Разработка программных модулей программного обеспечения для компьютерных систем

Введение
Разработка программных модулей является фундаментальным этапом в создании компьютерных систем, обеспечивая их функциональность и расширяемость. В данном контексте, мы рассмотрим разработку программных модулей, ориентированных на различные языки программирования, такие как Java, C++, C# и PHP.
Системы объектно-ориентированного программирования (ООП) играют ключевую роль в этом процессе, обеспечивая структурирование кода, повторное использование компонентов и более высокий уровень абстракции. В Java и C++, ООП является неотъемлемой частью разработки, позволяя создавать классы, объекты и наследование для организации кода.
Основы языка C# открывают перед разработчиками мощные инструменты для создания модулей, включая поддержку ООП, управление памятью и множество библиотек для работы с разнообразными задачами.
В свою очередь, язык программирования PHP предназначен для разработки веб-приложений и обладает особенностями, направленными на работу с веб-серверами и базами данных.
В данном исследовании мы рассмотрим ключевые аспекты разработки программных модулей, сфокусировавшись на использовании систем ООП в Java и C++, а также рассмотрим основы языка C# и особенности PHP в контексте создания модулей для компьютерных систем.


Раздел 1. Система ООП JAVA.
Тема 1.1 Система ООП JAVA.
Синтаксис языка
Java является объектно-ориентированным языком. Это означает, что писать программы на Java нужно с применением объектно-ориентированного стиля. И стиль этот основан на использовании в программе объектов и классов.
Синтаксис языка Java - это набор правил и структур, которые определяют, как писать программы на этом языке. Вот ключевые элементы синтаксиса Java:
• Классы и Объекты: Java является объектно-ориентированным языком, где программа строится вокруг классов и объектов. Классы определяют шаблоны объектов, а объекты - их экземпляры.
• Переменные и Типы данных: Java поддерживает различные типы данных, такие как целые числа, числа с плавающей запятой, символы и булевы значения. Переменные используются для хранения данных.
• Операторы: Java включает в себя операторы для выполнения математических операций, сравнения и логических действий.
• Условные операторы: Для принятия решений в программах используются условные операторы, такие как if, else if и switch.
• Циклы: Java предоставляет циклы, такие как for, while и do-while, для выполнения повторяющихся действий.
• Массивы: Массивы позволяют хранить множество элементов одного типа данных в одной переменной.
• Методы: Методы - это функции в Java, которые выполняют определенные действия. Они могут быть вызваны из других частей программы.
• Исключения: Для обработки ошибок и исключительных ситуаций в Java используются блоки try, catch и finally.
• Наследование и Полиморфизм: Java поддерживает наследование, где один класс может наследовать свойства и методы от другого класса. Это также связано с полиморфизмом.
• Интерфейсы и Абстрактные классы: Java позволяет создавать интерфейсы и абстрактные классы для определения общих методов и свойств, которые должны быть реализованы в дочерних классах.
• Обработка строк: Java предоставляет множество операций для работы со строками, включая конкатенацию, поиск и изменение.
Все эти элементы синтаксиса Java являются основными для написания программ.
Объекты и классы
Класс – это шаблон для объекта. Он определяет, как объект будет выглядеть и какими функциями обладать. Каждый объект является объектом какого-то класса.
Метод класса - это блок кода, состоящий из ряда инструкций, который можно вызывать по его имени. Он обязательно содержит возвращаемый тип, название, аргументы и тело метода.
Шаблоном или описанием объекта является класс, а объект представляет экземпляр этого класса. Можно еще провести следующую аналогию. У нас у всех есть некоторое представление о человеке - наличие двух рук, двух ног, головы, туловища и т.д. Есть некоторый шаблон - этот шаблон можно назвать классом. Реально же существующий человек (фактически экземпляр данного класса) является объектом этого класса.
Класс определяется с помощью ключевого слова сlass. Для хранения состояния объекта в классе применяются поля или переменные класса. Для определения поведения объекта в классе применяются методы.
Как правило, классы определяются в разных файлах. В данном случае для простоты мы определяем два класса в одном файле. Стоит отметить, что в этом случае только один класс может иметь модификатор public, а сам файл кода должен называться по имени этого класса (Рисунок 1).

Рисунок 1 “Пример взаимодействия объектов и классов”
Числа, строки и даты
Java предоставляет различные типы данных для работы с числами (Рисунок 2), включая:
1. Целые числа:
• byte: 8-битное знаковое целое число.
• short: 16-битное знаковое целое число.
• int: 32-битное знаковое целое число (наиболее распространенный).
• long: 64-битное знаковое целое число.
2. Десятичные числа:
• float: 32-битное число с плавающей запятой.
• double: 64-битное число с плавающей запятой.
Например:
int integerNumber = 42;
double doubleNumber = 3.14;
Строки в Java представлены классом String. Также можно создавать строки и выполнять различные операции с ними, такие как конкатенация и поиск подстрок.
Например:
String hello = "Привет!";
String concatResult = hello + " Как дела?";
int stringLength = hello.length();
Java предоставляет классы для работы с датами и временем в пакете java.time. Наиболее важные классы включают в себя:
• LocalDate: Представляет дату.
• LocalTime: Представляет время.
• LocalDateTime: Представляет комбинацию даты и времени.
• DateTimeFormatter: Используется для форматирования и разбора даты и времени.

Рисунок 2 “Структура типов данных в Java”
В Java, работа с числами, строками и датами представляет собой фундаментальные аспекты программирования. Выбор подходящих типов данных для чисел и умение выполнять операции с ними критически важны. Строки позволяют манипулировать текстовой информацией, а работа с датами и временем, облегчает управление временными данными и форматирование.
Массивы и коллекции
В языке Java есть два типа конструкций, предназначенных для хранения нескольких значений или объектов одного типа: массивы и коллекции (Рисунок 3).
Массивы - это простые конструкции фиксированного размера, и поэтому они могут хранить только заданное количество элементов. Массивы встроены в ядро языка Java, и используемый при работе с ними синтаксис Java очень прост и понятен. Например, чтобы получить элемент массива с номером n, вам нужно вызвать функцию array[n]. Коллекции - это более сложный, но в то же время более гибкий тип данных. Прежде всего, размер коллекции можно изменять: вы можете добавлять в коллекцию любое количество элементов. Коллекции автоматически обрабатывают удаление элемента из любой позиции. В языке Java существует несколько типов коллекций с различной внутренней структурой хранения (линейная, список, хэш-набор, дерево элементов и другие). Вы можете выбрать тот тип коллекции, который лучше подходит для вашей задачи, чтобы наиболее часто используемые вами операции выполнялись наиболее эффективно. Коллекции - это Java классы, и для получения, например, nого элемента из коллекции collection типа ArrayList нужно будет вызвать метод collection.get(n).
Важно, что индексы в массивах и коллекциях Java начинаются с 0, а не с 1. В массиве или коллекции, состоящей из 10 элементов, индекс первого элемента 0, а последнего 9.

Рисунок 3 “Массивы и коллекции в Java”
Наследование и полиморфизм
Объектно-ориентированное программирование (ООП) - подход к созданию программ, основанный на использовании классов и объектов, взаимодействующих между собой (Рисунок 4).
Класс описывает устройство и поведение объектов. Устройство описывается через набор характеристик, а поведение – через набор доступных для объектов операций (методов). Классы можно создавать на основе уже имеющихся, добавляя или переопределяя свойства и методы.
Наследование является неотъемлемой частью Java. При использовании наследования принимается во внимание, что новый класс, наследующий свойства базового (родительского) класса имеет все те свойства, которым обладает родитель. В коде используется операнд extends, после которого указывается имя базового класса. Тем самым открывается доступ ко всем полям и методам базового класса.
Используя наследование, можно создать общий "java class", который определяет характеристики, общие для набора связанных элементов. Затем можно наследоваться от него и создать дополнительные классы, для которых определить дополнительные уникальные для них характеристики.
Главный наследуемый класс в Java называют суперклассом super. Наследующий класс называют подклассом. Таким образом подкласс - это специализированная версия суперкласса, которая наследует все свойства суперкласса и добавляет свои собственные уникальные элементы.
Полиморфизм является одним из фундаментальных понятий в объектно-ориентированном программировании наряду с наследованием и инкапсуляцией. Слово полиморфизм греческого происхождения и означает "имеющий много форм". Чтобы понять, что означает полиморфизм применительно к объектно-ориентированному программированию, рассмотрим пример создания векторного графического редактора, в котором необходимо использовать ряд классов в виде набора графических примитивов - Square, Line, Circle, Triangle, и т.д. У каждого из этих классов необходимо определить метод draw для отображения соответствующего примитива на экране.

Рисунок 4 “Схема наследования и полиморфизма”
Особенности ООП в Java
Рассмотрим некоторые особенности объектно-ориентированного программирования (ООП) (Рисунок 5) на языке Java:
• Классы и объекты: Java поддерживает определение классов, которые служат как шаблоны для создания объектов. Объекты представляют экземпляры классов.
• Инкапсуляция: ООП в Java позволяет скрыть детали реализации и обеспечивает доступ к данным через методы (геттеры и сеттеры), что повышает безопасность и уровень абстракции.
• Наследование и полиморфизм: В предыдущем пункте мы уже подробно рассматривали данные особенности. Java поддерживает наследование, позволяя классам наследовать свойства и методы других классов. Это способствует повторному использованию кода и иерархии классов. А полиморфизм означает, что разные объекты могут иметь одинаковые методы, но действовать по-разному. Это упрощает обработку различных типов данных.
• Абстракция: Java позволяет создавать абстрактные классы и интерфейсы, которые определяют общие методы, но не предоставляют их реализацию. Это помогает создавать структуры с общими чертами.
• Пакеты: Классы и интерфейсы в Java организуются в пакеты, что упрощает управление большими проектами и предотвращает конфликты имен.
• Обработка исключений: Java предоставляет механизм обработки исключений, который позволяет более эффективно управлять ошибками в программе.
• Многопоточность: Язык Java обеспечивает поддержку многопоточности, позволяя одновременно выполнять разные части программы.
• Стандартная библиотека: Java имеет обширную стандартную библиотеку, предоставляющую множество классов и методов для разработчиков.
Приведенные особенности делают Java мощным языком программирования для разработки сложных приложений с использованием принципов ООП.

Рисунок 5 “Особенности ООП в Java”
Исключения, отладка, тестирование и логирование
Исключения в Java представляют собой события, которые могут возникнуть во время выполнения программы и прервать ее нормальное выполнение. Исключения позволяют обработать ошибки и исключительные ситуации (Рисунок 6). Для обработки исключений используются конструкции try, catch и finally.

Рисунок 6 “Исключения в Java”
Отладка - это процесс выявления и устранения ошибок в коде. В Java для отладки можно использовать интегрированные среды разработки (IDE), такие как Eclipse или IntelliJ IDEA. Они предоставляют средства для установки точек останова, шаг-за-шагом выполнения кода и анализа значений переменных (Рисунок 7).

Рисунок 7 “Пример построчной отладки в Java”
Тестирование - важная часть разработки в Java. Оно позволяет проверить, что код работает правильно. В Java используются различные фреймворки для тестирования, такие как JUnit. Тесты помогают выявить ошибки и убедиться в корректности работы программы (Рисунок 8).

Рисунок 8 “Структура тестирования в Java”
Логирование - процесс записи информации о работе приложения. В Java для логирования часто используется библиотека Log4j или SLF4J. Логи помогают отслеживать работу приложения, выявлять проблемы и анализировать его поведение (Рисунок 9).