Clase (programación)

Como instancia de una clase, un objeto se construye a partir de una clase mediante instanciación . Se asigna e inicializa memoria para el estado del objeto y se proporciona una referencia al objeto al código que lo utiliza. El objeto se puede usar hasta que se destruye ; su memoria de estado se libera.

La mayoría de los lenguajes permiten lógica personalizada en los eventos del ciclo de vida a través de un constructor y un destructor .

Un objeto expresa el tipo de datos como una interfaz : el tipo de cada variable miembro y la firma de cada función miembro (método). Una clase define una implementación de una interfaz, y la instanciación de la clase da como resultado un objeto que expone la implementación a través de la interfaz. ^{[ 4 ]} En términos de teoría de tipos, una clase es una implementación — unaestructura de datos concreta y una colección de subrutinas —mientras que un tipo es una interfaz . Diferentes clases (concretas) pueden producir objetos del mismo tipo ( abstracto ) (dependiendo del sistema de tipos). Por ejemplo, el tipo (interfaz) Stack podría ser implementado por SmallStack , que es rápido para pilas pequeñas pero escala mal, y ScalableStack , que escala bien pero tiene una sobrecarga alta para pilas pequeñas.

Una clase contiene campos de datos descritos sintácticamente (o propiedades , campos , miembros de datos o atributos ). ^{[ 1 ]} Estos suelen ser tipos y nombres de campos que se asociarán con variables de estado durante la ejecución del programa; estas variables de estado pertenecen a la clase o a instancias específicas de la clase. En la mayoría de los lenguajes, la estructura definida por la clase determina la distribución de la memoria utilizada por sus instancias. Son posibles otras implementaciones: por ejemplo, los objetos en Python utilizan contenedores asociativos de clave-valor. ^{[ 5 ]}

Algunos lenguajes de programación, como Eiffel, permiten especificar invariantes como parte de la definición de la clase y las garantizan mediante el sistema de tipos. La encapsulación del estado es necesaria para poder garantizar las invariantes de la clase.

El comportamiento (o acción ^{[ 1 ]} ) de una clase o sus instancias se define mediante métodos . Los métodos son subrutinas con la capacidad de operar sobre objetos o clases. Estas operaciones pueden alterar el estado de un objeto o simplemente proporcionar formas de acceder a él. ^{[ 6 ]} Existen muchos tipos de métodos, pero su compatibilidad varía entre lenguajes. Algunos tipos de métodos son creados y llamados por el código del programador, mientras que otros métodos especiales, como constructores, destructores y operadores de conversión, son creados y llamados por el código generado por el compilador. Un lenguaje también puede permitir al programador definir y llamar a estos métodos especiales. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Cada clase implementa (o realiza ) una interfaz al proporcionar estructura y comportamiento. La estructura consiste en datos y estado, y el comportamiento consiste en código que especifica cómo se implementan los métodos. ^{[ 9 ]} Existe una distinción entre la definición de una interfaz y la implementación de esa interfaz; sin embargo, esta línea se difumina en muchos lenguajes de programación porque las declaraciones de clase definen e implementan una interfaz. Algunos lenguajes, no obstante, proporcionan características que separan la interfaz de la implementación. Por ejemplo, una clase abstracta puede definir una interfaz sin proporcionar una implementación.

Los lenguajes que admiten la herencia de clases también permiten que las clases hereden interfaces de las clases de las que derivan.

Por ejemplo, si " " hereda de " " y si " " implementa la interfaz " " entonces " " también implementa la funcionalidad (constantes y declaración de métodos) proporcionada por " ".classZclassYclassYinterfaceXclassZinterfaceX

En los lenguajes que admiten especificadores de acceso , la interfaz de una clase se considera el conjunto de miembros públicos de la clase, incluidos tanto los métodos como los atributos (a través de métodos getter y setter implícitos ); no se pretende que el código externo dependa de los miembros privados o las estructuras de datos internas, por lo que no forman parte de la interfaz.

La metodología de programación orientada a objetos establece que las operaciones de cualquier interfaz de una clase deben ser independientes entre sí. Esto da como resultado un diseño por capas donde los clientes de una interfaz utilizan los métodos declarados en ella. Una interfaz no exige que los clientes invoquen las operaciones de una interfaz en un orden específico. Este enfoque tiene la ventaja de que el código del cliente puede asumir que las operaciones de una interfaz están disponibles siempre que el cliente tenga acceso al objeto. ^{[ 10 ]}

El siguiente es un conjunto común de especificadores de acceso : ^{[ 11 ]}

• El modo privado (o de clase ) restringe el acceso a la clase misma. Solo los métodos que forman parte de la misma clase pueden acceder a los miembros privados.
• El modo protegido (o protegido por clase ) permite que la propia clase y todas sus subclases accedan al miembro.
• Público significa que cualquier código puede acceder al miembro por su nombre.

Si bien muchos lenguajes orientados a objetos admiten los especificadores de acceso mencionados anteriormente, su semántica puede diferir.

El diseño orientado a objetos utiliza los especificadores de acceso junto con un diseño cuidadoso de las implementaciones de métodos públicos para garantizar las invariantes de clase, es decir, las restricciones sobre el estado de los objetos. Un uso común de los especificadores de acceso es separar los datos internos de una clase de su interfaz: la estructura interna se hace privada, mientras que los métodos de acceso públicos se pueden usar para inspeccionar o modificar dichos datos privados.

Los especificadores de acceso no necesariamente controlan la visibilidad , ya que incluso los miembros privados pueden ser visibles para el código externo del cliente. En algunos lenguajes, se puede hacer referencia a un miembro inaccesible pero visible en tiempo de ejecución (por ejemplo, mediante un puntero devuelto por una función miembro), pero el verificador de tipos impedirá cualquier intento de usarlo haciendo referencia al nombre del miembro desde el código del cliente. ^{[ 12 ]}

Los distintos lenguajes de programación orientados a objetos imponen la accesibilidad y visibilidad de los miembros en diversos grados, y dependiendo del sistema de tipos y las políticas de compilación del lenguaje, se aplican en tiempo de compilación o en tiempo de ejecución . Por ejemplo, el lenguaje Java no permite que se compile el código cliente que accede a los datos privados de una clase. ^{[ 13 ]} En el lenguaje C++ , los métodos privados son visibles, pero no accesibles en la interfaz; sin embargo, pueden hacerse invisibles declarando explícitamente clases completamente abstractas que representen las interfaces de la clase. ^{[ 14 ]}

Algunos idiomas cuentan con otros sistemas de accesibilidad:

• Accesibilidad por instancia frente a accesibilidad por clase : Ruby admite los especificadores de acceso instance-private e instance-protected en lugar de class-private y class-protected, respectivamente. Se diferencian en que restringen el acceso en función de la instancia misma, en lugar de la clase de la instancia. ^{[ 15 ]}
• Friend : C++ admite un mecanismo mediante el cual una función declarada explícitamente como función amiga de la clase puede acceder a los miembros designados como privados o protegidos. ^{[ 16 ]}
• Basado en rutas : Java admite restringir el acceso a un miembro dentro de un paquete Java , que es la ruta lógica del archivo. Sin embargo, es una práctica común al extender un framework Java implementar clases en el mismo paquete que una clase del framework para acceder a miembros protegidos. El archivo fuente puede existir en una ubicación completamente diferente y puede desplegarse en un archivo .jar diferente , pero aún así estar en la misma ruta lógica en lo que respecta a la JVM. ^{[ 11 ]}

Las clases pueden estar compuestas de otras clases, estableciendo así una relación de composición entre la clase contenedora y sus clases incrustadas. La relación de composición entre clases también se conoce comúnmente como una relación "tiene un" . ^{[ 20 ]} Por ejemplo, una clase Carpodría estar compuesta de y contener una clase Engine. Por lo tanto, una Cartiene unEngine . Un aspecto de la composición es la contención, que es el encapsulamiento de instancias de componentes por la instancia que las contiene. Si un objeto contenedor contiene instancias de componentes por valor, los componentes y su objeto contenedor tienen una vida útil similar . Si los componentes están contenidos por referencia, es posible que no tengan una vida útil similar. ^{[ 21 ]} Por ejemplo, en Objective-C 2.0:

@interface Coche : NSObject@property NSString * nombre ; @property Engine * motor @property NSArray * neumáticos ;@fin

Esta clase Car tiene una instancia de NSString (un objeto de cadena ), Engine y NSArray (un objeto de matriz).

Las clases pueden derivarse de una o más clases existentes, estableciendo así una relación jerárquica entre las clases derivadas ( clases base , clases padre osuperclases ) y la clase derivada (clase hijaosubclase). La relación de la clase derivada con las clases derivadas se conoce comúnmente como unarelación "es un" . ^{[ 22 ]} Por ejemplo, una clase "Botón" podría derivarse de una clase "Control". Por lo tanto, un Botónes unControl. Los miembros estructurales y de comportamiento de las clases padre sonheredadospor la clase hija. Las clases derivadas pueden definir miembros estructurales adicionales (campos de datos) y miembros de comportamiento (métodos) además de los queheredany, por lo tanto, sonespecializacionesde sus superclases. Además, las clases derivadas puedensobrescribirmétodos heredados si el lenguaje lo permite.

No todos los lenguajes admiten la herencia múltiple. Por ejemplo, Java permite que una clase implemente múltiples interfaces, pero solo herede de una clase. ^{[ 23 ]} Si se permite la herencia múltiple, la jerarquía es un grafo acíclico dirigido (o DAG, por sus siglas en inglés); de lo contrario, es un árbol . La jerarquía tiene clases como nodos y relaciones de herencia como enlaces. Es más probable que las clases del mismo nivel estén asociadas que las clases de diferentes niveles. Los niveles de esta jerarquía se denominan capas o niveles de abstracción.

Ejemplo (código Objective-C 2.0 simplificado, del SDK de iPhone):

@interface UIResponder : NSObject //... @interface UIView : UIResponder //... @interface UIScrollView : UIView //... @interface UITableView : UIScrollView //...

En este ejemplo, una UITableView es una UIScrollView es una UIView es una UIResponder es un NSObject.

En el análisis orientado a objetos y en el Lenguaje Unificado de Modelado (UML), una asociación entre dos clases representa una colaboración entre las clases o sus instancias correspondientes. Las asociaciones tienen dirección; por ejemplo, una asociación bidireccional entre dos clases indica que ambas clases son conscientes de su relación. ^{[ 24 ]} Las asociaciones pueden etiquetarse según su nombre o propósito. ^{[ 25 ]}

Un rol de asociación se asigna al final de una asociación y describe el rol de la clase correspondiente. Por ejemplo, un rol de "suscriptor" describe la forma en que las instancias de la clase "Persona" participan en una asociación de "suscripción" con la clase "Revista". Asimismo, una "Revista" tiene el rol de "revista suscrita" en la misma asociación. La multiplicidad del rol de asociación describe cuántas instancias corresponden a cada instancia de la otra clase de la asociación. Las multiplicidades comunes son "0..1", "1..1", "1..*" y "0..*", donde el "*" especifica cualquier número de instancias. ^{[ 24 ]}

En un lenguaje que admite herencia, una clase abstracta , o clase base abstracta ( ABC ), es una clase que no puede instanciarse directamente. Por el contrario, una clase concreta es una clase que sí puede instanciarse directamente. La instanciación de una clase abstracta solo puede ocurrir indirectamente, a través de una subclase concreta .

Una clase abstracta se etiqueta explícitamente como tal o simplemente especifica métodos abstractos (o virtuales ). Una clase abstracta puede proporcionar implementaciones de algunos métodos y también especificar métodos virtuales mediante firmas que deben ser implementadas por descendientes directos o indirectos de la clase abstracta. Antes de que una clase derivada de una clase abstracta pueda ser instanciada, todos los métodos abstractos de sus clases padre deben ser implementados por alguna clase en la cadena de derivación. ^{[ 26 ]}

La mayoría de los lenguajes de programación orientados a objetos permiten al programador especificar qué clases se consideran abstractas y no permiten su instanciación. Por ejemplo, en Java , C# y PHP , se utiliza la palabra reservada (keyword) `abstract` . ^{[ 27 ] [ 28 ]} En C++ , una clase abstracta es una clase que tiene al menos un método abstracto dado por la sintaxis apropiada en ese lenguaje (una función virtual pura en la terminología de C++). ^{[ 26 ]}abstract

Una clase que consta únicamente de métodos virtuales puros se denomina clase base abstracta pura (o ABC pura ) en C++ y también se conoce como interfaz entre los usuarios del lenguaje. ^{[ 14 ]} Otros lenguajes, en particular Java y C#, admiten una variante de clases abstractas llamada interfaz mediante una palabra clave del lenguaje. En estos lenguajes, no se permite la herencia múltiple , pero una clase puede implementar múltiples interfaces. Dicha clase solo puede contener métodos abstractos de acceso público. ^{[ 23 ] [ 29 ] [ 30 ]}

En algunos lenguajes de programación, las clases se pueden declarar en ámbitos distintos al ámbito global. Existen varios tipos de estas clases.

Una clase interna es una clase definida dentro de otra clase. La relación entre una clase interna y su clase contenedora también puede tratarse como otro tipo de asociación de clases. Una clase interna normalmente no está asociada con instancias de la clase contenedora ni se instancia junto con ella. Dependiendo del lenguaje, puede ser posible o no referirse a la clase desde fuera de la clase contenedora. Un concepto relacionado son los tipos internos , también conocidos como tipos de datos internos o tipos anidados , que son una generalización del concepto de clases internas. C++ es un ejemplo de un lenguaje que admite tanto clases internas como tipos internos (mediante declaraciones typedef ). ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Una clase local es una clase definida dentro de un procedimiento o función. Esta estructura limita las referencias al nombre de la clase al ámbito donde se declara. Dependiendo de las reglas semánticas del lenguaje, puede haber restricciones adicionales para las clases locales en comparación con las no locales. Una restricción común es impedir que los métodos de una clase local accedan a las variables locales de la función que la contiene. Por ejemplo, en C++, una clase local puede hacer referencia a variables estáticas declaradas dentro de su función contenedora, pero no puede acceder a las variables automáticas de la función . ^{[ 33 ]}

Una metaclase es una clase cuyas instancias son clases. ^{[ 34 ]} Una metaclase describe una estructura común de una colección de clases y puede implementar un patrón de diseño o describir tipos particulares de clases. Las metaclases se utilizan a menudo para describir marcos de trabajo . ^{[ 35 ]}

En algunos lenguajes, como Python , Ruby o Smalltalk , una clase también es un objeto; por lo tanto, cada clase es una instancia de una metaclase única que está integrada en el lenguaje. ^{[ 5 ] [ 36 ] [ 37 ]} El Common Lisp Object System (CLOS) proporciona protocolos de metaobjetos (MOP) para implementar esas clases y metaclases. ^{[ 38 ]}

Una clase final no puede ser subclaseada. Es básicamente lo opuesto a una clase abstracta, que debe ser subclaseada para su uso y no puede ser instanciada directamente. Una clase final es implícitamente una clase concreta y puede ser instanciada directamente.

Una clase se declara como final mediante la palabra clave finalen Java, C++ o PHP, o sealeden C#. Sin embargo, este concepto no debe confundirse con las clases en Java calificadas con la palabra clave sealed, que solo permiten la herencia de subclases seleccionadas. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} En lenguajes como Kotlin , todas las clases son finales por defecto, mientras que para permitir que una clase sea heredada, debe marcarse como open. ^{[ 43 ]}

Por ejemplo, la clase de Java está marcada como . ^{[ 44 ]}Stringfinal

Las clases finales pueden permitir que un compilador realice optimizaciones que no están disponibles para las clases que pueden ser subclasadas. ^{[ 45 ]}

Una "clase sellada" es una clase que restringe la herencia a una lista seleccionada de clases. No debe confundirse con la sealedpalabra clave en C#, que denota una clase final. La lista de clases permitidas que la clase sellada puede heredar se especifica mediante una permitscláusula. ^{[ 46 ]}

public sealed class Quadrilateral extends Shape implements Renderable , Transformable , Comparable < Quadrilateral > , Measurable permits Parallelogram , Trapezoid , Kite { // ... }

non-sealedes otra palabra clave que se utiliza para declarar que una clase o interfaz que extiende una clase sellada puede ser extendida por clases desconocidas. ^{[ 47 ]}

sealed class Parallelogram extends Quadrilateral { /* ... */ } sealed class Rectangle extends Parallelogram { /* ... */ }clase no sellada Cuadrado extiende Rectángulo { /* ... * / }// Dado que Square no es una clase sellada, cualquier clase puede heredar de ella. class RedSquare extends Square { /* ... */ }

Una clase abierta puede modificarse. Por lo general, los clientes no pueden modificar un programa ejecutable . Los desarrolladores suelen poder modificar algunas clases, pero normalmente no pueden modificar las clases estándar o integradas. En Ruby , todas las clases son abiertas. En Python , las clases se pueden crear en tiempo de ejecución y todas se pueden modificar posteriormente. ^{[ 48 ]} Las categorías de Objective-C permiten al programador añadir métodos a una clase existente sin necesidad de recompilarla ni siquiera tener acceso a su código fuente.

Algunos lenguajes ofrecen soporte especial para mixins , aunque en cualquier lenguaje con herencia múltiple, un mixin es simplemente una clase que no representa una relación de tipo "es un". Los mixins se utilizan normalmente para añadir los mismos métodos a varias clases; por ejemplo, una clase UnicodeConversionMixinpodría proporcionar un método que se llama unicodeToAscii()cuando se incluye en clases FileReaderque WebPageScraperno comparten un padre común.

En los lenguajes que admiten esta característica, una clase parcial es una clase cuya definición puede dividirse en varias partes, dentro de un único archivo de código fuente o en varios archivos. ^{[ 49 ]} Las partes se fusionan en tiempo de compilación, lo que hace que la salida del compilador sea la misma que para una clase no parcial.

La principal motivación para la introducción de clases parciales es facilitar la implementación de generadores de código , como los diseñadores visuales . ^{[ 49 ]} De lo contrario, resulta un desafío o una solución de compromiso desarrollar generadores de código que puedan gestionar el código generado cuando este se intercala dentro del código escrito por el desarrollador. Mediante clases parciales, un generador de código puede procesar un archivo independiente o una clase parcial de grano grueso dentro de un archivo, lo que evita la compleja interposición del código generado mediante un análisis extenso, aumentando la eficiencia del compilador y eliminando el riesgo potencial de corromper el código del desarrollador. En una implementación simple de clases parciales, el compilador puede realizar una fase de precompilación donde "unifica" todas las partes de una clase parcial. Luego, la compilación puede proceder como de costumbre. ^{[ 50 ]}

Otros beneficios y efectos de la función de clase parcial incluyen:

• Permite separar la interfaz de una clase del código de implementación de una manera única.
• Facilita la navegación por clases extensas dentro de un editor .
• Permite la separación de responsabilidades , de forma similar a la programación orientada a aspectos, pero sin utilizar herramientas adicionales.
• Permite que varios desarrolladores trabajen en una misma clase simultáneamente sin necesidad de fusionar el código individual en un solo archivo posteriormente.

Las clases parciales han existido en Smalltalk bajo el nombre de extensiones de clase durante bastante tiempo. Con la llegada del .NET Framework 2 , Microsoft introdujo las clases parciales, compatibles tanto con C# 2.0 como con Visual Basic 2005. WinRT también admite clases parciales. ^{[ 51 ]}

Las clases no instanciables permiten a los programadores agrupar campos y métodos propios de la clase que son accesibles en tiempo de ejecución sin necesidad de una instancia de la misma. De hecho, la instanciación está prohibida para este tipo de clases.

Por ejemplo, en C#, una clase marcada staticno puede ser instanciada, solo puede tener miembros estáticos (campos, métodos, otros), no puede tener constructores de instancia y es sealed(es final). ^{[ 52 ]}

Una clase sin nombre o una clase anónima no está vinculada a un nombre o identificador al definirse. ^{[ 53 ] [ 54 ]} Esto es análogo a las funciones con nombre frente a las funciones sin nombre .

interfaz Saludo { void decirHola (); }// Clase anónima que implementa Greeting Greeting myGreeting = new Greeting () { @Override public void sayHello () { System . out . println ( "¡Hola desde una clase anónima!" ); } };miSaludo.decirHola ( ) ;

La encapsulación impide que los usuarios rompan las invariantes de la clase, lo cual es útil porque permite modificar la implementación de una clase de objetos para aspectos no expuestos en la interfaz sin afectar el código del usuario. Las definiciones de encapsulación se centran en la agrupación y el empaquetado de información relacionada ( cohesión ) más que en cuestiones de seguridad.

Los lenguajes basados ​​en clases, o, para ser más precisos, lenguajes tipados , donde la herencia es la única forma de subtipado , han sido criticados por mezclar implementaciones e interfaces , el principio esencial de la programación orientada a objetos. Los críticos dicen que se podría crear una clase `bag` que almacene una colección de objetos, y luego extenderla para crear una nueva clase llamada `set` donde se elimina la duplicación de objetos. ^{[ 61 ] [ 62 ]} Ahora bien, una función que recibe un objeto de la clase `bag` puede esperar que agregar dos objetos aumente el tamaño de una bolsa en dos, pero si se pasa un objeto de la clase `set`, agregar dos objetos puede o no aumentar el tamaño de una bolsa en dos. El problema surge precisamente porque la herencia implica subtipado incluso en los casos en que el principio de subtipado, conocido como principio de sustitución de Liskov , no se cumple. Barbara Liskov y Jeannette Wing formularon el principio sucintamente en un artículo de 1994 de la siguiente manera:

Requisito de subtipo : Let ⁠${\displaystyle \phi (x)}$ser una propiedad demostrable sobre objetos${\displaystyle x}$de tipo​${\displaystyle T}$⁠ . Entonces ⁠${\displaystyle \phi (y)}$⁠ debería ser cierto para los objetos ⁠${\displaystyle y}$de tipo​${\displaystyle S}$¿ Dónde ?${\displaystyle S}$es un subtipo de${\displaystyle T}$⁠ .

Por lo tanto, normalmente se debe distinguir entre subtipos y subclases. La mayoría de los lenguajes orientados a objetos actuales distinguen entre subtipos y subclases; sin embargo, algunos enfoques de diseño no lo hacen.

Otro ejemplo común es que un objeto de tipo persona creado a partir de una clase hija no puede convertirse en un objeto de la clase padre, ya que tanto la clase hija como la clase padre heredan de la clase persona. Sin embargo, los lenguajes basados ​​en clases generalmente no permiten cambiar el tipo de clase del objeto en tiempo de ejecución. Para estos lenguajes, esta restricción es esencial para mantener una visión unificada de la clase para sus usuarios. Los usuarios no deberían preocuparse si alguna implementación de un método provoca cambios que alteren las invariantes de la clase. Dichos cambios se pueden realizar destruyendo el objeto y creando otro en su lugar. El polimorfismo permite preservar las interfaces relevantes incluso cuando se realizan estos cambios, ya que los objetos se consideran abstracciones de caja negra y se accede a ellos mediante su identidad . No obstante, normalmente se modifica el valor de las referencias a objetos, lo que afecta al código del cliente.

Aunque Simula introdujo la abstracción de clases, el ejemplo canónico de un lenguaje basado en clases es Smalltalk . Otros ejemplos son PHP , C++ , Java , C# y Objective-C .