«Дружественность» в Delphi
Инкапсуляция
Инкапсуляция — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования, заключающийся в объединении данных с методами и скрытии реализации (т.н. "чёрный ящик" — доступность главного, сокрытие второстепенного). Инкапсуляцию применяют для обеспечения согласованности внутреннего состояния объекта. Применение инкапсуляции позволяет предельно локализовать изменения (при необходимости таких изменений), прогнозировать изменения (какие изменения в коде нужно сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозировать последствия изменений.
В ООП языках программирования инкапсуляция реализуется через механизмы ограничения доступа к членам класса путём введения ключевых слов типа private или protected. Общая идея состоит в том, что каждый класс выставляет наружу публичный (public) интерфейс, который и позволяет управлять объектом. Все открытые методы интерфейса объекта гарантировано переводят объект из одного согласованного и корректного состояния в другое. При этом внутренние "кишки" объекта скрыты от внешнего доступа, так что никакой сторонний код не может перевести объект из согласованного состояния в недопустимое. Однако применение директив вида protected позволяет наследникам класса получать доступ к его внутренним членам.
Необходимость обхода инкапсуляции
Но объекты не существуют автономно, сами по себе. Поэтому на практике часто возникают ситуации, когда необходимо обеспечить более тесное взаимодействие объектов, не связанных иерархией. Это подразумевает, что один объект должен уметь обращаться к другому объекту в обход его публичного интерфейса. Простой пример: объект-коллекция и объект-элемент коллекции. Эти два класса, скорее всего, не будут наследоваться друг от друга, а будут двумя разными ветвями дерева наследования. Тем не менее, при добавлении элемента в коллекцию нужно установить владельца (для элемента), его индекс и другие данные для учёта. Само собой, подобный сервис не должен выставляться наружу, поскольку тогда сторонний код мог бы его менять и, таким образом, "испортить" данные объекта. Так что публичный интерфейс будет содержать методы типа "добавить элемент в коллекцию", но не "теперь этот объект — в той коллекции, а его индекс там — минус сто".
Например:
type
TCollection = class;
TCollectionItem = class(TPersistent)
private
FCollection: TCollection;
...
public
...
property Collection: TCollection read FCollection write SetCollection;
...
end;
TCollection = class(TPersistent)
private
FItems: TList;
...
public
...
function Add: TCollectionItem;
...
end;
Здесь TCollection — коллекция, а TCollectionItem — элемент коллекции. Оба класса наследуются от общего предка TPersistent, но не друг от друга. И TCollection и TCollectionItem предоставляют открытый интерфейс для управления: метод добавления (Add) и получения информации (свойство Collection), но не позволяют менять их на произвольные значения стороннему коду (закрытые поля FCollection и FItems).
Разумеется, при добавлении элемента в коллекцию, необходимо внести элемент в список элементов (FItems) и назначить ему владельца (FCollection), поэтому этим двум классам необходимо иметь доступ к закрытым элементам друг друга в обход общего механизма разграничения доступа.
Понятие класса, дружественного другому классу
По этой причине во многих языках существует понятие класса, дружественного (friend) к другому классу (в некоторых языках дружественными могут быть и функции). Дружественный класс будет иметь полный доступ к членам другого класса, даже если они закрыты для прочего стороннего кода.
В Delphi нет специальных языковых конструкций для выделения дружественных классов. Вместо этого здесь используется иной механизм. А именно: любые классы в одном модуле (unit) автоматически считаются дружественными друг к другу и могут обращаться к закрытым элементам друг друга. Иными словами, расположение классов в одном модуле является необходимым и достаточным условием дружественности классов друг другу.
Поэтому в примере выше TCollection и TCollectionItem являются дружественными, поскольку расположены в одном модуле, так что допускается код типа такого:
function TCollection.Add: TCollectionItem; begin Result := FItemClass.Create(Self); SetLength(FItems, Length(FItems) + 1); FItems[High(FItems)] := Result; Result.FCollection := Self; // <- обращение к закрытому полю end;
или такого:
constructor TCollectionItem.Create(Collection: TCollection); begin inherited Create; FCollection := Collection; FCollection.InsertItem(Self); // <- обращение к закрытому методу end;
Проблемы дружественности в Delphi
Таким образом, получается, что деление классов на дружественные друг другу заключается в распределении их (классов) по модулям (unit). Однако на практике критерий дружественности крайне редко выступает в качестве основного критерия для распределения классов. Чаще модуль объединяет логические связанные классы, цельные компоненты библиотеки и т.п. При этом может получаться, как много не связанных друг с другом (в плане дружественности) классов в одном модуле, так и дружественные классы, разнесённые по разным модулям (если такие классы принадлежат разным логическим компонентам)
Сужение дружественности: strict
Понимая, что не всякий класс в модуле должен быть дружественным к другим классам этого же модуля, разработчики Delphi ввели новое ключевое слово strict, которое в комбинации с private и protected позволяют ограничивать доступ к членам класса для других классов в этом же модуле. Так, к примеру, к элементам класса в strict private не может получить доступа ни один код вне этого же класса, даже если этот код находится в том же модуле. Аналогично, доступ к элементам strict protected будут иметь только наследники этого класса, но не другие классы, даже если они будут находится в том же модуле
Расширение дружественности: хак
Со второй проблемой (дружественные классы в разных модулях) несколько сложнее. В настоящее время Delphi не предоставляет никаких специальных языковых конструкций для разрешения этого конфликта. Вы не можете объявить классы дружественными друг другу, если они находятся в разных модулях. Поэтому программисту придётся использовать обходные пути.
Первый путь — самый простой и прямолинейный. Он заключается в использовании хака. Хотя обычно хак — это плохо, но данный конкретный хак безопасен. Заключается он в объявлении пустого класса-наследника в том же модуле, где нужно сделать дружественный класс. Например, пусть у нас есть класс:
unit Unit1;
interface
type
TSomeClass = class
private
FItem: Integer;
...
end;
И в другом модуле есть класс, который должен обращаться к полю FItem:
unit Unit2;
interface
uses
Unit1;
type
TAnotherClass = class
public
procedure DoSomething(AItem: TSomeClass);
end;
implementation
procedure TAnotherClass.DoSomething(AItem: TSomeClass);
begin
AItem.FItem := 0; // <- ошибка компиляции, т.к. у TAnotherClass нет доступа
end;
end.
Чтобы разрешить этот конфликт (подразумевая, что мы не можем поместить TSomeClass и TAnotherClass в один модуль), мы можем сделать поле FItem как protected
type
TSomeClass = class
protected
FItem: Integer;
...
end;
А для TAnotherClass использовать такую конструкцию:
type TDummySomeClass = class(TSomeClass); procedure TAnotherClass.DoSomething(AItem: TSomeClass); begin TDummySomeClass(AItem).FItem := 0; // <- теперь доступ есть end;
Объявляя класс-наследник (TDummySomeClass), мы делаем доступными ему все protected члены (и не важно, в каком модуле они расположены). А то, что этот класс-заглушка объявлен именно в модуле второго класса (TAnotherClass), сделает эти два класса дружественными, что и даст доступ к закрытому полю FItem. Обратите внимание, что при этом исходный класс (TSomeClass) не становится дружественным к TAnotherClass — вот почему нам необходимо выполнять явное преобразование типов.
Насколько безопасен такой хак? Ведь мы приводим объект одного класса (TSomeClass) к другому (TDummySomeClass), хотя он им не является. Ответ: достаточно безопасен. TDummySomeClass не содержит новых членов, мы не обращаемся к информации класса, мы используем только унаследованные элементы класса. Поэтому данное преобразование на уровне машинного кода — тождественно (т.е. вообще отсутствует). И никакие изменения в TSomeClass не приведут к поломке этого кода.
Разумеется, если у вас нет контроля над TSomeClass, то вы не сможете изменить область видимости FItem. В этом случае вы, конечно, можете использовать уже грязный хак (который является довольно опасным, т.к. произвольные изменения исходного класса могут его поломать). Но это не лучший вариант из-за опасной природы хака.
Расширение дружественности: интерфейсы
Итак, возвращаясь к нашим баранам, вариант второй разрешения конфликта — использование интерфейсов. Интерфейс (в смысле конструкции языка interface) — это набор методов (читай: действий), которые можно произвести с объектом. Иными словами, это как бы "копия" public секции объекта. Вкусность тут в том, что их может быть много у одного объекта. Любой внешний код может запросить у объекта любой его сервис, если он знает его "имя" (в терминах интерфейсов: имя = GUID).
Таким образом, класс TSomeClass может реализовывать один или несколько интерфейсов, предназначенных для его дружественных классов, расположенных в других модулях. Чтобы подчеркнуть внутреннюю направленность интерфейсов, их можно вынести в отдельный недокументированный модуль.
unit Internals;
interface
type
IItemAccess = interface
['{07FBC0AE-C6CC-4ADD-A4D9-1AC08B7CA430}']
// private
function GetItem: Integer;
procedure SetItem(const AValue: Integer);
// public
property Item: Integer read GetItem write SetItem;
end;
implementation
end.
interface
uses
Internals;
type
TSomeClass = class(TObject, IUnknown, IItemAccess)
private
FItem: Integer;
...
// IUnknown
function _AddRef: Integer; stdcall;
function _Release: Integer; stdcall;
function QueryInterface(const IID: TGUID; out Obj): HResult; stdcall;
// IItemAccess
function GetItem: Integer;
procedure SetItem(const AValue: Integer);
...
end;
implementation
...
function TSomeClass._AddRef: Integer; stdcall;
begin
Result := -1;
end;
function TSomeClass._Release: Integer; stdcall;
begin
Result := -1;
end;
function TSomeClass.QueryInterface(const IID: TGUID; out Obj): HResult; stdcall;
begin
if GetInterface(IID, Obj) then
Result := S_OK
else
Result := E_NOINTERFACE;
end;
function TSomeClass.GetItem: Integer;
begin
Result := FItem;
end;
procedure TSomeClass.SetItem(const AValue: Integer);
begin
FItem := AValue;
end;
...
end.
Тогда TAnotherClass может запросить у объекта класса TSomeClass интерфейс для внутренних манипуляций:
procedure TAnotherClass.DoSomething(AItem: TSomeClass); var I: IItemAccess; begin I := AItem; I.Item := 0; // <- теперь доступ есть end;
Как видите, вариант с интерфейсами — это гарантировано чистый путь, но неприятен он именно необходимостью смешивать объекты и интерфейсы (т.е. сущности с разным принципом управления временем жизни) в рамках одного класса. Как правило, чистота этого подхода не перевешивает его сложности по сравнению с чистым хаком, описанным выше.
Множественное наследование и интерфейсы
Но здесь, однако, кроется интересное для меня наблюдение. Если вы заметили, то объекты хорошо позволяют "реализовать что-то". У них есть наследование (и интерфейса и реализации), скрытие и дружественность, и т.д. Всё это позволяет легко реализовывать функциональность. Но не всегда это идеально удобно с точки зрения потребления/использования. Здесь уже ограничители (наследование, скрытие, ...) начинают скорее мешаться, чем приносить пользу. В самом деле, если я хочу добавить элемент в коллекцию, зачем мне всенепременно наследовать его от нужного класса? А если мне нужно добавить в коллекцию класс вне её дерева наследования? Ведь, по сути, здесь было бы достаточным, чтобы элемент поддерживал определённую функциональность (читай: "набор методов управления"). Для этого вовсе не обязательно строго наследовать от предопределённого класса, поскольку от элемента требуется лишь удовлетворять набору условий.
Насколько я понимаю, для решения этой проблемы (в том числе) в других языках программирования вводится поддержка множественного наследования: один класс может удовлетворять сразу нескольким функциональностям. К примеру, студент может быть не только человеком, но и рабочим, и музыкантом, и членом семьи (т.е. наследоваться от них в терминах множественного наследования). При этом, если наследуемые классы, в свою очередь, также наследуются друг от друга в различных комбинациях, то могут возникать конфликты (например, если "музыкант" и "член семьи" наследуют "прозвище" от "человек" с замещением реализации, то какую из реализаций должен брать "студент"?). Само собой, языки с поддержкой множественного наследования также содержат механизмы разрешения таких конфликтов. В целом же, множественное наследование часто критикуется. Проблемы, его чрезмерная сложность приводят критиков к выводу, что от него больше вреда, чем пользы. При этом также звучит мнение, что множественное наследование (как расширение "простого" одиночного наследования) — ошибочная концепция, порождённая неверным анализом и проектированием.
В Delphi проблемы множественного наследования решаются интерфейсами. Интерфейс — это полностью абстрактный класс, все методы которого виртуальны и абстрактны. Иными словами, говоря грубо, интерфейс — это запись (record) с указателями на функции. Каждый метод интерфейса должен быть реализован в классе. Причём реализацию вы либо пишете сами, либо наследуете, либо делегируете (для случая агрегации). Иными словами, любой интерфейс реализуется классом без конфликтов. Плюс, в каждый момент времени вы работаете с одним конкретным интерфейсом, а не с "объединённым набором интерфейсов", поэтому проблемы выбора нужной реализации тут просто нет — будет использоваться метод используемого интерфейса. Не та реализация? Берём другой (нужный) интерфейс с нужной реализацией.
Также замечу, что в Delphi отсутствует возможность множественного наследования не только классов, но и интерфейсов (множественное наследование интерфейсов существенно проще множественного наследования классов, поскольку интерфейсы не содержат реализации; тем не менее, даже здесь есть одна возможность для конфликтов).
В целом же, я считаю, что использование интерфейсов — это наиболее правильный вариант реализации множественного наследования, поскольку явное указание реализации исключает конфликты. Введение понятия интерфейсов является компромиссом, позволяющим получить преимущества множественного наследования, не реализуя его в полном объёме и, таким образом, не сталкиваясь со специфичными для него сложностями. Именно такой подход принят во многих современных языках — не только в Delphi, но и, к примеру, C# или Java.
Вы всё ещё используете объекты? Тогда мы идём к вам
Я уже кратко выразил основную мысль выше: объекты удобны для реализации функциональности (наследование/полиморфизм), но неудобны для использования. Добавлю только, что, помимо уже упомянутых ограничений, объекты неудобны ручным слежением за временем жизни. Интерфейсы же относятся к типам с автоматическим управлением временем жизни, что существенно упрощает разработку кода. Кроме того, интерфейсы — языко-независимы (т.е. ими можно обмениваться между кодом, написанных на разных языках), в отличие от классов, реализация которых своя в каждом языке программирования.
Также замечу, что, применяя объекты, вы вынуждены писать декларативный интерфейс рядом с реализацией. Это, в свою очередь, означает, что все ваши объявления и типы данных будут размазаны по разным модулям, как этого требует реализация. С другой стороны, интерфейсы, как не имеющие реализации, могут быть собраны в одном месте.
Иными словами, у интерфейсов есть куча плюсов, но есть и некоторые минусы. Во-первых, использование интерфейсов подвержено проблеме циклических ссылок (которую, впрочем можно легко обойти, следуя нескольким простым правилам разработки). Во-вторых, большая часть кода VCL и RTL написана в те времена, когда никакой поддержки интерфейсов в Delphi не было (историческая справка: изначально интерфейсы были введены в Delphi для поддержки технологии COM, но впоследствии их стали использовать более широко). Соответственно, весь этот код написан на объектах. И он наследуется и в современные версии Delphi. Более того, такой подход используют и сторонние библиотеки, руководствуясь "ну раз так поступает сам разработчик среды, то и мы тоже будем так делать". Итого, у вас может быть проблема состыковки кода с ручным и автоматическим управлением временем жизни. К сожалению, обычные интерфейсы в Delphi нельзя сделать "чистыми" (т.е. без обвеса автоматического управления). Вы можете добиться этого обходным путём, но это неудобно без поддержки со стороны языка.
Некоторые считают, что уже упомянутые плюсы интерфейсов не перевешивают их минусы. Возможно это и так. Но у интерфейсов есть одно существенное свойство, к которому я подвожу: интерфейс позволяет описывать некоторые желательные свойства, которыми могут обладать сущности. Интерфейс, по сути, является не только синтаксической, но и семантической конструкцией, используемой для спецификации услуг, предоставляемых компонентом. Интерфейс определяет границу взаимодействия между компонентами, определяя определённую абстракцию, которую осуществляет реализующая сторона. Интерфейс — это «договор», который обязуется выполнить компонент.
К чему это я? Когда мы говорим про ООП — мы говорим в первую очередь про наследование. Это именно то свойство (из наследования, абстракции, инкапсуляции и полиморфизма), которое наиболее ярко определяет ООП. Когда нас учат ООП, нас учат моделировать мир иерархиями объектов: объекты в программе отражают сущности реального мира. Но в реальном мире не существует понятия наследования (кроме нескольких узких областей). В реальной жизни стул не является наследником мебели. И уж тем более студент не является множественным наследником "человек", "рабочий", "музыкант".
Я не говорю, что наследование — это зло. Это удобная концепция, лучше всего раскрывающаяся для повторного использования кода (если у вас есть класс, вы можете наследоваться от него, чтобы сохранить его функциональность и внести некоторые изменения). Впрочем, при необходимости в качестве альтернативы наследованию можно выбрать агрегацию/делегирование.
Проблема в том, что унаследовавшись от одного предка, класс уже не может наследоваться от других. Изменение предка становится опасным. Зачастую правильное использование private и protected требует от программиста неслабых телепатических способностей: что может понадобится нашим наследникам, а что нет?
Иными словами, использование объектов мешает вам выражать понятия на языке реального мира. Дерево наследования становится не помощником, а ограничивающим фактором. Вам придётся создавать промежуточные объекты, единственное назначение которых будет состоять в преодолении этих ограничений (объекты-адаптеры, агрегирующие объекты и т.п.).
Если же вместо объектов вы будете оперировать интерфейсами, то ваш код будет более приближен к реальному миру. У вас может быть "студент", и он не будет наследоваться от "человека", но он будет иметь имя, т.к. студент одновременно является и "человеком". И если кому-то нужен "студент", то ему совершенно не обязательно наследоваться от "человека", "млекопитающего" или ещё более низкого класса, если его всего-лишь интересуют университет, курс и группа "студента". Конечно, вы можете и должны использовать объекты и наследование при реализации интерфейсов: в конце концов, наследование — удобный способ повторного использования кода. Иными словами, суммируя мысль: объекты — язык описания реализации, интерфейсы — язык описания реального мира.
Бонус: секция published
В заключение — несколько слов о секции published. Эта секция введена в Delphi для работы встроенного механизма сериализации (к примеру, именно благодаря ему загружаются формы из ресурсов программы). Помещение свойств, методов и полей в секцию published заставит компилятор генерировать мета-информацию (RTTI) для них, что позволит объекту "узнавать о самом себе" во время выполнения. Именно это (генерация RTTI) — основное назначение секции published. Но кроме этого секция published также имеет ту же область видимости, что и public. К примеру, все компоненты любой формы доступны любому коду, т.к. находятся в секции published, т.е. имеют видимость public. Конечно же, это нарушает инкапсуляцию (концепцию "чёрного ящика"). Любой код может проводить произвольные манипуляции с формой, даже приводя её в недопустимое состояние (к примеру, отключив все кнопки на форме).
Поэтому нужно всегда помнить о назначении секции published (генерировать RTTI) и не пытаться манипулировать компонентами формы в обход её публичного интерфейса. С этой точки зрения дизайн Delphi был бы более удачен, если бы секция published имела бы ту же область видимости, что и protected. В настоящее же время наилучшим вариантом будет вообще скрыть форму за фасадом. Например — интерфейсом.
unit Dialog;
interface
type
IInputDialog = interface
['{9CA0FC9A-5AFF-4A57-B5A8-C906F461FEB6}']
// private
function GetCaption: String;
procedure SetCaption(const AValue: String);
function GetText: String;
procedure SetText(const AValue: String);
function GetValue: String;
procedure SetValue(const AValue: String);
// public
property Caption: String read GetCaption write SetCaption;
property Text: String read GetText write SetText;
property Value: String read GetValue write SetValue;
function Show: Boolean;
end;
// Это - только пример.
// Само собой, открытый интерфейс и закрытую форму лучше разносить по разным модулям
TDialogForm = class(TForm, IInputDialog)
Label1: TLabel;
Edit1: TEdit;
Button1: TButton;
protected
// IInputDialog
function GetCaption: String;
procedure SetCaption(const AValue: String);
function GetText: String;
procedure SetText(const AValue: String);
function GetValue: String;
procedure SetValue(const AValue: String);
function Show: Boolean;
end;
var
DialogForm: TDialogForm;
implementation
{$R *.dfm}
function TDialogForm.GetCaption: String;
begin
Result := Caption;
end;
function TDialogForm.GetText: String;
begin
Result := Label1.Caption;
end;
function TDialogForm.GetValue: String;
begin
Result := Edit1.Text;
end;
procedure TDialogForm.SetCaption(const AValue: String);
begin
Caption := AValue;
end;
procedure TDialogForm.SetText(const AValue: String);
begin
Label1.Caption := AValue;
end;
procedure TDialogForm.SetValue(const AValue: String);
begin
Edit1.Text := AValue;
end;
function TDialogForm.Show: Boolean;
begin
Result := (ShowModal = mrOk);
end;
end.
...
var
Dialog: IInputDialog;
begin
Dialog := DialogForm; // форма должна быть создана, использует существующий объект
// Это - только пример: на практике интерфейс обычно будет возвращаться каким-то методом, который имеет доступ к переменной формы
Dialog.Caption := 'Заголовок';
Dialog.Text := 'Вопрос';
Dialog.Value := '';
if Dialog.Show then
begin
ShowMessage(Dialog.Value);
// ...
end;
end;
или:
unit Dialog;
interface
type
IInputDialog = interface
['{9CA0FC9A-5AFF-4A57-B5A8-C906F461FEB6}']
// private
function GetCaption: String;
procedure SetCaption(const AValue: String);
function GetText: String;
procedure SetText(const AValue: String);
function GetValue: String;
procedure SetValue(const AValue: String);
// public
property Caption: String read GetCaption write SetCaption;
property Text: String read GetText write SetText;
property Value: String read GetValue write SetValue;
function Show: Boolean;
end;
function CreateInputDialog: IInputDialog;
implementation
type
TDialogForm = class(TForm, IInterface, IInputDialog)
Button1: TButton;
Edit1: TEdit;
Label1: TLabel;
Button2: TButton;
procedure Button1Click(Sender: TObject);
private
// IUnknown
FRefCount: Integer;
protected
// IUnknown
function _AddRef: Integer; stdcall;
function _Release: Integer; stdcall;
// IInputDialog
function GetCaption: String;
procedure SetCaption(const AValue: String);
function GetText: String;
procedure SetText(const AValue: String);
function GetValue: String;
procedure SetValue(const AValue: String);
function Show: Boolean;
public
// IUnknown
procedure AfterConstruction; override;
procedure BeforeDestruction; override;
class function NewInstance: TObject; override;
end;
{$R *.dfm}
function CreateInputDialog: IInputDialog;
begin
Result := TDialogForm.Create(nil);
end;
{ TDialogForm }
function TDialogForm._AddRef: Integer;
begin
Result := InterlockedIncrement(FRefCount);
end;
function TDialogForm._Release: Integer;
begin
Result := InterlockedDecrement(FRefCount);
if Result = 0 then
Destroy;
end;
class function TDialogForm.NewInstance: TObject;
begin
Result := inherited NewInstance;
TDialogForm(Result).FRefCount := 1;
end;
procedure TDialogForm.AfterConstruction;
begin
inherited;
InterlockedDecrement(FRefCount);
end;
procedure TDialogForm.BeforeDestruction;
begin
Assert(FRefCount = 0);
inherited;
end;
// ... остальные методы - без изменений
end.
...
var
Dialog: IInputDialog;
begin
Dialog := CreateInputDialog; // создаёт новый диалог
Dialog.Caption := 'Заголовок';
Dialog.Text := 'Вопрос';
Dialog.Value := '';
if Dialog.Show then
begin
ShowMessage(Dialog.Value);
// ...
end;
end;
Подобный подход не только прост в реализации, но и добавляет в код высокую степень полиморфизма: в любой момент вы можете заменить форму на консольный ввод или ответ от удалённого сервера. Для этого достаточно будет заменить реализацию IInputDialog. Любой иной код, который его использует, совершенно не изменится.
Автор: GunSmoker
Комментарии