
Pha phân tích: Chuyển đổi yêu cầu bài toán từ ngôn ngữ tự nhiên sang ngôn ngữ mô hình.
Pha thiết kế: Chuyển đổi đặc tả bài toán dưới dạng ngôn ngữ mô hình sang một mô hình cụ thể có thể cài đặt được.
Hai pha phân tích và thiết kế này bao gồm nhiều bước khác nhau(gồm 6 bước):
• Mô tả bài toán
• Đặc tả yêu cầu
• Trích chọn đối tượng
• Mô hình hoá lớp đối tượng
• Thiết kế tổng quan
• Thiết kế chi tiết.
Bước 1: Mô tả bài toán
Bài toán ban đầu được phát biểu dưới dạng ngôn ngữ tự nhiên, bao gồm:
• Mục đích, chức năng chung
• Các yêu cầu về thông tin dữ liệu
• Các yêu cầu về chức năng thực hiện
Bước 2: Đặc tả yêu cầu
Các yêu cầu được hình thức hoá lên một mức cao hơn bằng cách sử dụng ngôn ngữ kiểu kịch bản(scenario) để mô tả. Trong một kịch bản, mỗi chức năng, mỗi hoạt động được mô tả bằng một kịch bản, bao gồm:
• Các tác nhân tham gia vào kịch bản.
• Vai trò của mỗi tác nhân trong kịch bản.
• Thứ tự các hành động mà mỗi tác nhân thực hiện: khi nào thực hiện, tác động vào tác nhân nào, thông tin nào được trao đổi.
Quá trình trên được tiến hành với tất cả các chức năng yêu cầu của hệ thống.
Bước 3: Trích chọn đối tượng
Bước này sẽ tiến hành đề xuất các đối tượng có thể có mặt trong hệ thống:
• Dựa vào các kịch bản được mô tả trong bước hai, chọn ra các tác nhân có xuất hiện để đề xuất thành các đối tượng.
• Lựa chọn các đối tượng bằng cách loại bỏ các tác nhân bên ngoài hệ thống, các tác nhân trùng lặp.
• Cuối cùng, ta thu được tập các đối tượng của hệ thống.
Bước 4: Mô hình hoá lớp đối tượng
Bước này tiến hành trừu tượng hoá đối tượng thành các lớp:
• Thu thập tất cả các thuộc tính của mỗi đối tương vừa thu thập được, dựa vào yêu cầu về thông tin trong yêu cầu hệ thống (từ bước 1).
• Thu thập các hành động mà mỗi đối tượng cần thực hiện, dựa vào các kịch bản mà đối tượng tương ứng có tham gia (trong bước 2).
• Nhóm các đối tượng tương tự nhau, hoặc có nhiều thuộc tính gần giống nhau.
• Loại bỏ một số thuộc tính cá biệt, riêng tư của một số đối tượng trong nhóm.
• Mô hình mỗi nhóm đối tượng còn lại thành lớp: Các thuộc tính chung của các đối tượng thành thuộc tính của lớp, các hành động của các đối tượng thành phương thức của lớp.
Kết quả thu được một tập các lớp đối tượng ban đầu của hệ thống.
Bước 5: Thiết kế tổng quát
Bước này sẽ tiến hành thiết kế vĩ mô, nghĩa là thiết kế mối quan hệ giữa các lớp trong hệ thống:
• Xác định sơ đồ thừa kế, nếu có, giữa các lớp: Nếu hai lớp có một số thuộc tính chung, thì tách các thuộc tính chung làm thành một lớp cơ sở, và hai lớp ban đầu đều dẫn xuất từ lớp cơ sở đó. Thông thường, lớp các trừu tượng (chung nhất) sẽ làm lớp cơ sở, lớp càng cụ thể, càng chi tiết thì làm lớp dẫn xuất (lớp con, cháu).
• Xác định tương tác, nếu có, giữa các lớp: Dựa vào các kịch bản được mô tả trong bước 2, hai tác nhân có tương tác với nhau thì hai lớp tương ứng ở bước này cũng có tương tác với nhau.
Kết quả thu được của bước này là một sơ đồ quan hệ bên ngoài giữa các lớp trong hệ thống.
Bước 6: Thiết kế chi tiết
Bước này sẽ thực hiện thiết kế ở mức vi mô, nghĩa là thiết kế kiến trúc bên trong của mỗi lớp đối tượng:
• Tổ chức dữ liệu của lớp theo các thuộc tính. Qui định phạm vi truy nhập cho từng thuộc tính.
• Thiết kế chi tiết cách cư xử của lớp đối tượng thông qua các phương thức của lớp: Xác định kiểu dữ liệu trả về, kiểu tham số của phương thức, mô tả thuật toán chi tiết cho từng phương thức, nếu cần.
Kết quả thu được của bước này là một tập các lớp với thiết kế chi tiết kiến trúc bên trong.
Sau các bước phân tích thiết kế hướng đối tượng từ một yêu cầu của bài toán ban đầu, ta thu được một mô hình hệ thống hướng đối tượng chi tiết:
• Có cái nhìn tổng quan, vĩ mô về hệ thống bằng mô hình thiết kế tổng quan, chỉ rõ số lượng các lớp đối tượng, mối quan hệ kế thừa và quan hệ tương tác giữa các lớp đối tượng trong hệ thống.
• Có cái nhìn chi tiết, vi mô về hệ thống bằng mô hình thiết kế chi tiết. Mô hình này chỉ rõ bên trong mỗi lớp đối tương: các thuộc tính, các phương thức với kiểu trả về và kiểu tham số, thuật toán chi tiết cho mỗi phương thức.
Sau pha phân tích và thiết kế hướng đối tượng, ta thu được đặc tả hệ thống dưới dạng mô hình các lớp: quan hệ giữa các lớp và kiến trúc bên trong của mỗi lớp. Đây sẽ là đầu vào cho pha tiếp theo, pha lập trình hướng đối tượng, như chúng ta đã biết.