Programmation Orientée Objet

Contexte

La programmation orientée-objet est un paradigme de programmation (un “style” de conception de programmes) au même titre que

la programmation impérative (/structurée/procédurale),
la programmation fonctionnelle,
la programmation logique,
…

Exemples

impératif: C, Fortran, Assembleur, …
fonctionnel: Haskell, F#, Reason, Scheme, …
objet: Java, C#, Ruby, Smalltalk, …
multi-paradigmes: Scala, C++, OCaml, Python, …

Un unique paradigme objet ?

Non ! De multiples modèles objets déterminés par

une collection de traits distincts,
mais des emphases/variantes significatives,
et une dimension culturelle/historique forte …

Pas de consensus universel, mais des caractéristiques communes !

Un peu d’histoire

(a propos du système Oberon)

“A lot of the developers and managers at Apple were gathered around watching a presentation from someone about some wonderful new product that would save the world. All through the presentation, he had been stating that the product was object-oriented while he blathered on.”

Finally, someone at the back of the room piped up:

“So, this product doesn’t support inheritance, right?”
“that’s right”.
“And it doesn’t support polymorphism, right?”
“that’s right”
“And it doesn’t support encapsulation, right?”
“that’s correct”.

“So, it doesn’t seem to me like it’s object-oriented”.

To which the presenter huffily responded,

“Well, who’s to say what’s object-oriented and what’s not?”

At this point the person replied,

“I am. I’m Alan Kay and I invented the term.”

(Source: “He invented the term”)

Alan Kay, créateur du langage Smalltalk (1972).
inspiré par le langage Simula (1960s),
le “premier langage orienté objet”.
Bjarne Stroustrup (créateur de C++) et James Gosling (créateur de Java) ont également reconnu l’influence majeure de Simula.

Voir: The Early History of Smalltalk

“I made up the term ‘object-oriented’,
and I can tell you I didn’t have C++ in mind.”
Alan Kay, OOPSLA ‘97

Source: The Forgotten History of OOP

Caractéristiques

“OOP to me means only messaging, local retention and protection and hiding of state-process, and extreme late-binding of all things.”

Alan Kay.

“Bestiaire”

Termes fréquents: envoi de messages, encapsulation, attachement dynamique, classes, instances, champs, méthodes, héritage, polymorphisme, composition, délégation, …

Les classes en Java

Classes Instances

Exemple – La classe `Point` (2D)

2 champs : x et y (valeurs numériques)
1 méthode “spéciale”: le constructeur
1 méthode “normale”: distance (à l’origine)

Champs (attributs)

class Point {
  double x, y;
  ...
}

Constructeur

class Point {
  ...
  Point(double x, double y) {
    this.x = x;
    this.y = y;
  }
  ...
}

Méthode

class Point {
  ...
  double distance() {
    double x = this.x;
    double y = this.y;
    return Math.sqrt(x*x + y*y);
  }
}

Instanciation

Point point = new Point(1.0, 2.0);

Accès au champs

Lecture :

double x = point.x;
double y = point.y;

Ecriture :

point.x = 1.0;
point.y = 2.0;

Appel de méthode

double distance = point.distance();

Avec JShell (Java 9+)

jshell> /open Point.java
jshell> Point point = new Point(1.0, 2.0)
point ==> Point@238e0d81
jshell> point.x
$1 ==> 1.0
jshell> point.distance()
$2 ==> 2.23606797749979

Avec le “Code Pad” de BlueJ

> Point point = new Point(1.0, 2.0);
> point
<object reference> (Point)
> point.distance()
2.23606797749979 (double)

/ Avec Jython

>>> import Point
>>> point = Point(1.0, 2.0)
>>> point.distance()
2.23606797749979

Les classes à travers les langages

Python

class Point:
    def __init__(self, x, y):
        self.x = x; self.y = y
    def distance(self):
        return math.sqrt(self.x**2 + self.y**2)

>>> point = Point(1.0, 2.0)
>>> point.x
1.0
>>> point.distance()
2.23606797749979

Ruby

class Point
  def initialize(x, y)
    @x = x; @y = y
  end
  def distance 
    Math.sqrt(@x**2 + @y**2)
  end
end

irb> point = Point.new 1.0, 2.0
=> #<Point @x=1.0, @y=2.0>
irb> point.x
NoMethodError: undefined method 'x' for #<Point:0x00000001223ef8 @x=1.0, @y=2.0>
irb> point.distance
=> 2.23606797749979

Javascript (prototype)

function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

Point.prototype.distance = function () {
  return Math.sqrt(this.x**2 + this.y**2);
}

> point = new Point(1.0, 2.0)
Point { x: 1, y: 2 }
> point.x
1
> point.distance()
2.23606797749979

Prototypes

Usage: Javascript, Lua, Self.

Voir aussi: Prototypes in JavaScript

Coffeescript

class Point
  constructor: (@x, @y) ->

  distance: ->
    Math.sqrt(@x**2 + @y**2)

coffee> point = new Point 1.0, 2.0
Point { x: 1, y: 2 }
coffee> point.x
1
coffee> point.distance()
2.23606797749979

Javascript (classe)

class Point {
  constructor(x, y) {
    this.x = x; this.y = y;
  }
  distance() {
    return Math.sqrt(this.x**2 + this.y**2);
  }
}

> point = new Point(1.0, 2.0)
Point { x: 1, y: 2 }
> point.x
1
> point.distance()
2.23606797749979

Encapsulation

“désigne le principe de regrouper des données brutes avec un ensemble de routines permettant de les lire ou de les manipuler.”
“(…) souvent accompagné du masquage de ces données brutes afin de s’assurer que l’utilisateur ne contourne pas l’interface qui lui est destinée.”
“L’ensemble se considère alors comme une boîte noire ayant un comportement et des propriétés spécifiés.”

Encapsulation – Bénéfices

Architecture. Le logiciel est réalisé par assemblage de composants – plus ou moins autonomes – pour réduire la complexité de l’ensemble.
Abstraction & Découplage. Ce que fait un objet (son interface) est plus important que comment il le fait (son implémentation) ; cette “ignorance sélective” contribue à abaisser la complexité (visible) de chaque composant.

Les mots-clés

public, protected, private

contrôlent l’accès aux attributs et méthodes.

En cas de champ XXX non-public, on peut permettre son accès contrôlé à travers de fonctions (accesseurs).

Par exemple :

private XXX xxx;
public XXX getXXX() { ... };
public void setXXX(XXX xxx) { ... };

Exemple en Python : Fractions

Spécification (boîte noire):

>>> Fraction(7)
7
>>> Fraction(2, 3)
2/3
>>> Fraction(1, 3) + Fraction(1, 6)
1/2
...

Constructeur

class Fraction:
    def __init__(self, num, den=1):
        self._num = num
        self._den = den
        self._simplify()

Méthode utilitaire

    def _simplify(self):
        gcd = math.gcd(self._num, self._den)
        self._num = self._num / gcd
        self._den = self._den / gcd
        if self._den < 0:
            self._num = - self._num
            self._denom = - self._denom

Méthode d’addition

    def __add__(self, other):
        num = self._num * other._den + \
              other._num * self._den
        den = self._den * other._den
        return Fraction(num, den)

Méthode de représentation

    def __repr__(self):
        if self._den == 1:
            return f"{self._num}"
        else:
            return f"{self._num}/{self._den}"

Les données des fractions sont stockées dans les attributs (ou champs) _num et _den,
Les méthodes __init__, simplify, __add__, … permettent de les manipuler.

En Python :

Le caractère privé des données ou méthodes est indiqué par une convention : l’identifiant commence par un caractère de soulignement.
Seules les méthodes de l’objet devraient accéder au champ _num ou appeler la méthode _simplify.

Vous pouvez décider de ne pas vous conformer à cette indication à vos risque et périls (“We are all consenting adults”)

Par exemple:

>>> f = Fraction(4, 6)
>>> f._num = 7
>>> f 
???

Selon le langage, l’accès aux données peut être rendu possible – de façon controllée – par des accesseurs (méthodes) et/ou des propriétés.

En Python (lecture seule ou “getter”):

def get_numerator(self):
    return self._num

et optionnellement:

numerator = property(get_numerator)

Usage:

>>> f = Fraction(2, 3)
>>> f.get_numerator()
2
>>> f.numerator
2

Envoi de Messages

Assemblage / Architecture

Les “objets” communiquent par envoi de messages.

Objet = “Acteur”

“(…) considère les acteurs comme les seules fonctions primitives nécessaires pour la programmation concurrente.
Les acteurs communiquent par échange de messages. En réponse à un message, un acteur peut effectuer un traitement local, créer d’autres acteurs, ou envoyer d’autres messages.”

Modèle Acteur

“Actors systems research was based on the assumption that massively parallel, distributed, computer systems could become prevalent, and therefore a convenient and efficient way to structure a computation was as a large number of self contained processes, called actors, communicating by sending messages to each other.”

Smalltalk wiki

“I realised that Erlang was the only true OO language
– the big thing about OO is message passing –
Java/C++ are not OO.”

Joe Armstrong

Références

Interprétation en Java

Interpréter oldVal = map.put(key, val) comme :

l’envoi du message "put",
contenant les données key et val (payload),
à l’objet map,
qui répond oldValue.

Héritage et Polymorphisme

Un concept fondamental ?

“Unfortunately, inheritance – though an incredibly powerful technique – has turned out to be very difficult for novices (and even professionals) to deal with.”
Alan Kay

(Smalltalk-72 n’a pas d’héritage)

What does Alan Kay think about inheritance in object-oriented programming?

Bénéfices de l’Héritage

Compatible avec le modèle objet (aggrégation/encapsulation de données et de code),
Réutilisation/Extension (sans modification) de code,
Flexibilité (polymorphisme & attachement dynamique).

L’héritage en Java

Il repose sur les classes et les interfaces,
Les obligations du programmeur sont vérifiées par le compilateur (en partie).

Retour au `Point`

public class Point {
  private double x;
  private double y;
  public Point(double x, double y) {
    this.x = x;
    this.y = y;
  }
  ...
}

Affichage des points

Le code

Point point = new Point(1.0, 2.0); 
java.lang.System.out.println(point);

affiche

Point@76ed5528

D’où cette fonctionnalité “gratuite” vient-elle ?

Le code précédent est équivalent à

Point point = new Point(1.0, 2.0);
String string = point.toString(); 
java.lang.System.out.println(string);

Tous les objets Java peuvent être convertis en une chaîne de caractères,
Il existe une implémentation par défaut de cette méthode,
Elle est héritée de la classe Object.

`Object`

Object object = new Object();
String string = object.toString();
java.lang.System.out.println(string)
// --> java.lang.Object@2c7b84de

(Documentation Object.)

Toute classe dérive d’`Object`

Notre classe Point aurait pu être définie comme

public class Point extends Object {
  ...
}

(Le extends Object est implicite.)

Point point = new Point(1.0, 2.0);
point instanceof Object // --> true

Les instances de Point disposent donc gratuitement (héritent) des méthodes implémentées par Object :

String toString()
boolean equals(Object object)
Object clone()
…

API : https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html

Dans Object, toString est implémentée comme

String toString() {
  String className = this.getClass().getName();
  int hash = this.hashCode();
  String hexString = Integer.toHexString(hash);
  return className + "@" + hexString;
}

Redéfinir `toString`

public class Point extends Object {
  ...
  public String toString() {
    return "Point(" + this.x + ", " + this.y + ")";
  }
  ...
}

System.out est un PrintStream, avec les méthodes :

println(String x)
println(Object x)
…

(documentation)

System.out.println:

accepte les instances d’Object, donc accepte toute instance dérivée, donc les Points (polymorphisme d’héritage).
ignore lorsqu’il invoque x.toString() quelle méthode est effectivement exécutée, celle d’Object ou d’une classe dérivée (liaison dynamique).

Méthodes Virtuelles

Les méthodes Java sont virtuelles : à l’exécution, les appels de fonctions sont déléguées aux classes dérivées quand les méthodes sont définies.

Point point = new Point(1.0, 2.0);
java.lang.System.out.println(point);  
// --> Point(1.0, 2.0)

est équivalent à

Object pointAsObject = new Point(1.0, 2.0);
java.lang.System.out.println(pointAsObject); 
// --> Point(1.0, 2.0)

Contraintes liées à l’héritage

Stricto sensu, Java ne permet pas l’héritage multiple : une seule classe parent est autorisée. Les hiérarchies de classes sont donc linéaires.

Mais les interfaces, similaires aux classes par certains aspects, permettent de contourner cette limitation.

Interfaces

Les interfaces sont des “contrats”, des engagements que votre classe s’engage à tenir.

Par exemple, une classe implémentant l’interface

// fichier XML.java
interface XML {
  public String toXML();
}

s’engage à fournir une méthode toXML donnant la représentation de ses instances comme chaîne de caractères XML.

Le compilateur Java va vérifier que vous remplissez votre contrat : compiler

public class Point implements XML { 
  // sans la méthode toXML
}

produit

error: Point is not abstract and does not override abstract method toXML() in XML

Par contre, il ne va pas s’opposer à ce que votre fonction retourne une chaîne de caractères qui ne serait pas du XML !
Seule la partie vérifiable du contrat est prise en charge par la compilateur. Attention au “contrat moral” qui peut venir en plus ; il est important de bien lire la documentation des interfaces !

public class Point implements XML {
  ...
  public String toXML() {
    return "<Point " +
            + "x='" + x + "' " 
            + "y='" + y + "'" 
            + "></Point>";
  ...
}

java.lang.System.out.println(point.toXML()); 
//  --> <Point x='1.0' y='2.0'></Point>

Similarité des interfaces avec les classes

Hiérarchie de classes et d’interface similaires (on peut étendre une interface en une autre interface).

Conversions avec des mécanismes similaires :

Classe c = instanceClasseDerivee;
Interface i = instanceInterfaceDerivee;
Interface j = instanceClasseImplementantInterface

Conversions

Si les upcasts peuvent être implicites, les downcasts doivent être explicites (du type général vers le type spécifique) et peuvent échouer à l’exécution.

Object object =  "Hello world!";  
String string = (String) object; // OK
object = 1; // Integer
string = (String) object; // !!! erreur

Instanciation

On n’instancie pas directement une interface :
```
Interface x = new Interface(); // non !
```

Il faut créer une classe qui implémente l’interface

class C implements Interface { ... }
Interface x = new C();

Différences avec les classes

déclaration de méthodes uniquement
(hors champs public static final)
les méthodes sont toutes publiques,
pas d’implémentation (hors méthodes default)

héritage/implémentation d’interfaces multiples :

interface I1 extends I2, I3 { ... }
class C implements I2, I3 { ... }

Classe ou Interface ?

Hériter de – ou étendre – LinkedList, une classe :

import java.util.LinkedList;
public class MyList extends LinkedList<Integer> {
  public String toString() {
      return "<" + super.toString() + ">";
  }
}

Permet de réutiliser son implémentation.

class Main {
  public static void main(String[] arg) {
    MyList list = new MyList();
    list.add(1);
    list.add(2);
    java.lang.System.out.println(list);
  }
}

Exécution

$ java Main
<[1, 2]>

“Refactoring”

class Main {
  public static void main(String[] arg) {
    MyList list = new MyList();
    Main.addOneTwo(list);
  }
...

...
  public static void addOneTwo(MyList list) {
    list.add(1);
    list.add(2);
    java.lang.System.out.println(list);
  }
}

Mais la fonction addOneTwo ne peut être utilisée qu’avec les instances de MyList (ou qui en dérivent).

Son usage est donc (trop) limité …

Alternative – Interfaces

La classe LinkedList implémente de nombreuses interfaces (ou “contrats” vérifiés par le compilateur):

Serializable, Cloneable, …, Deque, List, Queue
En implémentant List<E>, la classe LinkedList<E> garantit qu’elle implémente la méthode add:
```
boolean add(E e)
```

import java.util.List;
...
  public static void addOneTwo(List<Integer> list) {
    list.add(1);
    list.add(2);
    System.out.println(list);
  }
}

Polymorphisme

Toutes les classes implémentant List sont désormais susceptibles d’utiliser addOneTwo :

MyList, LinkedList<Integer>, Vector<Integer>, etc.

En Python

La classe `list`

>>> l = [1, 2, 3]
>>> l
[1, 2, 3]
>>> type(l)
<class 'list'>
>>> sum(l)
6

Ma classe `List` (usage)

>>> l = List([1, 2, 3])
>>> l
<[1, 2, 3]>
>>> type(l)
<class 'List'>
>>> sum(l)
6

la représentation de ma liste a changé,
ainsi que son type, List et non list,
mais pas le reste des fonctionnalités.

en héritant de la class list, on peut réutiliser ses fonctionnalités,
on peut également enrichir ou modifier (redéfinir) ses comportements.

Ma classe `List` (implementation)

class List(list):
    def __repr__(self):
        return "<" + super().__repr__() + ">"

Polymorphisme

def display(item):
    print("L'objet item est:" + repr(item))

(repr appelle la méthode __repr__ de item)

le code de display ne permet pas de dire quelle implémentation de __repr__ va être utilisée (attachement dynamique/tardif).
le “contrat moral” est d’utiliser comment argument un objet représentable.
tous les types d’objets respectant cette contrainte peuvent être utilisés comme argument (polymorphisme).

En l’absence de méthode __repr__ spécifique dans votre classe, Python va se tourner vers les classes dont elle hérite (object par défaut).

>>> class NoRepr:
...     pass
>>> nr = NoRepr()
>>> nr
<__main__.NoRepr object at 0x7f0a620cb588>

>>> class List(list):
...     pass
>>> l = List()
>>> l
[]

“Duck Typing”

(CC BY-SA 3.0, Link)

L’argument doit passer le test du canard:

“If it looks like a duck, swims like a duck, and quacks like a duck, then it probably is a duck.”
S’il échoue, une exception se produit (elle peut être gérée par le programme).

Alternatives à l’Héritage: Composition

class List:
    def __init__(self, items):
        self.l = list(items)

C’est avoir une liste (et non pas être une liste).

Délegation

On peut “être une liste” sans hériter de list:

class List:
    def __init__(self, items):
        self.l = list(items)
    def __repr__(self):
        return self.l.__repr__()
    def __iter__(self):
        return self.l.__iter__()
    ...

Programmation Orientée Objet

Contexte

Exemples

Un unique paradigme objet ?

Un peu d’histoire

Caractéristiques

“Bestiaire”

Les classes en Java

Classes Instances

Exemple – La classe Point (2D)

Champs (attributs)

Constructeur

Méthode

Instanciation

Accès au champs

Appel de méthode

Avec JShell (Java 9+)

Avec le “Code Pad” de BlueJ

/ Avec Jython

Les classes à travers les langages

Python

Ruby

Javascript (prototype)

Prototypes

Coffeescript

Javascript (classe)

Encapsulation

Encapsulation

Encapsulation – Bénéfices

Exemple en Python : Fractions

Envoi de Messages

Objet = “Acteur”

Références

Interprétation en Java

Héritage et Polymorphisme

Un concept fondamental ?

Bénéfices de l’Héritage

L’héritage en Java

Retour au Point

Affichage des points

Object

Toute classe dérive d’Object

Redéfinir toString

Méthodes Virtuelles

Contraintes liées à l’héritage

Interfaces

Similarité des interfaces avec les classes

Conversions

Instanciation

Différences avec les classes

Classe ou Interface ?

Exécution

“Refactoring”

Alternative – Interfaces

Polymorphisme

En Python

La classe list

Ma classe List (usage)

Ma classe List (implementation)

Polymorphisme

“Duck Typing”

Alternatives à l’Héritage: Composition

Délegation

Exemple – La classe `Point` (2D)

Retour au `Point`

`Object`

Toute classe dérive d’`Object`

Redéfinir `toString`

La classe `list`

Ma classe `List` (usage)

Ma classe `List` (implementation)