Инкапсуляция в программировании

10 мин

343

Инкапсуляция данных – один из ключевых принципов ООП. Узнайте, как инкапсуляция упрощает разработку, повышает безопасность и делает код более понятным. Подробное описание, примеры реализации и разбор частых вопросов в нашей статье.

Что такое инкапсуляция в ООП

Инкапсуляция — это принцип объектно-ориентированного программирования (ООП), который предполагает объединение данных с методами, которые с ними работают, в единое целое. Еще иногда говорят, что данные помещаются в «оболочку», так как инкапсуляция — это также способ скрыть внутреннюю реализацию и ограничить доступ к составляющим объекта так, чтобы избежать их нежелательного чтения, изменения и удаления.

Инкапсуляция в Java

В Java инкапсуляция реализуется путем создания геттеров и сеттеров и применения модификаторов доступа. Ниже они представлены от наименее к наиболее строгим:

public;
protected;
default;
private.

Ниже представлен простой пример реализации этого принципа в Java:

// Класс Книга

class Book

{

// Инкапсуляция свойств названия книги и ее автора — эти свойства будут доступны только через

// методы

    private String title;

    private String author;

// Геттер, который возвращает название книги, он будет доступен за пределами объектов класса

    public String getTitle()

    {

        return title;

    }

// Сеттер, который устанавливает название книги

    public void setTitle(String title)

    {

        this.title = title;

    }

// Геттер, который возвращает имя автора книги

    public String getAuthor()

    {

        return author;

    }

// Сеттер, который устанавливает имя автора

    public void setAuthor(String author)

    {

        this.author = author;

    }

}

// Класс Библиотека

public class Library

{

    public static void main(String[] args)

    {

// Создание объекта класса Книга с использованием сеттеров, устанавливающих название и имя автора

        Book book = new Book();

        book.setTitle("Мастер и Маргарита");

        book.setAuthor("Михаил Булгаков");

// Использование геттеров, которые возвращают название книги и имя автора

        System.out.println("Название: " + book.getTitle());

        System.out.println("Автор: " + book.getAuthor());

    }

}

// Вывод: Название: Мастер и Маргарита

    Автор: Михаил Булгаков

java

Этот пример демонстрирует то, как можно управлять доступом к свойствам через методы. Читать и изменять значения свойств title и author напрямую нельзя, это можно сделать, только вызывая методы getTitle, setTitle, getAuthor и setAuthor.

Инкапсуляция в Python

В Python модификаторов доступа не существует. Поэтому инкапсуляция основана на соглашении, которое предписывает именовать атрибуты, начиная с одного (атрибут является защищенным; можно сказать, что это своеобразный аналог protected) или двух (доступ к атрибуту извне запрещен, аналог private) подчеркиваний. Два подчеркивания «включают» name mangling, который усложняет доступ к атрибутам извне, однако и это не является строгой защитой данных. Отсутствие подчеркиваний эквивалентно public.

Рассмотрим небольшой пример:

class Student:

    # Конструктор

    def __init__(self, name, best_grade):

        # Имя будет public

        self.name = name

        # Лучшая оценка будет private

        self.__best_grade = best_grade

# Создание объекта класса Студент

student = Student('Мария', 5)

# Попытка получить доступ к свойству __best_grade

print('Лучшая оценка:', student.__best_grade)

# Вывод: AttributeError: 'Student' object has no attribute '__best_grade'

Инкапсуляция в C++

В C++ инкапсуляция реализуется также с помощью модификаторов доступа и методов для работы со свойствами.

Рассмотрим пример, подобный примеру реализации этого принципа в Java (про классы Книга и Библиотека):

#include <iostream> 

#include <string>   

using namespace std;

class Book

{

  private:

    // Инкапсуляция свойств названия и автора книги

    string title;

    string author;

  public:

    // Конструктор

    Book(string title, string author)

    {

        this->title = title;

        this->author = author;

    }

    // Сеттер для установки названия книги

    void setTitle(string title)

    {

        this->title = title;

    }

    // Геттер для получения названия книги

    string getTitle()

    {

        return title;

    }

    // Сеттер для установки автора книги

    void setAuthor(string author)

    {

        this->author = author;

    }

    // Геттер для получения автора книги

    string getAuthor()

    {

        return author;

    }

};

int main()

{

    // Создание объекта класса Книга

    Book book("Мастер и Маргарита", "Михаил Булгаков");

    // Использование геттеров

    cout << "Название: " << book.getTitle() << endl;

    cout << "Автор: " << book.getAuthor() << endl;

    // Установка значений свойств название и автор

    book.setTitle("Руслан и Людмила");

    book.setAuthor("Александр Пушкин");

    // Вывод новых значений на экран с использованием геттеров

    cout << "Название: " << book.getTitle() << endl;

    cout << "Автор: " << book.getAuthor() << endl;

    return 0;

}

// Вывод: Название: Мастер и Маргарита

    Автор: Михаил Булгаков

    Название: Руслан и Людмила

    Автор: Александр Пушкин

c++

Отличие инкапсуляции от сокрытия

Иногда инкапсуляцию и сокрытие считают синонимами и объединяют в один принцип ООП, но на самом деле эти понятия имеют существенные отличия. Сокрытие данных предполагает обеспечение их безопасности путем частичного или полного ограничения доступа к составляющим объекта. Инкапсуляция же предполагает объединение данных и их методов так, чтобы они образовывали единое целое, что позволяет взаимодействовать с объектом, не вмешиваясь в его внутреннее устройство.

При этом инкапсуляция и сокрытие связаны между собой. Инкапсуляция предусматривает создание интерфейсов для обеспечения контроля доступа к данным, в то время как сокрытие обеспечивает их безопасность. Можно сказать, что инкапсуляция включает в себя сокрытие, при этом само сокрытие не является инкапсуляцией.

Реализация этих принципов отличается от языка к языку. Где-то эти принципы четко разграничены, где-то нет смысла реализовывать инкапсуляцию без сокрытия, а, например, в Python этот принцип реализуется без сокрытия, полагаясь на соглашение между разработчиками.

Преимущества инкапсуляции

Рассмотрим преимущества инкапсуляции:

этот принцип позволяет управлять доступом к данным и скрывать детали реализации классов;
повышение гибкости кода: в код легко вносить изменения, которые не повлияют на работу оставшейся части программы, также код легче переиспользовать;
повышение читаемости кода, упрощение его поддержки, тестирования и отладки.

Как выглядит реализация инкапсуляции

Конкретный вид реализации этого принципа может отличаться в разных языках, но суть остается прежней: этот принцип в ООП основан на создании классов и объектов, которые и представляют из себя «оболочку» для данных (свойств) и функций (методов).

Класс выступает как абстрактное описание, которое определяет общую структуру и поведение будущих объектов этого класса. Объекты же, в свою очередь, объединяют свойства и методы в целостную сущность, тем самым защищая свое содержимое от внешних вмешательств.

Таким образом, реализация инкапсуляции сводится к созданию класса и ограничению уровня доступа к его свойствам, а также определению методов, которые позволят контролировать взаимодействие со свойствами извне.

Как разработчики инкапсулируют данные

Конкретная реализация этого принципа зависит не только от языка программирования, но и от разработчика. Тем не менее есть основные методы и техники, позволяющие инкапсулировать данные:

Использование модификаторов доступа. Это один из наиболее часто используемых методов инкапсуляции данных, но доступный не в каждом языке программирования. Его суть состоит в ограничении доступа к данным через использование модификаторов доступа: public, private и protected. Public подразумевает, что объект или метод доступен из любого места программы — это удобно, но может нарушать инкапсуляцию и безопасность данных. Private делает содержимое объекта доступным только внутри этого объекта — например, методы не могут вызываться каким-то кодом извне. Protected же подразумевает, что доступ к содержимому объекта разрешен самому объекту и его потомкам. Существуют и другие модификаторы доступа, а также ключевые слова, например, sealed и abstract.
Реализация геттеров и сеттеров. Это специальные методы, название которых обычно начинается со слов get и set. Эти методы обеспечивают контролируемый доступ к свойствам объекта без вмешательства в его внутреннее устройство — геттеры возвращают текущее значение свойства объекта, а сеттеры изменяют значения свойств.
Реализация свойств и методов. Свойства (переменные, определенные внутри класса, которые хранят данные) и методы (функции, определенные внутри класса, которые выполняют действия) — это ключевые компоненты классов в ООП, и они тоже играют немаловажную роль при реализации инкапсуляции. Доступ к содержимому свойств может быть ограничен, например, с помощью модификаторов доступа, а методы могут вызываться только для объектов, в которых они определены.

Также нельзя забывать о том, что для грамотной реализации этого принципа специалист должен обладать знаниями и навыками проектирования классов.