Paradigmas de Desenvolvimento de Software. Gap semântico. Modelagem Conceitual. Modelagem Conceitual. Programação Orientada a Objetos
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- Vítor Schmidt Vasques
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1 Programação Orientada a Objetos Prefácio para a POO Paradigmas de Desenvolvimento de Software Maneiras diferentes de pensar em resolver os problemas através de sistemas computacionais: Exemplos: Estruturado (funções e módulos), Orientado a Objetos Abstração e encapsulamento Tipos de Dados Abstratos Histórico das Linguagens de POO Reinaldo Gomes reinaldo@cefet-al.br 2 Gap semântico Gap semântico Distância entre o problema no mundo real e o modelo abstrato construído; Quanto menor, mais rápida será a construção da solução; Portanto, diminuir o gap semântico tornou-se um dos objetivos da Engenharia de Software; O paradigma orientado a objetos busca meios de diminuir este gap. 3 4 Modelagem Conceitual Se essas abstrações não tiverem uma expressão direta (ou próxima) do mundo computacional, a complexidade da solução será aumentada 5 Modelagem Conceitual Tarefa mais importante de um processo de desenvolvimento de software realiza-se a análise do domínio da aplicação e a modelagem das entidades e fenômenos desse domínio que o projetista t considera importante, t independentemente da implementação A tarefa de modelagem conceitual envolve dois mecanismos: Abstração Representação 6 1
2 Modelagem Conceitual Paradigma Orientado a objetos Raciocinar e solucionar problemas em termos de objetos, diretamente associados às entidades do mundo real; O mundo é composto por objetos ; Objetos podem representar entidades concretas ou conceituais (uma estratégia de jogo, por ex.) casa Pessoa 7 Árvore 8 Vantagens: Por que utilizar OO? Facilidade maior para modelagem de objetos do mundo real; Necessidade de construção de softwares mais complexos; Maior extensibilidade: Facilidade de incrementar funcionalidades Facilidade de manutenção Maior reuso Conceitos Chave de OO Auxiliam a administrar a complexidade Guiam toda a tarefa de modelagem Conceitos Abstração Objetos Herança Polimorfismo 9 10 Abstração Abstração: Abstração O resultado de uma operação mental de abstração depende não tanto do fenômeno observado, mas do interesse do observador Copyritght 1991 Grady Booch
3 Abstração Definição 1: Uma abstração denota as características essenciais de um objeto que o distinguem de outros tipos de objetos e assim provê uma fronteira conceitual firmemente definida, de acordo com a perspectiva do observador. [Grady Booch] Abstração Definição 2: () 2. Processo mental que consiste em escolher ou isolar um aspecto determinado de um estado de coisas relativamente complexo, a fim de simplificar a sua avaliação, classificação ou para permitir a comunicação do mesmo () Fonte: Dicionário Houaiss Abstração Definição 3: Uma abstração é uma visualização ou uma representação de uma entidade que inclui somente os atributos de importância em um contexto particular. [Robert Sebesta] 15 Abstração Abstração: Técnica para lidar com a complexidade de um problema. Destaca os aspectos importantes do objeto real abstraído, segundo perspectiva do observador Ignora os detalhes não relevantes para o observador Exemplos de uso da abstração no dia a dia: Dirigir um carro Usar um tocador de DVD ou outro dispositivo eletrônico Tomar um vôo num aeroporto Retirar dinheiro num caixa eletrônico 16 Exemplos de Abstrações Exemplos de Abstrações Isto não é o mundo! Como assim? Não são aviões alemães da segunda guerra! Wie geht es Ihnen? Danke! Es geht mir gut! Und Sie?
4 Exemplos de Abstrações Não são casas! Exemplos de Abstrações Não é você! Exemplos de Abstrações Não é uma ficha de preenchimento de dados! Abstração Abstração na programação: Abstração de processos: Dividimos um programa em subprogramas menores e mais fáceis de escrever e compreender ("dividir para conquistar"). Para usar um subprograma escrito por terceiros abstraímos a sua implementação e nos concentramos na sua interface. Abstração de dados: Serve para representarmos entidades reais do domínio do problema numa linguagem de programação, identificando as propriedades destas entidades que interessam ao sistema bem como suas operações Abstração de processos Abstração de dados Quem usa as funções abaixo interessa-se por: int char valor[] = "4"; int num; num = atoi(valor); printf("%f", sqrt(num)); Define-se uma estrutura e operações para um novo tipo: typedef struct st_stack { int top; float data[max]; stack; Saber quantos são os parâmetros para as funções chamadas e em que ordem são passados Saber quais os tipos dos parâmetros Saber os tipos dos dados que as funções retornam Saber o significado desse dado retornado 23 stack* newstack (int) { int push (stack *, float) { int pop (stack *, float *) { int isempty (stack) { int top (stack, float*) { int destroy (stack *) { 24 4
5 : Definição 1: é o processo de esconder todos os detalhes de um objeto que não contribuem para suas características essenciais. [Grady Booch] Copyritght 1991 Grady Booch Definição 2: O encapsulamento é um agrupamento de subprogramas e dos dados que eles manipulam. O encapsulamento, separada ou independentemente compilável,constitui um sistema abstraído e uma organização lógica para uma coleção de computações relacionadas. [Robert Sebesta] Considerações/recomendações: Nenhuma parte de um sistema complexo deve depender dos detalhes internos das outras partes Para uma abstração dar certo sua implementação deve estar encapsulada. [Grady Booch] : Esconde os detalhes internos de uma abstração Uma vez selecionada a implementação de uma abstração, ela deve ser tratada como um segredo da abstração e escondida dos seus clientes. versus abstração A abstração representa um conceito O encapsulamento impede os clientes de verem como este conceito foi implementado Exemplos de encapsulamentos O encapsulamento de um Circuito Integrado! Ele no raio-x
6 Exemplos de encapsulamentos tradicional de uma CPU! Exemplos de encapsulamentos Alguma dúvida sobre os benefícios do encapsulamento humano através da pele? meia-sola-metido-a-besta mas que é bonitinha, é! Exemplos de encapsulamentos comprometido! Hummm, to vendo como ele foi implementado! Não é humano! 33 nas linguagens: Em C, funções são completamente encapsuladas, mas a estrutura de um tipo abstrato de dados não é completamente protegida (encapsulamento imperfeito) Funções em outras bibliotecas têm acesso à estrutura t interna do tipo, violando o encapsulamento Em Modula-2 há como encapsular totalmente tanto dados como subprogramas Java e C++ possuem construções sintáticas para controlar o nível de visibilidade de um elemento (tipos, dados ou subprogramas) numa biblioteca 34 Exemplo em C: int topo; float dados[max]; pilha; Elementos visíveis fora da biblioteca. Elementos invisíveis Exemplo em Java: public class Pilha { private int topo; private float dados[]; Parte invisível fora da classe void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { int desempilha (pilha *, float *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { public Pilha (int tam) { public void empilha(float dado) { public float desempilha() { public float topo() { public boolean tavazia() { Obs: Em C, um arquivo de biblioteca define uma fronteira de encapsulamento. 35 Obs: Em Java, uma classe define uma fronteira de encapsulamento. Parte visível fora da classe (apenas para chamadas, a implementação é invisível sempre!) 36 6
7 Quando a linguagem não oferece um tipo nativo adequado para representar uma entidade do domínio do problema recorremos a um TAD "Um TAD é um encapsulamento que inclui somente a representação de dados de um tipo específico de dado e os subprogramas que fornecem as operação para esse tipo" [Sebesta99] TAD = encapsulamento(estrutura+operações) TIPO 37 Benefícios da programação com TADs: Método para organizar melhor um programa em unidades lógicas que podem ser compiladas em separado. Permite modificações localizadas na representação ou operações do tipo (promove a manutenibilidade) O encapsulamento promove a independência entre o TAD e seus clientes. Aumento da confiabilidade, uma vez que os clientes não têm acesso direto à representação do TAD, a não ser por suas operações. 38 Um TAD pilha implementado com arranjos: Um cliente para o TAD pilha: int topo; float dados[max]; pilha; Representação ou estrutura do TAD pilha void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { int desempilha (pilha *, float *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { Operações do TAD pilha 39 pilha p; Em respeito ao encapsulamento, float x; não há acessos à representação da pilha nos clientes, mas apenas às cria_pilha(&p); i suas operações. if (ta_vazia(p)) { empilha(&p, 1.2f); empilha(&p, 3.0f); topo(&p, &x); if (x == 3.0f) desempilha (&p, &y); limpe (&p); 40 A implementação muda para lista encadeada: O cliente não se altera (compare ao anterior): Modifica-se float dado; a representação do TAD struct st_pilha prox; nopilha; E a implementação typedef nopilha* pilha; das operações void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { int desempilha (pilha *, float *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { 41 pilha p; float x; cria_pilha(&p); i if (ta_vazia(p)) { empilha(&p, 1.2f); empilha(&p, 3.0f); topo(&p, &x); if (x == 3.0f) desempilha (&p, &y); limpe (&p); 42 7
8 Entretanto, se o encapsulamento fosse violado pilha p; float x; cria_pilha(&p); i if (p.topo == -1) { empilha(&p, 1.2f); empilha(&p, 3.0f); x = p.dados[p.topo]; if (x == 3.0f) desempilha (&p, &y); limpe (&p); Acessos à estrutura do TAD violam o encapsulamento e aumentam o acoplamento entre o TAD e seus clientes Estes acessos à representação do TAD são específicos para a implementação com arranjos. Não servem para a nova implementação com lista! 43 TADs e o encapsulamento A habilidade de mudar a representação de uma abstração sem perturbar quaisquer de seus clientes é o principal benefício do encapsulamento O O encapsulamento não impede o programador de fazer coisas estúpidas [Grady Booch] O encapsulamento previne acidentes, não fraudes [Bjarne Stroustroup] 44 O conjunto de operações públicas que um TAD oferece é chamado de Interface do TAD. Quando é que uma mudança num TAD exige mudanças nos clientes? Quando há mudanças na interface dele. Se a interface permanecer a mesma, os clientes não se alteram. Mudou a interface da operação desempilha: float dado; struct st_pilha prox; nopilha; typedef nopilha* pilha; void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { int desempilha (pilha *, float *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { Era assim Mudou a interface da operação desempilha: O cliente não se altera (compare ao anterior): float dado; struct st_pilha prox; nopilha; Mudou a interface! typedef nopilha* pilha; void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { float desempilha (pilha *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { 47 pilha p; float x; cria_pilha(&p); i if (ta_vazia(p)) { empilha(&p, 1.2f); empilha(&p, 3.0f); topo(&p, &x); if (x == 3.0f) desempilha (&p, &y); limpe (&p); Ferrou o cliente! 48 8
9 O que uma linguagem deve ter para permitir a definição de TADs? Permitir o encapsulamento da definição do tipo e das operações do TAD numa unidade de compilação. Permitir acesso ao tipo definido para o TAD e ao cabeçalho das operações. Impedir o acesso à representação do TAD e à implementação das operações. bom é aquele que float dado; struct st_pilha prox; nopilha; typedef nopilha* pilha; void cria_pilha (pilha *){ int empilha (pilha *, float) { int desempilha (pilha *, float *) { int ta_vazia (pilha) { int topo (pilha, float*) { int limpa (pilha *) { Permite Impede Suporte para TADs em C: C permite que se especifiquem TADs em bibliotecas compiladas em separado. A definição do tipo e os protótipos das funções que implementam as operações ficam num arquivo de cabeçalhos (com extensão.h). A implementação das operações ficam num arquivo de implementação (extensão.c) O encapsulamento de C não é perfeito: os clientes podem acessar os campos da estrutura do tipo. 51 Exemplo de uma biblioteca em C: #define MAX 100 int topo; float dados[max]; pilha; // protótipos das funções void cria_pilha (pilha *); int empilha (pilha *, float); int desempilha (pilha *, float *); int ta_vazia (pilha); int topo (pilha, float*); int limpa (pilha *); pilha.h 52 Exemplo de uma biblioteca em C: #include "pilha.h" void cria_pilha (pilha *p) { int empilha (pilha *p, float e) { //outras funções pilha.c 53 Suporte para TADs em Pascal: O Pascal atual permite que TADs sejam definidos em units (arquivos com extensão.pas). Uma unit possui uma área (interface) para declaração do tipo e cabeçalho dos procedimentos e funções que implementam as operações. Há ainda uma área (implementation) onde os subprogramas são implementados, à qual o cliente não tem acesso. Assim como C, o acesso aos campos do tipo no cliente são sintaticamente válidos. 54 9
10 Exemplo de Unit: unit TPilha; interface type pilha = record topo : integer; dados : array[1..max] of real; end; TPilha.pas procedure cria_pilha (var p: pilha); procedure empilha (var p : pilha; e : float); function desempilha (var p : pilha) : real; function ta_vazia (var p : pilha) : boolean; function topo (p : pilha) : real; procedure limpa (var p : pilha); 55 Exemplo de Unit: implementation procedure cria_pilha (var p: pilha); begin end; TPilha.pas procedure empilha (var p : pilha; e : float); begin end; {outros subprogramas end. {fim da unit 56 Suporte para TADs em Java: Define TADs em classes (arquivo.java). A classe é a unidade sintática para encapsulamento de TADs e também a unidade de compilação. Pode-se controlar o nível de encapsulamento de cada elemento de uma classe. Java não tem construtores de tipo como struct do C ou o record do Pascal: cada classe em si é um novo tipo com propriedades e operações. Valores de classes são chamados de objetos. 57 Exemplo de classe Java: public class Pilha { private int topo; private float[] dados; public void empilha (float e) { public float desempilha() { // outros métodos //fim da classe Pilha.java 58 Suporte para TADs em C++: C++ permite que TADs sejam definidos em classes (arquivos.cpp). A classe deve ser a unidade sintática adequada para encapsulamento de TADs. Pode-se controlar o nível de encapsulamento de cada elemento de uma classe. Como em Java, valores de classes são chamados de objetos. 59 Exemplo de classe C++: class pilha { private: int topo; float dados[max]; public: void empilha (float e) { float desempilha() { // outros métodos //fim da classe Pilha.cpp 60 10
11 Programação Orientada a Objetos O paradigma de programação orientado a objetos baseia-se em três princípios chave [3]: Abstração de dados (TADs) Herança Ligação Dinâmica Em geral, os TADs definidos numa linguagem orientada a objetos são chamados de classes. Os valores destes tipos são chamados objetos. Classes se relacionam por meio de herança. Programação Orientada a Objetos Uma operação do TAD implementada numa classe é chamada de método. Uma forma de invocar um método de um objeto é enviando-lha uma mensagem. A ligação dinâmica associa uma mensagem ao método mais adequado A ligação dinâmica permite que a "herança funcione" dinamicamente, isto é, em tempo de execução Programação Orientada a Objetos Programar no paradigma OO é: Definir classes (estrutura + operações) para os elementos do domínio do problema em questão. A criação de uma classe pode usar a definição de classes prévias, criando composições de classes. Relacionar classes por meio de herança e composição Entender o mecanismo de vinculação dinâmica da linguagem e aproveitar seu incrível poder. Abstrair a sua visão do problema para um conjunto de objetos interagindo. Bem-vindo ao mundo da Orientação a Objetos! 63 Histórico das Linguagens OO Linha do tempo da programação orientada a objetos: SIMULA67: 1967 por Dahl e Nygaard Introduziu os principais conceitos da programação orientada a objetos: classes, objetos, herança. SmallTalk-72: 1972 por Alan Kay e Adele Goldberg Primeiro ambiente gráfico para programação orientada a objetos. É considerada a única linguagem puramente orientada a objetos. Introduziu o conceito de janelas em GUIs C++: 1984 por Bjarne Stroustrup Uma das primeiras linguagens OO com boa performance. 64 Histórico das Linguagens OO Galeria de fotos Linha do tempo da programação orientada a objetos: Eiffel: 1986 por Bertrand Meyer Possui algumas características avançadas da OO, tais como, tipos genéricos, asserções e herança múltipla. l Java: 1995 por James Gosling e outros Primeira linguagem OO da era da Internet. Portabilidade, design enxuto e ampla API são suas características marcantes. Empregada em várias plataformas, de celulares e PDAs a sistemas empresariais distribuídos SIMULA 84 C++ 72 Smalltalk JAVA Bjarne Stroustroup Alan Kay 95 James Gosling 66 11
12 Galeria de fotos Galeria de fotos FLEX machine idealizada por Kay Alan Kay não apenas previu que os objetos dominariam a programação mas lançou a idéia do computador pessoal e do ambiente gráfico baseado em janelas. (acima) Na busca por uma máquina que fosse fácil de ser usada por crianças e não programadores ele antecipou a idéia de PDAs. (abaixo) Dynabooks idealizados por Kay 67 Esboço do Smalltalk-72 Kay projetou o Smalltalk para ser não apenas uma linguagem de programação, mas um ambiente interativo baseado em janelas sobrepostas que permitissem ao programador fazer simulações de objetos. O termo programação orientada a objetos é atribuído a sua autoria. (ao lado) 68 Bibliografia Bibliografia [1] Booch, G. Projeto Orientado a Objetos [2] Hostetter, C. Survey of Objected Oriented Programming Languages. Disponível em: [3] Sebesta, R. Conceitos de Linguagens de Programação.4a. edição. Bookman [4] Sierra, Kathy, Bates, Bert. Head First Java Outros sites sobre o assunto: /o/ob/object_oriented_programming_1.html (legal!) Programação Orientada a Objetos Prefácio para a POO Abstração e encapsulamento Tipos de Dados Abstratos Histórico das Linguagens de POO Reinaldo Gomes reinaldo@cefet-al.br Compilação e modularização Unidade sintática: Menor unidade de código sintaticamente válida segundo a gramática da linguagem Ex: declaração de variáveis, chamadas de procedimentos, expressões, declaração de programas Unidade de compilação: Conjunto de unidade sintáticas de um programa reunidas segundo as regras da gramática da linguagem. Ex: programa principal, biblioteca de procedimentos, módulos, etc
13 Compilação e modularização Unidade de Compilação dobro.c int x=2, y; Unidades sintáticas y = dobro(x); printf("%d", y); int dobro(int x) { return 2*x; 73 Compilação e modularização Compilação independente: As unidades de compilação são compiladas de forma independente umas das outras. Não há necessidade de uma ordem de compilação e a quantidade e os tipos dos parâmetros não são checados entre chamada e definição. Compilação em separado: As fronteiras das unidades de compilação são ultrapassadas para verificação de tipos e as unidades não são independentes entre si. 74 Compilação Independente main.c soma(); Eu não quero nem saber se soma() tem parâmetro ou não! bib.c soma(int x) { Compilação em Separado main.c soma(); Am r! Sua função soma() é sem parâmetro? bib.c soma(int x) { func() { main.obj O Linker não vai gostar disso Compilador subtrai() { bib.obj Quero meu advogado! 75 func() { main.obj Nã-na-nim-nanão! soma() tá sem parâmetro! Compilador subtrai() { Não fofo, é com parâmetro! Sm ck! bib.obj 76 Compilação e modularização Pódio da compilação! Em Separado Independente 1 Nenhuma 2 3 Possuem compilação independente: FORTRAN77, C de Ritchie Possuem compilação em separado: Ada, C ANSI, Modula-2, Java, C++ Não possuem nenhuma das duas: Pascal original, FORTRAN II, BASIC 77 13
Paradigmas de Desenvolvimento de Software
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