Вступление и Objective-C

Создание программ для Mac OS X

🕛 15.05.2009, 18:13

Вступление

Я думаю все слышали про Mac OS X как операционную систему для дизайнеров и домохозяек. Но хочется рассказать про средства разработки для OS X, а то хорошие программы пишут, а на чем - никто не знает.

Сразу скажу, что не буду рассказывать про кроссплатформенные фреймворки и тулкиты(такие как Qt) или про создание консольных приложений, я расскажу про то, что в плане создания приложений отличает Mac OS X от других операционных систем, а именно - фреймворк Cocoa. Оговорюсь сразу, что буду стараться избегать сравнений с другими фреймворками, я хочу просто рассказать про Cocoa.

Заглянем немного в историю. Mac OS X - дальнейшее развитие ОС NextSTEP. NextSTEP была первой ОС в которой очень широко использовался язык Objective-C, на нем была написана большая библиотека готовых объектов, причем как и обычные типы данных - строки, массивы, словари, так и объекты, используемые для построения GUI приложений. Поэтому, большая часть приложений под NextSTEP писалась на Objective-C с использованием готовых объектов. Эта самая библиотека и переросла в Cocoa framework.

Но включать в новую ОС почти незнакомый никому API было бы крайне плохим решением, поэтому добавили еще 2: Classic и Carbon.

Classic создан для того, чтобы запускались приложения Mac OS 9, на данный момент рассматривать его бессмысленно, т.к. после перехода на процессоры фирмы Intel по понятным причинам Classic был выкинут из системы.

Carbon был создан чтобы легко перенести приложения из Mac OS 9 в OS X, с возможностью добавить к уже готовому коду программы новую функциональность, доступную только в десятке. Как ни странно, но много приложений до сих пор написаны на Carbon(например MS Office for Mac и некоторые продукты Adobe).

На данный момент фреймворки Carbon и Cocoa развиваются паралельно, но со следующего релиза Mac OS X будут развивать только Cocoa.

Основным языком разработки под Cocoa является Objective-C, а поскольку в дальнейшем все примеры будут идти на этом языке,то впервой части я расскажу именно про него. Но если вы уже владеете Python или Ruby, то изучать Objective-C вам не надо, в XCode 3.0(срада разработки, о ней в следующей части) биндинги для этих языков "искаропки".

Язык программирования Objective-C

Помимо широкого известного и распространенного объектного расширения языка С - языка С++ - есть и другое его расширение - язык Objective-C, обладающий огромной простотой, полной совместимостью с языком С и очень мощной и выразительной объектной моделью, заимствованной из языка Smalltalk.

Язык был придуман Брэдом Коксом (Brad Cox) в начале 80-х годов прошлого века. Целью Кокса было создание языка, поддерживающего концепцию software IC. Под этой концепцией понимается возможность собирать программы из готовых компонент (объектов), подобно тому как сложные электронные устройства могут быть легко собраны из набора готовых интегральных микросхем (IC, integrated curcuits). При этом такой язык должен быть достаточно простым и основанным на языке С, чтобы облегчить переход разработчиков на него.

Одной из целей было также создание модели, в которой сами классы также являются полноценными объектами, поддерживалась бы интроспекция и динамическая обработка сообщений.

Получившийся в результате язык Objective-C оказался крайне прост - его освоение у С-программиста займет всего несколько дней. Он является именно расширением языка С - в язык С просто добавлены новые возможности для объектно-ориентированного программирования. При этом любая программа на С является программой и на Objective-C (для языка С++ это не верно).

Еще одной из особенностей языка является то, что он message-oriented в то время как С++ - function-oriented. Это значит, что в нем вызовы метода интерпретируются не как вызов функции (хотя к этому обычно все сводится), а именно как посылка сообщения (с именем и аргументами) объекту, подобно тому, как это происходит в Smalltalk-е. Такой подход дает целый ряд плюсов - так любому объекту можно послать любое сообщение. Объект может вместо обработки сообщения просто переслать его другому объекту для обработки (так называемое делегирование), в частности именно так можно легко реализовать распределенные объекты (т.е. объекты находящиеся в различных адресных пространствах и даже на разных компьютерах). Привязка сообщения к соответствующей функции происходит непосредственно на этапе выполнения.

Язык Objective-C поддерживает работу с метаинформацией - так у объекта непосредственно на этапе выполнения можно спросить его класс, список методов (с типами передаваемых аргументов) и instance-переменных, проверить, является ли класс потомком заданного и поддерживает ли он заданный протокол и т.п.

В языке есть нормальная поддержка протоколов (т.е. понятие интерфейса объекта и протокола четко разделены). Для объектов поддерживается наследование (не множественное), для протоколов поддерживается множественное наследование. Объект может быть унаследован от другого объекта и сразу нескольких протоколов (хотя это скорее не наследование протокола, а его поддержка).

На данный момент язык Objective-C поддерживается компилятором gcc. Довольно много в языке перенесено на runtime-библиотеку и сильно зависит от нее. Вместе с компилятором gcc поставляется минимальный вариант такой библиотеки. Также можно свободно скачать runtime-библиотеку от компании Apple: Apple's Objective-C runtime. Эти две runtime-библиотеки довольно похожи (в основном отличие заключается в именах методов), хотя далее я буду ориентироваться на runtime-библиотеку от компании Apple.

Синтаксис языка

В языке Objective-C для обозначения объектов используется специальный тип id. Переменная типа id фактически является указателем на произвольный объект. Для обозначения нулевого указателя на объект используется константа nil. Кстати про id: движок игры Doom разрабатывался на рабочих станциях Next, так что может есть связь между типом id и названием idSoftware.

При этом вместо id можно использовать и более привычное обозначение с явным указанием класса. В частности последнее позволяет компилятору осуществлять некоторую проверку поддержки сообщения объектами - если компилятор из типа переменной не может сделать вывод о поддержке объектом данного сообщения, то он выдаст предупреждение (а не ошибку !). Тем самым язык поддерживает проверку типов, но в нестрогой форме (т.е. найденные несоответствия возвращаются как предупреждения, а не ошибки).

Для посылки сообщений используется следующий синтаксис:
[receiver message];

Сообщение может также содержать параметры:
[myRect setOrigin:30.0 :50.0];
В этом примере именем метода (сообщения) является setOrigin::. Обратите внимание, что каждому передаваемому аргументу соответствует ровно одно двоеточие. При этом в приведенном примере первый аргумент имеет метку (текст перед двоеточием), а второй - нет.

Язык Objective-C позволяет снабжать метками каждый аргумент, что заметно повышает читаемость кода и снижает вероятность передачи неправильного параметра.
[myRect setWidth:10.0 height:20.0];
В этом примере в качестве имени сообщения выступает setWidth:height:.

Также поддерживается возможность передачи произвольного количества аргументов в сообщении:
[myObject makeGroup: obj1, obj2, obj3, obj4, nil];

Как и функции, сообщения могут возвращать значения, при этом в отличии от языка С, типом возвращаемым по умолчанию значения является id.
float area = [myRect area];

Результат одного сообщения можно сразу же использовать в другом сообщении:
[myRect setColor:[otherRect color]];

Как уже говорилось, в Objective-C классы сами являются объектами. Основной задачей таких объектов (называемых class objects) является создание экземпляров данного класса. При этом само имя класса играет двойную роль - с одной стороны оно выступает как тип данных (т.е. он может быть использован для описания указателей на объекты данного класса). А с другой стороны имя класса может выступать в качестве объекта, которому посылается сообщение ( в сообщениях имя класса может принимать участие только как receiver). В языке Objective-C нет встроенного типа для булевских величин, поэтому обычно такой тип вводится искусственно. Далее я буду для логических величин использовать тип BOOL с возможными значениями YES и NO(ИМХО более понятней, но не так “политкорректно” как true/false).

Создание новых классов

Все новые директивы компилятору в языке Objective-C начинаются с символа @. Как и в С++ описание класса и его реализация разделены (обычно описание помещается в заголовочные файлы с расширением h, а реализации - в файлы с расширением m).
Ниже приводится общая структура описания нового класса:
@interface ClassName : SuperClass
{
instance variable declarations
}
method declarations
@end

В версии runtime от Apple все классы имеют общего предка - класс NSObject, содержащий целый ряд важных методов. Описание переменных ничем не отличается от описания переменных в структурах в языке С:
@interface Rect : NSObject
{
float width;
float height;
BOOL isFilled;
NSColor * color;
}
@end

Каждое описание начинается со знака плюс или минус. Знак плюс обозначает, что данный метод является методом класса (т.е. его можно посылать только class object'у, а не экземплярам данного класса). Фактически методы класса являются аналогами статических методов в классах в языке С++. Знак минус служит для обозначения методов объектов - экземпляров данного класса. Обратите внимание, что в Objective-C все методы являются виртуальными, т.е. могут быть переопределены.

Ниже приводятся описания возможных методов для класса Rect.
@interface Rect : NSObject
{
float x, y;
float width;
float height;
BOOL isFilled;
NSColor * color;
}
+ newRect;
- (void) display;
- (float) width;
- (float) height;
- (float) area;
- (void) setWidth: (float) theWidth;
- (void) setHeight: (float) theHeight;
- (void) setX: (float) theX y: (float) theY;
@end

Обратите внимание, что имя метода может совпадать с именем instance-переменной данного класса (например, width и heigh).
Тип возвращаемого методом значения указывается в круглых скобках сразу же после знака плюс или минус (но перед названием метода). Если тип не указан, то считается, что возвращается значение типа id. Далее идет имя метода, где после каждого двоеточия задается тип аргумента (в круглых скобках) и сам аргумент. Язык Objective-C позволяет для аргументов метода задавать также один из следующих описателей - oneway, in, out, inout, bycopy и byref. Данные описатели служат для задания направления передачи данных и способа передачи.

Метод, принимающий произвольное количество параметров, может быть описан следующим образом:
- makeGroup: (id) object, ...;

Для подключения заголовочного файла в Objective-C вместо директивы #include используется директива #import, полностью аналогичная #include, но гарантирующая что данных файл будет подключен всего один раз.

Реализация методов класса выглядит следующим образом:
#import "ClassName.h"
@implmentation ClassName
method implementations
@end

Ниже приводится пример реализации методов класса Rect, описанного ранее.
#import "Rect.h"

@implmentation Rect

+ newRect {
Rect * rect = [[Rect alloc] init];
[rect setWidth: 1.0f];
[rect setHeight: 1.0f];
[rect setX: 0.0f y: 0.0f];
}
- (float) width { return width; }
- (float) height { return height; }
- (float) area { return [self width] * [self height]; }
- (void) setWidth: (float) theWidth { width = theWidth; }
- (void) setHeight: (float) theHeight { height = theHeight; }
- (void) setX: (float) theX y: (float) theY {
x = theX;
y = theY;
}
@end

Как видно из примера выше, в методах доступны все instance-переменные. Однако, как и в С++, есть возможность управлять видимостью переменных (видимостью методов управлять нельзя) при помощи директив @private, @protected и @public (действующих полностью аналогично языку С++).

Как работает механизм сообщений

Компилятор переводит каждую посылку сообщения, т.е. конструкцию вида [object msg] в вызов функции objc_msgSend.

Эта функция в качестве своего первого параметра принимает указатель на объект-получатель сообщения, в качестве второго параметра выступает т.н. селектор, служащий для идентификации посылаемого сообщения. Если в сообщении присутствуют аргументы, то они также передаются objc_msgSend как третий, четвертый и т.д. параметры. Далее происходит поиск подходящей функции среди функций данного класса, если такой не найдено, то среди функций родительского класса, если и там не найдено, то среди функций родительского класса родительского класса( :-) ) и т.д. Если метод (т.е. соответствующая ему функция) находится, то осуществляется его вызов с передачей всех необходимых аргументов.

В противном случае объекту дается последний шанс обработать сообщение перед вызовом исключения - селектор сообщения вместе с параметрами "заворачивается" в специальный объект типа NSInvocation и объекту посылается сообщение forwardInvocation:, где в качестве параметра выступает объект класса NSInvocation.

Если объект поддерживает forwardInvocation:, то он может либо сам обработать посылаемое сообщение, либо переслать другому объекту для обработки:
- (void)forwardInvocationNSInvocation *)anInvocation
{
if ( [someOtherObject respondsToSelector: [anInvocation selector]] )
[anInvocation invokeWithTarget: someOtherObject];
else
.
}

Создание и уничтожение объектов

В самом языке Objective-C нет специальных команд для создания и уничтожения объектов (подобных new и delete). Эта задача ложится на runtime-библиотеку и реализуется при помощи механизма посылки сообщений.
Создание нового объекта разбивается на два шага - выделение памяти и инициализация объекта. Первый шаг реализуется методом класса alloc (реализованном в классе NSObject), который выделяет необходимое количество памяти (данный метод используется для выделения памяти не только для объектов класса NSObject, но и любого унаследованного от него класса). При этом выделяемая память обнуляется и в атрибут isa записывается указатель на class object соответствующего класса.

Обратите внимание, что сообщение alloc посылается class object-у требуемого класса и это сообщение возвращает указатель на выделенную под объект память.

Собственно сама инициализация объекта (т.е. установка значений его instance-переменных, выделение дополнительных ресурсов и т.п.) осуществляется другими методами, по традиции имена этих методов начинаются с init. Обычно такое сообщение посылается сразу же после сообщение alloc, по адресу, возвращенному этим сообщением.

id anObject = [[Rectangle alloc] init];

При создании нового класса обычно нет необходимости переопределять метод alloc, а вот необходимость переопределения метода init возникает достаточно часто (хотя во многих случаях можно положится на обнуление памяти alloc'ом).

Обратите внимание, что метод(ы) init является обычным методом, ничем не выделяющимся среди остальных (в отличии от С++, где конструктор - это особый метод, у которого например нельзя взять адрес). Поэтому при создании нового класса и метода init вызов переопределенного метода init (при помощи [super init]) должен быть произведен явно в самом начале метода.

Mac OS X (как и NextStep) для управления временем жизни объектов используют reference counting - каждый объект содержит внутри себя некоторый счетчик, при создании устанавливаемый в единицу.

Посылка объекту сообщения retain увеличивает значение этого счетчика на единицу (так все контейнерные классы библиотеки Foundation при помещении в них объекта, посылают ему сообщение retain). Установившейся практикой является посылка объекту сообщения retain всеми, заинтересованными в нем сторонами (объектами), т.е. если вы запоминаете ссылку на объект, то следует послать ему сообщение retain.

Когда объект перестает быть нужен, то ему просто посылается сообщение release. Данное сообщение уменьшает значение счетчика на единицу и, если это значение стало меньше единицы, уничтожает данный объект.

Перед уничтожением объекта ему посылается сообщение dealloc, позволяющее объекту произвести свою деинициализацию. При этом это также является обычным сообщением и в нем Вы явно должны в конце вызвать унаследованную реализацию через [super dealloc].

- (void) dealloc
{
. . .
[super dealloc];
}

Objective-C 2.0

На WDC2006 Apple представила новую версию языка - 2.0. Среди нововведений были отмечены сборка мусора, быстрая энумерация, свойства в классах, 64-битная поддержка и многое другое. Следует отметить, что эти нововведения доступны только для Leopard.

Сборка мусора

Objective-C 2.0 позволяет производить автоматическую сборку мусора, правда это опционально.

Свойства

Ранее для изменения и чтения instance variables необходимо было писать методы возврата и задания значения(т.н. getters and setters), теперь можно писать так:

@interface Person : NSObject {
}
@property(readonly) NSString *name;
@property(readonly) int age;
-(id)initWithNameNSString)name ageint)age;
@end

Получить имя можно так:
NSString *name = aPerson.name;

Быстрая энумерация

Теперь добавлен аналог оператора foreach:
for (Person *p in thePeople) NSLog(@"%@ is %i years old.", [p getName], [p getAge]);