Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Objektově orientované programování v prostředí Matlab

V článku je popsána syntaxe objektově orientovaného programování v prostředí Matlab. Popis je doplněn ilustrativním příkladem. Článek předpokládá základní obecné znalosti metody objektově orientovaného programování a programovacího jazyka Matlab. Pro seznámení s objektovým programováním je vhodná kniha [1], odkud bylo převzato i české názvosloví objektového programování. Prostředí Matlab je popsáno ve [2].
 
V programovacím prostředí Matlab je od verze 7.6 (R2008a) zavedena nová syntaxe pro objektově orientované programování [3]. Programovací jazyk prostředí Matlab je od svých počátků procedurální, ačkoliv objektový přístup je patrný při práci s grafikou. Nová syntaxe objektového programování umožňuje snadno definovat třídy (class) a jejich atributy (properties), události (events) a metody (methods).
 
Objektové programování je vhodné používat při práci na větším softwarovém projektu, ale také např. při navrhování automatizovaných systémů. Na rozdíl od procedurálního způsobu programování, kde se používají funkce, se při objektově orientovaném programování používají třídy a jejich instance. Třídu si lze představit jako určitou formu, pomocí které se dělají bábovky – instance třídy (někde též objekty). Každá bábovka bude mít tvar daný formou. Forma může být vyrobena podle jiné formy a zároveň může být použita jako předloha pro výrobu další formy – tato vlastnost se označuje jako dědičnost (inheritance). Model objektového programování je znázorněn na obr. 1.
 

Popis syntaxe

 
Pro definici tříd byla v prostředí Matlab zavedena čtyři nová klíčová slova: classdef (definice třídy), properties (atributy), events (události) a methods (metody). U těchto klíčových slov lze použít parametry, kterými je možné např. specifikovat přístup k atributům či metodám. Všechna shora uvedená klíčová slova označují začátek bloku zdrojového kódu. Konec bloku se vyznačuje klíčovým slovem end. Jak plyne z obr. 1, atributy, události a metody se vkládají do definice třídy. Jedna definice třídy může obsahovat několik bloků s atributy (popř. událostmi, metodami) s různými parametry. Parametry se zapisují do kulatých závorek za dané klíčové slovo ve formátu nazevParametru = hodnota.
 

Definice třídy (classdef)

Třídu si lze představit jako prototyp, podle kterého se vytvářejí jednotlivé instance třídy. Definice nové třídy se vytváří obdobně jako definice nové funkce do souboru s názvem shodným s názvem třídy/funkce. Ostatní náležitosti jsou od definice funkce již značně odlišné. Uvnitř třídy mohou být definovány bloky atributů, událostí a metod. Třída může využívat dědičnost – být rodičem (superclass) či potomkem (subclass) jiné třídy. Možnost vytvářet potomky dané třídy lze ovlivnit pomocí parametru sealed (logický typ).
 
Speciálním typem tříd jsou tzv. abstraktní třídy, u nichž nelze vytvořit instanci. Fungují pouze jako rodičovská třída pro dědění. Atributy a metody abstraktní třídy lze definovat pomocí atributu abstract (logický typ).
 
Přímo v prostředí Matlab jsou obsaženy tři abstraktní třídy, které lze využít při tvorbě vlastních tříd. Základní třída handle funguje jako rodičovská pro všechny třídy pracující s ukazateli (handles) na jednotlivé instance. Třída handle definuje metody pro porovnávání ukazatelů (eq, lt, gt atd.), pro vyhledávání instancí a atributů (findobj, findprop), pro práci s událostmi (notify, addlistener) a destruktory (delete – viz popis metod). Příklad založení nové třídy, která je potomkem abstraktní třídy handle, je ukázán na obr. 2.
 
Další abstraktní třída hgsetget je potomkem třídy handle. Dodefinovává metody set a get, které jsou hojně využívány při práci s grafickým prostředím. Poslední z abstraktních tříd je třída dynamicprops. Je také potomkem třídy handle a dodefinovává metodu addprop, která umožňuje dynamicky přidávat atributy k existujícím objektům.
 

Atributy (properties)

Do bloku atributů se zapisuje výčet proměnných a konstant dané třídy. Přístup k jednotlivým atributům lze řídit prostřednictvím specifikátorů přístupu. Ty jsou v prostředí Matlab realizovány pomocí parametrů Access, GetAccess a SetAccess. Podle nastavení specifikátorů přístupu mohou být atributy:
  • veřejné (public): s atributy lze libovolně manipulovat,
  • chráněné (protected): k atributům lze přistupovat pouze prostřednictvím metod dané třídy nebo jejích potomků,
  • soukromé (private): k atributům lze přistupovat pouze při použití metod dané třídy.
Dále lze pomocí logických parametrů Hidden a Transient nastavit viditelnost. Pomocí taktéž logických parametrů Constant a Dependent je možné nastavit definovatelnost. Úplný výčet parametrů lze najít ve [3].
 
Ukázka definice bloku atributů je na obr. 3. Uvedený blok obsahuje celkem dva atributy. První atribut prop1 je rovnou definován a je mu přiřazeno číslo 10. Druhý atribut prop2 je pouze deklarován (bude obsahovat prázdnou matici). Definice obou atributů mohou být změněny pouze při použití metod dané třídy, ale ke čtení jsou přístupné bez omezení.
 

Události (events)

Instance třídy může dát najevo, že nastala určitá událost. Na to mohou reagovat jiné instance (jiných tříd), které na danou událost čekají. U událostí lze opět specifikovat přístup. Okruh tříd, které mohou událost sledovat, lze omezit pomocí parametru ListenAccess. Obdobně lze nastavit i okruh tříd, které mohou událost nahlásit, a to parametrem NotifyAccess.
 
Oba tyto parametry mohou nabývat stejných hodnot jako parametr Access u atributů. Ukázka definice bloku událostí je na obr. 4. Blok zde obsahuje pouze jednu událost, která je deklarována pomocí svého názvu nazevUdalosti.
 
Metody pro práci s událostmi lze podědit z abstraktní třídy handle. Událost je možné vyvolat pomocí metody notify dané instance, které se předá název události tak, jak je zapsán v bloku událostí (events – viz obr. 6). Sledování události lze aktivovat pomocí metody addlistener (obr. 7), která vytvoří novou instanci třídy event.listener. Tento objekt kontroluje, zda sledovaný objekt nenahlásil danou událost. Jestliže ano, spustí předem definovanou akci.
 

Metody (methods)

Metody jsou obdoba funkcí a i způsob jejich definice tomu odpovídá. Jednotlivé metody se zapisují jako funkce v bloku methods. Začátek metody je uvozen hlavičkou začínající klíčovým slovem function a obsahující název metody a výčet vstupních a výstupních proměnných. První vstupní proměnná je ukazatel na instanci, která metodu vyvolala (neplatí u konstuktorů a nezávislých metod). Definice metody se ukončuje klíčovým slovem end.
 
Metody mohou měnit atributy, vyvolávat události či spouštět jiné funkce a metody. Mohou spouštět i metody jiné instance (i jiné třídy), popř. vyvolávat jejich události či měnit atributy.
 
Také u metody je možné specifikovat přístup pomocí parametru Access. Ochranu proti změně definice metody při dědění lze nastavit pomocí tzv. zapečetění (parametr Sealed). Nezávislé metody je možné definovat pomocí parametru Static. Tyto metody nepracují s instancí, která je vyvolala.
 
Zvláštní postavení mezi metodami mají konstruktor a destruktor. Konstruktor je metoda, která se spustí při vytváření nové instance třídy. Definuje se jako metoda s názvem shodným s třídou. Konstruktor lze použít k nastavení atributů, kontrole apod. Jestliže má konstruktor vstupní parametry, je nutné je při volání specifikovat. Výstupním parametrem je ukazatel na novou instanci. Destruktor se spouští těsně před vymazáním instance z paměti. Definuje se jako metoda s názvem delete. Je-li ukazatel na danou instanci uložen v proměnné, spuštěním destruktoru se vymaže instance, ale proměnná s ukazatelem zůstane zachována. Naopak při vymazání proměnné s ukazatelem pomocí funkce clear zůstane instance v paměti zachována. V takovém případě je třeba pro úplné odstranění instance i proměnné s ukazatelem nejdříve spustit destruktor (delete) a následně vymazat proměnnou s ukazatelem (clear) – celý proces je ukázán na obr. 8. Definice vlastního konstruktoru i destruktoru jsou nepovinné.
 
V příkladu definice bloku metod na obr. 5 jsou definovány celkem dvě metody. První metoda MojeTrida je konstruktor – má název shodný s názvem třídy. Při vytvoření nové instance této třídy se tedy do atributu prop2 uloží náhodné číslo. Ukazatel na tuto nově vznikající instanci je zde označen jako hObject a je výstupním parametrem konstruktoru. Druhá metoda nazevMetody nemá výstupní parametry. Prvním a v tomto případě jediným vstupním parametrem je ukazatel na instanci, jejíž metoda je volána.
 

Příklad

 
K ilustraci předchozího výkladu následuje krátký příklad. Uvažujme situaci, kdy jsou v sérii k vypínači V zapojeny dvě žárovky označené Z1 a Z2. Při sepnutí vypínače se žárovky rozsvítí, při rozepnutí zhasnou.
 
Na obr. 6 je úplný zdrojový kód souboru vypinac.m, který definuje třídu vypinac obsahující jeden atribut (sepnuto), jednu událost (prepnuti) a jednu metodu (pouzit). Atribut sepnuto je logického datového typu a jeho hodnota určuje, zda je vypínač sepnutý nebo rozepnutý. Hodnotu atributu sepnuto lze měnit pouze pomocí metod třídy vypinac. Jestliže někdo vypínač použije (sepne/rozepne), je negován atribut sepnuto a nahlášena událost prepnuti.
 
Definice třídy žárovka je uvedena na obr. 7. Tato třída obsahuje dva atributy (sviti, hPrepnuti) a tři metody (zarovka, zmena, delete), z nichž první je konstruktor a poslední destruktor. Při vytvoření nové instance třídy zarovka je žárovce přiřazen vypínač, atribut sviti se nastaví shodně se stavem vypínače a zároveň se vytvoří objekt třídy event.listener (kontrolor událostí), který bude hlídat událost prepnuti u vypínače. Ukazatel kontroloru události se uloží do atributu hPrepnuti. Při přepnutí vypínače bude tedy aktivována jeho událost prepnuti. Na to zareaguje kontrolor a spustí metodu zmena dané žárovky. Tato metoda má tři vstupní argumenty – ukazatel na žárovku, ukazatel na vypínač, který vyvolal událost, a ukazatel na kontrolor, který metodu spustil. Destruktor delete má za úkol v případě mazání instance třídy zarovka smazat i instanci kontroloru události.
 
Po úspěšném definování metod lze přikročit k vytvoření jednotlivých instancí (obr. 8). Nejdříve se vytvoří instance třídy vypinac a ukazatel se uloží do proměnné V. Následně jsou vytvořeny dvě instance třídy zarovka (Z1 a Z2), které budou obě propojeny s vypínačem V. Při spuštění metody prepnout vypínače V se změní stav obou žárovek podle aktuálního stavu vypínače. Nakonec je ukázáno spuštění destruktoru žárovky Z2 a následné vymazání ukazatele na tuto žárovku z paměti řídicího systému.
 
Literatura:
[1] KEOGH, J. – MARIO, G.: OOP bez předchozích znalostí. Brno, Computer Press, 2006, 220 s., ISBN 80-251-0973-9.
[2] DOŇAR, B. – ZAPLATÍLEK, K.: Matlab pro začátečníky. Praha, BEN – technická literatura, 2003, 152 s., ISBN 80-7300-175-6.
[3] MathWorks – Matlab and Simulink for Technical Computing [on-line]. 2010 [cit. 2010-04-01]. Dostupné z <www.mathworks.com>.
 
Ing. Jan Hrubeš,
Ústav biomedicínského inženýrství,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních
technologií VUT v Brně
 
Obr. 1. Model objektového programování
Obr. 2. Definice třídy „MojeTrida“ založené na abstraktní třídě „handle“
Obr. 3. Definice bloku atributů
Obr. 4. Definice bloku událostí
Obr. 5. Definice bloku metod
Obr. 6. Zdrojový kód souboru „vypinac.m“
Obr. 7. Zdrojový kód souboru „zarovka.m“
Obr. 8. Příklad: vytvoření instancí a volání metod