A programação estruturada fornece mecanismos para modularizar os conceitos envolvidos em um sistema de software através da definição de estruturas de dados e dos algoritmos que as manipulam. As linguagens estruturadas mais comumente usadas possibilitam a representação de diferentes tipos de dados e variáveis de forma a expressar as características e as propriedades dos conceitos envolvidos, bem como procedimentos e funções para modelar as operações envolvidas.

No entanto, ao tentarmos reusar os componentes expressos através das linguagens estruturadas, precisamos descobrir a relação entre os dados (representados pelas estruturas de dados, tipos de dados e variáveis) e o comportamento (expresso através de procedimentos e funções). Desta forma, o reuso normalmente ocorre em uma granularidade fina e muitas vezes demanda um esforço considerável (para identificar, por exemplo, quais procedimentos e funções relacionam-se com quais estruturas de dados). Embora seja possível a definição de bibliotecas reutilizáveis, a relação entre dados e comportamento não é explícita e localizada em uma única abstração.

A programação orientada a objetos (POO) é um paradigma de programação que visa representar os conceitos de um determinado domínio de aplicação através da criação de tipos abstratos de dados, chamados classes, que modelam tanto as características e as propriedades desses conceitos quanto suas operações. Ela estende a programação estruturada fornecendo os meios para que as classes sejam especificadas e compostas entre si de forma a modelar sistemas computacionais completos, visando uma melhor modularidade e um maior reuso de componentes que os programas escritos em linguagens estruturadas.

Atualmente, o paradigma de orientação a objetos é considerado o mais amplamente aceito e utilizado no desenvolvimento de sistemas de software. Diversas linguagens modernas fornecem suporte a este paradigma, incluindo: Java, C++, C#, Python, Kotlin, JavaScript, TypeScript, Swift e Ruby.

Uma classe é um mecanismo de abstração usado para representar conceitos de um determinado domínio de aplicação. Por exemplo, se considerarmos um domínio bancário, os conceitos seriam relacionados a agências, contas, clientes, transações, etc. Desta forma, poderíamos ter as classes Agência, Conta, Cliente, Transação, dentre outras, para representar os conceitos do domínio. A Figura mostra uma representação gráfica destas classes.

Representação gráfica das classes Agência, Conta, Cliente e Transação.

As classes servem como templates para a criação de exemplares concretos e manipuláveis desses conceitos. Tais exemplares são chamados de objetos. Diz-se que um objeto é uma instância de uma classe. O processo de criação de objetos é chamado de instanciação. Por exemplo, poderíamos criar objetos para representar os clientes João, Pedro e Maria, juntamente com suas informações pessoais e as funcionalidades possíveis para clientes.

Representação gráfica dos objetos João, Pedro e Maria, instâncias da classe Cliente.

Uma classe é definida de forma a representar as propriedades, as ca­rac­te­rís­ti­cas e o com­por­ta­men­to de um con­cei­to. Para isso, são usados prin­ci­pal­men­te dois me­ca­nis­mos: atributos e métodos.

Os atributos são utilizados para representar características ou propriedades dos objetos de uma classe. Exemplos de atributos de uma classe Cliente seriam nome, idade, endereço e estado civil. Dessa forma, ao ser instanciado, cada cliente específico poderia possuir valores distintos para esses atributos. Por exemplo, um objeto representando um cliente poderia ter os seguintes valores de atributos: nome $=$ João da Silva, idade $=$ 50, endereço $=$ Rua Presidente Vargas, 205, estado civil $=$ casado.

Os métodos são utilizados para representar comportamento. Por exemplo, possíveis métodos de uma classe Conta poderiam estar relacionados às operações de abrir, encerrar, ou alterar o titular de uma conta. A invocação de um método (também conhecida como chamada a um método) de uma classe faz com que a operação implementada no método seja executada. Comumente, as classes possuem métodos especiais para a criação (instanciação) de objetos, chamados de construtores e para a destruição de objetos (destrutores).

Os atributos e métodos também dividem-se em duas categorias: de instância e de classe. Os atributos e métodos de instância são os mais comumente utilizados e são acessados a partir de objetos da classe. Eles representam características e operações que estão relacionadas com as instâncias individualmente. Exemplos de atributos de instância de uma classe Conta seriam: banco, agência, número da conta, titular da conta, etc. Métodos de instância seriam operações para uma conta específica, tais como: sacar, transferir, depositar, etc. Já os atributos e métodos de classe representam atributos e métodos da classe em si (e não de suas instâncias) como, por exemplo, um atributo que conta o número de instâncias criadas pela classe Conta ou um método que obtém tal número de instâncias desse atributo.

De forma a restringir o acesso a atributos e métodos, as classes fornecem mecanismos de encapsulamento e ocultação de informação. Normalmente, o que as linguagens de programação fornecem é o uso de modificadores de visibilidade, que definem quem consegue enxergar um determinado atributo, método, ou classe.

As classes servem como mecanismos de abstração, nas quais conceitos do mundo real e do mundo computacional são representados e encapsulados em uma estrutura de classe. A partir dessas abstrações, são utilizados mecanismos de composição (relacionamentos) de forma a unir tais classes para que elas possam auxiliar a atender aos requisitos da aplicação. Dentre os diferentes relacionamentos possíveis entre classes, destacam-se: herança, associação, agregação, composição e realização.

A herança é uma mecanismo de composição que permite que as classes reusem a interface e o comportamento de classes existentes, através da extensão de suas funcionalidades de maneira aditiva. Normalmente, uma classe que estende outra classe através de herança é chamada de subclasse da primeira, enquanto a classe estendida é chamada de superclasse da segunda. O usual é que a definição de extensão esteja especificada na subclasse (algo como: SubClasse estende SuperClasse).

Considere, por exemplo, a Figura 3, onde são mostradas as classes Figura, Retângulo, Triângulo e Círculo.

Nessa figura, a superclasse é a classe Figura e as subclasses são Retângulo, Triângulo e Círculo.

Exemplo de herança.

O mecanismo de herança pode variar de acordo com a linguagem de programação e tais variações normalmente dizem respeito à visibilidade e à multiplicidade da herança. Algumas linguagens, como C++, permitem que a visibilidade da herança seja especificada como pública ou como privada. Considere uma classe A e uma classe B que herda da (ou estende a) classe A. Diz-se que a classe A é uma superclasse de B e que B é uma subclasse de A. Na herança pública, diz-se que se uma classe B herda de uma classe A, então B é um A (B é um subtipo de A), e tanto a implementação quanto a interface de uma classe A são herdadas pela classe B. Nesse caso, em todos os lugares em que for requerido um objeto da classe A, pode-se usar um objeto da classe B (ou de qualquer outra subclasse de A), dado que qualquer instância de B é considerada também uma instância de A. Tal princípio é chamado de princípio de substituição de Liskov. Na herança privada, B não é um A, apenas a implementação de A é herdada. Nesse caso, B é implementada em termos de A. O princípio de substituição de Liskov não se aplica em tais casos.

A herança pode também ser simples ou múltipla em relação à multiplicidade do relacionamento. Na herança simples, abordagem adotada por algumas linguagens de programação, tais como Java e C#, uma classe pode ter apenas uma superclasse. Já no caso da herança múltipla, abordagem adotada em C++, por exemplo, uma classe pode ter mais de uma superclasse. Não há um consenso entre os projetistas de linguagens de programação acerca de se os benefícios proporcionados pela herança múltipla são suficientes para justificar os problemas relacionados ao seu uso. Outras linguagens oferecem alternativas, tais como herança virtual (baseada em interfaces), traits e mixins.

Considere o exemplo de herança múltipla da Figura 4. Neste exemplo, temos duas classe que representam animais (Mamífero e Ave). Cada uma delas tem algumas subclasses: Cavalo, Cachorro e Morcego são subclasses de Mamífero e Ema e Pato são subclasses de Ave. No entanto, queremos também classificar os animais que são voadores. Para isso, criamos uma classe Voador, que representa objetos voadores (não necessariamente animais). Desta forma, usamos o recurso da herança múltipla para dizer que tanto objetos da classe Pato quanto da classe Morcego também são objetos voadores (herdam de Voador).

Exemplo de herança múltipla.

Algumas classes são ditas abstratas. Tais classes representam as características e o comportamento de um conjunto de objetos do mundo real da mesma forma que as demais classes (ditas concretas). No entanto, não existem instâncias diretas de tais classes (elas não podem ser instanciadas). Por exemplo, no caso da herança múltipla, poderíamos definir as classes Mamífero, Ave e Voador como classes abstratas, pois não há exemplares diretos dessas classes no mundo real - há apenas exemplares de suas subclasses (existem apenas cavalos, cachorros, patos, etc).

Além de questões como a visibilidade e a multiplicidade da herança, seu uso também possibilita a criação de métodos polimórficos. Em orientação a objetos, o polimorfismo é a capacidade que uma operação tem de ter um comportamento diferente dependendo da classe do objeto que a chama. As principais formas de polimorfismo são:

  • Polimorfismo ad-hoc (ou de sobrecarga), que ocorre quando existem métodos de uma classe com mesmo nome, mas com parâmetros formais de tipos diferentes. A chamada a um desses métodos pode resultar na invocação de um dos métodos específicos dependendo do parâmetro real utilizado;

  • Polimorfismo paramétrico, que ocorre quando um método é criado de maneira genérica, vinculado a um tipo que só é definido posteriormente (na declaração de uma variável, ou na instanciação de um objeto, por exemplo). Em linguagens orientadas a objetos, tais tipos são chamados de tipos genéricos;

  • Polimorfismo de subtipo, que ocorre quando as subclasses sobrescrevem métodos de uma de suas superclasses. Nesse caso, a determinação de qual método será executado dependerá do objeto que está fazendo a chamada. Isso normalmente é realizado em tempo de execução, na chamada ligação tardia.

Além do mecanismo de herança, existem outros tipos de relacionamentos, incluindo os seguintes: associação, agregação e composição. De um modo geral, o que muda nos diferentes relacionamentos é o grau de acoplamento entre os participantes:

  • Na associação, o relacionamento entre objetos comumente é transitório e pode ser alterado facilmente em tempo de execução. Considerando, por exemplo, objetos que modelam trânsito, podemos ter uma pessoa associada a um determinado veículo, no papel de condutora. Tal associação pode ser modificada sempre que existir a necessidade de alterar o condutor do veículo. Ambos os objetos continuam a existir, mesmo que a associação seja desfeita.

  • Na agregação, o relacionamento é mais forte que na associação. Comumente, os objetos agregados são criados no momento da criação do objeto agregador. Usando o mesmo domínio do exemplo anterior, poderíamos dizer que um carro possui quatro rodas, onde o carro seria o objeto agregador e as rodas seriam objetos agregados. Embora a associação entre rodas e carro possa ser desfeita, ela é mais forte que na associação (é mais incomum e trabalhoso trocarmos rodas de um carro que seu condutor).

  • Na composição, o relacionamento é ainda mais forte que na agregação. Esse relacionamento diferencia-se dos demais porque os objetos que estão sendo compostos fazem parte de um objeto maior. Então, por exemplo, poderíamos dizer que o tecido do banco do assento do veículo é composto de fios. Caso os fios deixem de existir, o banco também deixará (ou ao menos ficará descaracterizado).

Notem, no entanto, que muitas vezes essa relação entre objetos é algo conceitual. Ao mapearmos esses relacionamentos para uma linguagem de programação, por exemplo, associamos, agregamos e compomos objetos através de atributos de uma classe (configurando o valor de tais atributos nos objetos em tempo de execução, por exemplo). O que algumas vezes muda é o momento no qual os objetos são criados. Em uma composição, por exemplo, os objetos compostos são comumente criados no construtor da composição como um todo, enquanto em uma associação os objetos associados normalmente são criados de maneira independente em locais diferentes do código (e associados quando necessário).

Um último tipo de relacionamento, a realização, ocorre quando uma classe define que implementa uma determinada interface. Uma interface pode ser vista como uma classe abstrata com todos os métodos abstratos1 e serve como um protocolo entre os clientes e os implementadores da interface. Nesse caso, a classe (ou uma de suas subclasses) deve implementar os métodos descritos na interface. Dessa forma, os clientes podem implementar código que satisfaça a interface sem se preocupar em como as classes que a implementam o fazem.

Este artigo é uma adaptação de conteúdo do livro Orientação a Objetos com Java, de Eduardo Kessler Piveta.

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  1. Em Java, por exemplo, desde a versão 8, é possível definir métodos concretos em interfaces, chamados de métodos padrão (através da palavra reservada default). Neste caso, as classes que implementam (realizam) uma interface que possui um método padrão não precisam prover implementação para este método (embora possam, caso desejado). ↩