Sơ lược về lập trình hướng đối tượng

Lập trình hướng đối tượng (gọi tắt là OOP - Object-Oriented Programming), hay còn gọi là lập trình định hướng đối tượng, là kĩ thuật lập trình hỗ trợ công nghệ đối tượng. OOP có thể giúp tăng năng suất, đơn giản hóa độ phức tạp khi bảo trì cũng như mở rộng phần mềm bằng cách cho phép lập trình viên tập trung vào các đối tượng phần mềm ở bậc cao hơn. Ngoài ra, nhiều người còn cho rằng OOP dễ tiếp thu hơn cho những người mới học hơn là các phương pháp trước đó.

Một cách giản lược, OOP  là khái niệm và là một nỗ lực nhằm giảm nhẹ các thao tác viết mã cho người lập trình, cho phép họ tạo ra các ứng dụng mà các yếu tố bên ngoài có thể tương tác với các chương trình đó giống như là tương tác với các đối tượng vật lý.

Những đối tượng trong một ngôn ngữ OOP là các kết hợp giữa mã và dữ liệu mà chúng được nhìn nhận như là một đơn vị duy nhất. Mỗi đối tượng có một tên riêng biệt và tất cả các tham chiếu đến đối tượng đó được tiến hành qua tên của nó. Như vậy, mỗi đối tượng có khả năng nhận vào các thông báo, xử lý dữ liệu (bên trong của nó), và gửi ra hay trả lời đến các đối tượng khác hay đến môi trường bên ngoài.

Các tính chất cơ bản:

• Đối tượng (object): Các dữ liệu và chỉ thị được kết hợp vào một đơn vị đầy đủ tạo nên một đối tượng. Đơn vị này tương đương với một chương trình con và vì thế các đối tượng sẽ được chia thành hai bộ phận chính: phần các phương thức (method) và phần các thuộc tính (attribute). Trong thực tế, các phương thức của đối tượng là các hàm và các thuộc tính của nó là các biến, các tham số hay hằng nội tại của một đối tượng (hay nói cách khác tập hợp các dữ liệu nội tại tạo thành thuộc tính của đối tượng). Các phương thức là phương tiện để sử dụng một đối tượng trong khi các thuộc tính sẽ mô tả đối tượng có những tính chất gì. Các phương thức và các thuộc tính thường gắn chặt với thực tế các đặc tính và sử dụng của một đối tượng. Trong thực tế, các đối tượng thường được trừu tượng hóa qua việc định nghĩa của các lớp (class). Tập hợp các giá trị hiện có của các thuộc tính tạo nên trạng thái của một đối tượng. Mỗi phương thức hay mỗi dữ liệu nội tại cùng với các tính chất được định nghĩa (bởi người lập trình) được xem là một đặc tính riêng của đối tượng. Nếu không có gì lầm lẫn thì tập hợp các đặc tính này gọi chung là đặc tính của đối tượng.
• Tính trừu tượng (abstraction): Đây là khả năng của chương trình bỏ qua hay không chú ý đến một số khía cạnh của thông tin mà nó đang trực tiếp làm việc lên, nghĩa là nó có khả năng tập trung vào những cốt lõi cần thiết. Mỗi đối tượng phục vụ như là một "động tử" có thể hoàn tất các công việc một cách nội bộ, báo cáo, thay đổi trạng thái của nó và liên lạc với các đối tượng khác mà không cần cho biết làm cách nào đối tượng tiến hành được các thao tác. Tính chất này thường được gọi là sự trừu tượng của dữ liệu. Tính trừu tượng còn thể hiện qua việc một đối tượng ban đầu có thể có một số đặc điểm chung cho nhiều đối tượng khác như là sự mở rộng của nó nhưng bản thân đối tượng ban đầu này có thể không có các biện pháp thi hành. Tính trừu tượng này thường được xác định trong khái niệm gọi là lớp trừu tượng hay lớp cơ sở trừu tượng.
• Tính đóng gói (encapsulation) và che giấu thông tin (information hiding): Tính chất này không cho phép người sử dụng các đối tượng thay đổi trạng thái nội tại của một đối tượng. Chỉ có các phương thức nội tại của đối tượng cho phép thay đổi trạng thái của nó. Việc cho phép môi trường bên ngoài tác động lên các dữ liệu nội tại của một đối tượng theo cách nào là hoàn toàn tùy thuộc vào người viết mã. Đây là tính chất đảm bảo sự toàn vẹn của đối tượng.
• Tính đa hình (polymorphism): Thể hiện thông qua việc gửi các thông điệp (message). Việc gửi các thông điệp này có thể so sánh như việc gọi các hàm bên trong của một đối tượng. Các phương thức dùng trả lời cho một thông điệp sẽ tùy theo đối tượng mà thông điệp đó được gửi tới sẽ có phản ứng khác nhau. Người lập trình có thể định nghĩa một đặc tính (chẳng hạn thông qua tên của các phương thức) cho một loạt các đối tượng gần nhau nhưng khi thi hành thì dùng cùng một tên gọi mà sự thi hành của mỗi đối tượng sẽ tự động xảy ra tương ứng theo đặc tính của từng đối tượng mà không bị nhầm lẫn. Thí dụ khi định nghĩa hai đối tượng "hinh_vuong" và "hinh_tron" thì có một phương thức chung là "chu_vi". Khi gọi phương thức này thì nếu đối tượng là "hinh_vuong" nó sẽ tính theo công thức khác với khi đối tượng là "hinh_tron".
• Tính kế thừa (inheritance): Đặc tính này cho phép một đối tượng có thể có sẵn các đặc tính mà đối tượng khác đã có thông qua kế thừa. Điều này cho phép các đối tượng chia sẻ hay mở rộng các đặc tính sẵn có mà không phải tiến hành định nghĩa lại. Tuy nhiên, không phải ngôn ngữ hướng đối tượng nào cũng có tính chất này.

Các khái niệm cơ bản:

Lớp (class): Một lớp có thể được hiểu là khuôn mẫu để tạo ra các đối tượng. Trong một lớp, người ta thường dùng các biến để mô tả các phương thức của đối tượng. Khi đã định nghĩa được lớp, ta có thể tạo ra các đối tượng từ lớp này. Để việc sử dụng được dễ dàng, thông qua hệ thống hàm khởi tạo (constructor), người ta dùng lớp như một kiểu dữ liệu để tạo ra các đối tượng.

Lớp con (subclass): Lớp con là một lớp thông thường nhưng có thêm tính chất kế thừa một phần hay toàn bộ các đặc tính của một lớp khác. Lớp chia sẻ sự kế thừa gọi là lớp cha (parent class).

Lớp trừu tượng hay lớp cơ sở trừu tượng (abstract classical): Lớp trừu tượng là một lớp mà nó không thể thực thể hóa thành một đối tượng thực dụng được. Lớp này được thiết kế nhằm tạo ra một lớp có các đặc tính tổng quát nhưng bản thân lớp đó chưa có ý nghĩa (hay không đủ ý nghĩa) để có thể tiến hành viết mã cho việc thực thể hóa. Thí dụ: Lớp "hinh" được định nghĩa không có dữ liệu nội tại và chỉ có các phương thức (hàm nội tại) "tinh_chu_vi", "tinh_dien_tich". Nhưng vì lớp hinh này chưa xác định được đầy đủ các đặc tính của nó (cụ thể các biến nội tại là tọa độ các đỉnh nếu là đa giác, là đường bán kính và toạ độ tâm nếu là hình tròn, ...) nên nó chỉ có thể được viết thành một lớp trừu tượng. Sau đó, người lập trình có thể tạo ra các lớp con chẳng hạn như là lớp "tam_giac", lớp "hinh_tron", lớp "tu_giac",.... Và trong các lớp con này người viết mã sẽ cung cấp các dữ liệu nội tại (như là biến nội tại r làm bán kính và hằng số nội tại Pi cho lớp "hinh_tron" và sau đó viết mã cụ thể cho các phương thức "tinh_chu_vi" và "tinh_dien_tich").

Phương thức (method): Phương thức của một lớp thường được dùng để mô tả các hành vi của đối tượng (hoặc của lớp). Ví dụ như đối tượng thuộc lớp điện thoại có các hành vi sau: Đổ chuông, chuyển tín hiệu từ sóng sang dạng nghe được, chuyển tín hiệu giọng nói sang dạng chuẩn, chuyển tín hiệu lên tổng đài.v.v. Khi thiết kế, người ta có thể dùng các phương thức để mô tả và thực hiện các hành vi của đối tượng. Mỗi phương thức thường được định nghĩa là một hàm, các thao tác để thực hiện hành vi đó được viết tại nội dung của hàm. Khi thực hiện hành vi này, đối tượng có thể phải thực hiện các hành vi khác. Ví dụ như điện thoại phải chuyển tín hiệu giọng nói sang dạng chuẩn trước khi chuyển lên tổng đài. Cho nên một phương thức trong một lớp có thể sử dụng phương thức khác trong quá trình thực hiện hành vi của mình. Người ta còn định nghĩa thêm vài loại phương thức đặc biệt:

• Hàm tạo (constructor) là hàm được dùng để tạo ra một đối tượng, cài đặt các giá trị ban đầu cho các thuộc tính của đối tượng đó.
• Hàm hủy (destructor) là hàm dùng vào việc làm sạch bộ nhớ đã dùng để lưu đối tượng và hủy bỏ tên của một đối tượng sau khi đã dùng xong, trong đó có thể bao gồm cả việc xóa các con trỏ nội tại và trả về các phần bộ nhớ mà đối tượng đã dùng.

Nhiều lớp thư viện có sẵn hàm tạo mặc định (thông thường không có tham số) và hàm huỷ.

Thuộc tính (Attribute): Thuộc tính của một lớp bao gồm các biến, các hằng, hay tham số nội tại của lớp đó. Ở đây, vai trò quan trọng nhất của các thuộc tính là các biến vì chúng sẽ có thể bị thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của một đối tượng. Các thuộc tính có thể được xác định kiểu và kiểu của chúng có thể là các kiểu dữ liệu cổ điển hay đó là một lớp đã định nghĩa từ trước. Như đã ghi, khi một lớp đã được thực thể hoá thành đối tượng cụ thể thì tập hợp các giá trị của các biến nội tại làm thành trạng thái của đối tượng. Giống như trường hợp của phương thức, tùy theo người viết mã, biến nội tại có thể chỉ được dùng bên trong các phương thức của chính lớp đó, có thể cho phép các câu lệnh bên ngoài lớp, hay chỉ cho phép các lớp có quan hệ đặc biệt như là quan hệ lớp con, (và quan hệ bạn bè (friend) trong C++) được phép dùng tới nó (hay thay đổi giá trị của nó). Mỗi thuộc tính của một lớp còn được gọi là thành viên dữ liệu của lớp đó.

Quan hệ giữa lớp và đối tượng: Lớp trong quan niệm thông thường là cách phân loại các thực thể dựa trên những đặc điểm chung của các thực thể đó. Do đó lớp là khái niệm mang tính trừu tượng hóa rất cao. Ví dụ như lớp "người" dùng để chỉ những thực thể sống trên trái đất có những thuộc tính: có hai chân, hai bàn tay khéo léo, có tư duy, ngôn ngữ v.v và có phương thức: giao tiếp bằng ngôn ngữ, tư duy, đi, đứng bằng hai chân... Khi đó hai người cụ thể ông A, ông B là các đối tượng thuộc lớp người. Trong ngôn ngữ lập trình, ta cũng hiểu khái niệm lớp tương tự, cho nên ta có quá trình "Thực thể hóa" sau, tạo một đối tượng thuộc một lớp đã được ta định nghĩa (phân loại).

Thực thể (instance): Thực thể hóa (instantiate) là quá trình khai báo để có một tên (có thể được xem như là một biến) trở thành một đối tượng từ một lớp nào đó. Một lớp sau khi được tiến hành thực thể hóa để có một đối tượng cụ thể gọi là một thực thể. Hay nói ngược lại một thực thể là một đối tượng riêng lẽ của một lớp đã định trước. Như các biến thông thường, hai thực thể của cùng một lớp có thể có trạng thái nội tại khác nhau (xác định bởi các giá trị hiện có của các biến nội tại) và do đó hoàn toàn độc lập nhau nếu không có yêu cầu gì đặc biệt từ người lập trình.

Công cộng (public): Công cộng là một tính chất được dùng để gán cho các phương thức, các biến nội tại, hay các lớp mà khi khai báo thì người lập trình đã cho phép các câu lệnh bên ngoài cũng như các đối tượng khác được phép dùng đến nó. Thí dụ: Trong C++ khai báo public: int my_var; thì biến my_var có hai tính chất là tính công cộng và là một integer cả hai tính chất này hợp thành đặc tính của biến my_var khiến nó có thể được sử dụng hay thay đổi giá trị của nó (bởi các câu lệnh) ở mọi nơi bên ngoài lẫn bên trong của lớp.

Riêng tư (private): Riêng tư là sự thể hiện tính chất đóng mạnh nhất (của một đặc tính hay một lớp). Khi dùng tính chất này gán cho một biến, một phương thức thì biến hay phương thức đó chỉ có thể được sử dụng bên trong của lớp mà chúng được định nghĩa. Mọi nỗ lực dùng trực tiếp đến chúng từ bên ngoài qua các câu lệnh hay từ các lớp con sẽ bị phủ nhận hay bị lỗi.

Bảo tồn (protected): Tùy theo ngôn ngữ, sẽ có vài điểm nhỏ khác nhau về cách hiểu tính chất này. Nhìn chung đây là tính chất mà khi dùng để áp dụng cho các phương thức, các biến nội tại, hay các lớp thì chỉ có trong nội bộ của lớp đó hay các lớp con của nó (hay trong nội bộ một gói như trong Java) được phép gọi đến hay dùng đến các phương pháp, biến hay lớp đó. So với tính chất riêng tư thì tính bảo tồn rộng rãi hơn về nghĩa chia sẻ dữ liệu hay chức năng. Nó cho phép một số trường hợp được dùng tới các đặc tính của một lớp (từ một lớp con chẳng hạn). Lưu ý: Các tính chất cộng cộng, riêng tư và bảo tồn đôi khi còn được dùng để chỉ thị cho một lớp con cách thức kế thừa một lớp cha như trong C++.

Đa kế thừa (multiple inheritance): Đây là một tính chất cho phép một lớp con có khả năng kế thừa trực tiếp cùng lúc nhiều lớp khác. Vài điểm cần lưu ý khi viết mã dùng tính chất đa kế thừa:

• Khi muốn có một sự kế thừa từ nhiều lớp cha thì các lớp này cần phải độc lập và đặc biệt tên của các dữ liệu hay hàm cho phép kế thừa phải có tên khác nhau để tránh lỗi "ambiguity". Bởi vì lúc đó trình dịch sẽ không thể xác định được là lớp con sẽ thừa kế tên nào của các lớp cha.
• Nhiều ngôn ngữ, ví dụ như Java, không có đa thừa kế, nhưng chúng có khái niệm giao diện Interface. Với Giao diện, ta có thể có hầu hết các lợi ích mà đa thừa kế mang lại.

Ví dụ: Lớp CHocSinh

#include <conio.h>
#include <stdio.h>
class CHocSinh
{
  private:
    char hoten[30];
    int toan;
    int van;
    float dtb;
  public:
    void Nhap();
    void XuLy();
    void Xuat();
}
void CHocSinh::Xuat()
{
  printf(“Ho ten: %s“,hoten);
  printf(“Diem toan: %d“,toan);
  printf(“Diem van: %d“,van);
  printf(“Diem trung binh: %f”, dtb);
}
void CHocSinh::Nhap()
{
  printf(“Nhap ho ten: “);
  gets(hoten);
  printf(“Diem toan: “);
  scanf(“%d”,&toan);
  printf(“Diem van: “);
  scanf(“%d”,&van);
}
void CHocSinh::XuLy()
{
  dtb = (float)(toan + van)/2;  
}
void main()
{
  CHocSinh hs;
  hs.Nhap();
  hs.XuLy();
  hs.Xuat();
}

(Theo Wikipedia)