Иерархия классов

14.1 Иерархия

Управлять большим количеством разрозненных классов довольно сложно. С этой проблемой можно справиться путем упорядочивания и ранжирования классов, то есть объединяя общие для нескольких классов свойства в одном классе и используя его в качестве базового. Эту возможность предоставляет механизм наследования.

Наследование применяется для следующих взаимосвязанных целей:

Наследование является единственной возможностью использовать объекты, исходный код которых недоступен, но в которые требуется внести изменения.

Кроме механизма наследования в данном разделе мы рассмотрим такие важные понятия ООП как полиморфизм и инкапсуляцию (см. лекцию 2), которые также принимают участие в формировании иерархии классов.

Наследование

Класс в С# может иметь произвольное количество потомков и только одного предка. При описании класса имя его предка записывается в заголовке класса после двоеточия. Если имя предка не указано, предком считается базовый класс всей иерархии System.Object. Синтаксис наследования:

[атрибуты] [спецификаторы] class имя_класса [: предки]
{ тело_класса}

Обратите внимание на то, что слово "предки" присутствует в описании класса во множественном числе, хотя класс может иметь только одного предка. Это связано с тем, что класс наряду с единственным предком-классом может наследовать интерфейсы (специальный вид классов, не имеющих реализации). Интерфейсы будут рассмотрены чуть позже.

Класс, который наследуется, называется базовым. Класс, который наследует базовый класс, называется производным. Производный класс, наследует все переменные, методы, свойства, операторы и индексаторы, определенные в базовом классе, кроме того в производный класс могут быть добавлены уникальные элементы или переопределены существующие.

Рассмотрим наследование классов на примере геометрических фигур на плоскости. В качестве базового класса создадим класс DemoPoint (точка на плоскости), в качестве производного класса от DemoPoint класс DemoLine (отрезок на плоскости):

class DemoPoint //базовый класс
  {
    public int x;
    public int y;
    public void Show()
    {
      Console.WriteLine("({0}, {1})", x, y);
    }
  }

  class DemoLine : DemoPoint //производный класс
  {
    public int xEnd;
    public int yEnd;
    public  void Show()
    {
      Console.WriteLine("({0}, {1})-({2}, {3})", x, y ,xEnd, yEnd);
    }
  }

  class Program
  {
    static void Main()
    {
      DemoPoint point = new DemoPoint();
      point.x = 0;
      point.y = 0;
      point.Show();
      DemoLine line = new DemoLine();
      line.x = 2;  line.y = 2;
      line.xEnd = 10;  line.yEnd = 10;
      line.Show();
    }
  }

Экземпляр класса DemoLine с одинаковой легкостью использует как собственные поля и методы, так и унаследованные от класса DemoPoint. При этом, если метод производного класса называется также как и метод базового класса, то вызывается метод производного. Однако компилятором будет сгенерировано предупреждение:

Чтобы избежать подобного предупреждения необходимо перед одноименным членом производного класса, в данном случае перед методом Show в классе DemoLine, поставить спецификатор new. Данный спецификатор скрывает одноименный член базового класса и предупреждений выдаваться не будет.

Использование защищенного доступа

В нашем примере поля x и у базового класса были открыты для доступа ( public ). Если убрать public, то поля автоматически станут закрытыми для доступа ( private ), в том числе и для доступа из производного класса. Решить проблему доступа к закрытым полям базового класса из производного можно двумя способами: используя свойства класса или спецификатор protected. При объявлении какого-то члена класса с помощью спецификатора protected, он становится закрытым для всех классов, кроме производных.

class DemoPoint
  {
      protected int x;
      protected int y;
      public void Show()
      {
        Console.WriteLine("({0}, {1})",x, y);
      }
    }

    class DemoLine : DemoPoint
    {
      public int xEnd;
      public int yEnd;
      public new void Show()
      {
        x=2; y=2; //доступ к закрытым полям базового класса
        Console.WriteLine("({0}, {1})-({2}, {3})", x, y, xEnd, yEnd);
      }
    }
   
    class Program
    {
      static void Main()
      {
        DemoPoint point = new DemoPoint();
        point.Show();
        DemoLine line = new DemoLine();
        //line.x = 2; line.y = 2; //доступ к полям закрыт
        line.xEnd = 10;    line.yEnd = 10;
        line.Show();
      }
    }
  }

Обратите внимание на то, что доступ к полям х и y из класса Program невозможен, а из производного класса DemoLine возможен.

Наследование конструкторов

В иерархии классов как базовые, так и производные классы могут иметь собственные конструкторы. При этом конструктор базового класса создает часть объекта, соответствующую базовому классу, а конструктор производного класса - часть объекта, соответствующую производному классу. Так как базовый класс не имеет доступа к элементам производного класса, то их конструкторы должны быть раздельными.

В предыдущем примере классы создавались за счет автоматического вызова средствами С# конструктора по умолчанию. Добавим конструктор только в производный класс DemoLine:

class DemoPoint
{
  protected int x;
  protected int y;
  public void Show()
  {
    Console.WriteLine("({0}, {1})",x, y);
  }
}

class DemoLine : DemoPoint
{
  public int xEnd;
  public int yEnd;
  new public void Show()
  {
    Console.WriteLine("({0}, {1})-({2}, {3})", x, y, xEnd, yEnd);
  }

  public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2) //конструктор производного класса
  {
    x = x1;    y = y1;
    xEnd = x2; yEnd = y2;
  }
}

class Program
{
  static void Main()
  {
    DemoPoint point = new DemoPoint(); //вызывается конструктор по умолчанию 
    point.Show();
    DemoLine line = new DemoLine(2, 2, 10, 10); //вызывается собственный конструктор 
    line.Show();
  }
}

В данном случае конструктор определяется только в производном классе, поэтому часть объекта, соответствующая базовому классу, создается автоматически с помощью конструктора по умолчанию, а часть объекта, соответствующая производному классу, создается собственным конструктором.

Если же конструкторы определены и в базовом, и в производном классе, то процесс создания объектов несколько усложняется, т.к. должны выполниться конструкторы обоих классов. В этом случае используется ключевое слово base, которое имеет два назначения:

конструктор_производного_класса (список_параметров) : base (список_аргументов)
{ тело конструктора }

где с помощью элемента списка аргументов передаются параметры конструктору базового класса. Например: 

class DemoPoint
    {
      protected int x;
      protected int y;
      public void Show()
      {
        Console.WriteLine("({0}, {1})",x, y);
}
      public DemoPoint (int x, int y)//конструктор базового класса
      {
        this.x=x;  this.y=y;
      }
    }

class DemoLine : DemoPoint
    {
      public int xEnd;
      public int yEnd;
      new public void Show()
      {
        Console.WriteLine("({0}, {1})-({2}, {3})", x, y, xEnd, yEnd);
      }

      public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1) //конструктор производного класса
      {
        xEnd = x2; yEnd = y2;
      }
    }

class Program
    {
      static void Main()
      {
        DemoPoint point= new DemoPoint(5, 5);
        point.Show();
        DemoLine line = new DemoLine( 2, 2, 10, 10);
        line.Show();
      }
    }

class DemoPoint
{
  protected int x;
  protected int y;
  public void Show()
  {
    Console.WriteLine("({0}, {1})",x, y);
}
  public DemoPoint () //конструктор базового класса по умолчанию
  {
    this.x=1;  this.y=1;
  }
  public DemoPoint (int x, int y) //конструктор базового класса с параметрами
  {
    this.x=x;  this.y=y;
  }
}

class DemoLine : DemoPoint
{
  public int xEnd;
  public int yEnd;
  new public void Show()
  {
    Console.WriteLine("({0}, {1})-({2}, {3})", x, y, xEnd, yEnd);
  }
  public DemoLine() //конструктор производного класса по умолчанию
  {
    xEnd = 100; yEnd = 100;
  }
  public DemoLine(int x2, int y2) //конструктор производного класса с двумя параметрами
  {
    xEnd = x2; yEnd = y2;
  }  
  //конструктор производного класса с четырьмя параметрами
  public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1)
  {
    xEnd = x2; yEnd = y2;
  }
}

class Program
{
  static void Main()
  {
    DemoPoint point1= new DemoPoint(); //вызов конструктора по умолчанию
    DemoPoint point2= new DemoPoint(5, 5); //вызов конструктора с параметрами
    point1.Show();
    point2.Show();
    DemoLine line1 = new DemoLine();//вызов конструктора по умолчанию
    DemoLine line2 = new DemoLine(4, 4);   //вызов конструктора с двумя параметрами
    //вызов конструктора с четырьмя параметрами
    DemoLine line3 = new DemoLine(2, 2, 10, 10);
    line1.Show();
    line2.Show();
    line3.Show();
  }
}

base.член_класса

class DemoPoint
  {
    protected int x;
    protected int y;
    public void Show()
    {
      Console.Write("({0}, {1})",x, y);
    }
    public DemoPoint (int x, int y)//конструктор базового класса
    {
      this.x=x;  this.y=y;
    }
  }

  class DemoLine : DemoPoint
  {
    public int xEnd;
    public int yEnd;
    new public void Show()
    {
      base.Show(); //вызов члена базового класса
      Console.WriteLine("-({0}, {1})", xEnd, yEnd);
    }

    public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1) //конструктор производного класса
    {
      xEnd = x2; yEnd = y2;
    }
  }

  class Program
  {
    static void Main()
    {
      DemoLine line = new DemoLine( 2, 2, 10, 10);
      line.Show();
    }
  }

Многоуровневая иерархия

До сих пор мы рассматривали простой тип иерархии классов, который состоит из одного базового и одного производного класса. В общем случае можно построить иерархию классов, состоящую из любого количества уровней наследования. Рассмотрим следующую иерархию классов:

(рис 15.2) 15_02

class DemoPoint
{
  protected int x;
  protected int y;
  public void Show()
  {
    Console.WriteLine("точка на плоскости: ({0}, {1})",x, y);
  }
  public DemoPoint (int x, int y)
  {
    this.x=x;  this.y=y;
  }
}

class DemoShape : DemoPoint
{
  protected int z;
  new public void Show()
  {
    Console.WriteLine("точка в пространстве: ({0}, {1}, {2})", x, y, z);
  }
  public DemoShape(int x, int y, int z):base(x, y) 
  {
    this.z=z;
  }
}

class DemoLine : DemoPoint
{
  protected int x2;
  protected int y2;
  new public void Show()
  {
    Console.WriteLine("отрезок на плоскости: ({0}, {1})-({2},{3})",x,y, x2, y2);
  }
  public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1) 
  {
    this.x2 = x2; this.y2 = y2;
  }
}

class DemoTriangle: DemoLine
{
  protected int x3;
  protected int y3;
  new public void Show()
  {
    Console.WriteLine("треугольник на плоскости: ({0}, {1})-({2},{3})-({4},{5})",x,y, x2, y2, x3, y3);
  }
  public DemoTriangle(int x1, int y1, int x2, int y2, int x3, int y3):base(x1, y1, x2, y2)    
  {
    this.x3 = x3; this.y3 = y3;
  }
}
  
class Program
{
  static void Main()
  {
    DemoPoint point = new DemoPoint(1,1);
    point.Show();
    DemoShape pointShape = new DemoShape(1,1,1);
    pointShape.Show();
    DemoLine line = new DemoLine( 2, 2, 10, 10);
    line.Show();
    DemoTriangle triangle = new DemoTriangle (0,0,0,3,4,0);
    triangle.Show();
  }
}

Переменные базового класса и производного класса

С# является языком со строгой типизацией, в нем требуется строгое соблюдение совместимости типов с учетом стандартных преобразований типов. Из чего следует, что переменная одного типа обычно не может ссылаться на объект другого ссылочного типа. За одним небольшим исключением - ссылочная переменная базового класса может ссылаться на объект любого производного класса. Продемонстрируем это на примере:

class DemoPoint
  {
    public int x;
    public int y;
    public void Show()
    {
      Console.WriteLine("точка на плоскости: ({0}, {1})",x, y);
    }
    public DemoPoint (int x, int y)
    {
      this.x=x;  this.y=y;
    }
  }

class DemoShape : DemoPoint
  {
    public int z;
    new public void Show()
    {
      Console.WriteLine("точка в пространстве: ({0}, {1}, {2})", x, y, z);
    }
    public DemoShape(int x, int y, int z):base(x, y) 
    {
      this.z=z;
    }
}

class Program
  {
    static void Main()
    {
      DemoPoint point1 = new DemoPoint(0,1);
      Console.WriteLine("({0}, {1})",point1.x,point1.y);
      DemoShape pointShape = new DemoShape(2,3,4);
      Console.WriteLine("({0}, {1}, {2})",pointShape.x, pointShape.y, pointShape.z);
      DemoPoint point2=pointShape; //допустимая операция
      //ошибка - не соответствие типов указателей
      //pointShape=point1; 
      Console.WriteLine("({0}, {1})", point2.x, point2.y);
      //ошибка, т.к. в классе DemoPoint нет поля z
      //Console.WriteLine("({0}, {1}, {2})", point2.x, point2.y, point2.z);
    }
  }

Ошибка возникнет и при попытке через объект point2 обратиться к методу Show. Например, point2.Show(). В этом случае компилятор не сможет определить, какой метод Show вызвать - для базового или для производного класса. Для решения данной проблемы можно воспользоваться таким понятием как полиморфизм, который основывается на механизме виртуальных методов.

Виртуальные методы

Виртуальный метод - это метод, который объявлен в базовом классе с использованием ключевого слова virtual, и затем переопределен в производном классе с помощью ключевого слова override. При этом если реализована многоуровневая иерархия классов, то каждый производный класс может иметь свою собственную версию виртуального метода. Этот факт особенно полезен в случае, когда доступ к объекту производного класса осуществляется через ссылочную переменную базового класса. В этой ситуации С# сам выбирает какую версию виртуального метода нужно вызвать. Этот выбор производится по типу объекта, на которую ссылается данная ссылка. Например:

class DemoPoint //базовый класс
  {
    protected int x;
    protected int y;
    public virtual void Show()  //виртуальный метод
    {
      Console.WriteLine("точка на плоскости: ({0}, {1})",x, y);
    }
    public DemoPoint (int x, int y)
    {
      this.x=x;  this.y=y;
    }
  }
  class DemoShape : DemoPoint //производный класс
  {
    protected int z;
    public override void Show() //перегрузка виртуального метода
    {
      Console.WriteLine("точка в пространстве: ({0}, {1}, {2})", x, y, z);
    }

    public DemoShape(int x, int y, int z):base(x, y) //конструктор производного класса
    {
      this.z=z;
    }

  }
  class DemoLine : DemoPoint //производный класс
  {
    protected int x2;
    protected int y2;
    public override void Show()  //перегрузка виртуального метода
    {
      Console.WriteLine("отрезок на плоскости: ({0}, {1})-({2},{3})",x,y, x2, y2);
    }
    public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1) 
    {
      this.x2 = x2; this.y2 = y2;
    }
  }
  
  class Program
  {
    static void Main()
    {
      DemoPoint point1 = new DemoPoint(0,1);
      point1.Show();
      DemoShape pointShape = new DemoShape(2,3,4);
      pointShape.Show();
      DemoLine line = new DemoLine(0,0, 10, 10);
      line.Show();
      Console.WriteLine();
      //использование ссылки базового класса на объекты производных классов
      DemoPoint point2=pointShape;
      point2.Show();
      point2=line;
      point2.Show(); 
    }
  }

Таким образом, благодаря полиморфизму через ссылочную переменную возможно обращаться к объектам разного типа, а также с помощью одного и того же имени выполнять различные действия.

Абстрактные методы и классы

Иногда полезно создать базовый класс, определяющий только своего рода "пустой бланк", который унаследуют все производные классы, причем каждый из них заполнит этот "бланк" собственной информацией. Такой класс определяет структуру методов, которые производные классы должны реализовать, но сам при этом не обеспечивает реализации этих методов. Подобная ситуация может возникнуть, когда базовый класс попросту не в состоянии реализовать метод. В данной ситуации разрабатываются целые абстрактные классы.

Абстрактный метод создается с помощью модификатора abstract. Он не имеет тела и, следовательно, не реализуется базовым классом, а производные классы должны его обязательно переопределить. Абстрактный метод автоматически является виртуальным, однако использовать спецификатор virtual не нужно. Более того, если вы попытаетесь использовать два спецификатора одновременно, abstract и virtual, то компилятор выдаст сообщение об ошибке.

Если класс содержит один или несколько абстрактных классов, то его также нужно объявить как абстрактный, используя спецификатор abstract перед class. Поскольку абстрактный класс полностью не реализован, то невозможно создать экземпляр класса с помощью операции new. Например, если класс Demo определен как абстрактный, то попытка создать экземпляр класса Demo повлечет ошибку:

Demo a = new Demo();

Однако, можно создать массив ссылок, используя этот же абстрактный класс:

Demo [] Ob=new Demo[5];

Если производный класс наследует абстрактный, то он должен полностью переопределить все абстрактные методы базового класса или также быть объявлен как абстрактный. Таким образом, спецификатор abstract наследуется до тех пор, пока в производном классе не будут реализованы все абстрактные методы.

Рассмотрим пример использования абстрактных методов и классов.

abstract class Demo //абстрактный класс
  {
    abstract public void Show();//абстрактный метод
    abstract public double Dlina();//абстрактный метод
  }

  class DemoPoint:Demo //производный класс от абстрактного
  {
    protected int x;
    protected int y;
    public DemoPoint (int x, int y)
    {
      this.x=x;  this.y=y;
    }
    public override void Show() //переопределение абстрактного метода
    {
      Console.WriteLine("точка на плоскости: ({0}, {1})",x, y);
    }
    public override double Dlina()  //переопределение абстрактного метода
    {
      return Math.Sqrt(x*x+y*y);
    }
  }

  class DemoShape : DemoPoint //производный класс 
  {
    protected int z;
    public DemoShape(int x, int y, int z):base(x, y) 
    {
      this.z=z;
    }
    public override void Show()  //переопределение абстрактного метода
    {
      Console.WriteLine("точка в пространстве: ({0}, {1}, {2})", x, y, z);
    }
    public override double Dlina()  //переопределение абстрактного метода
    {
      return Math.Sqrt(x*x+y*y+z*z);
    }
  }

  class DemoLine : DemoPoint //производный класс
  {
    protected int x2;
    protected int y2;
    public DemoLine(int x1, int y1, int x2, int y2):base(x1, y1) 
    {
      this.x2 = x2; this.y2 = y2;
    }
    public override void Show()  //переопределение абстрактного метода
    {
      Console.WriteLine("отрезок на плоскости: ({0}, {1})-({2},{3})",x,y, x2, y2);
    }
    public override double Dlina()  //переопределение абстрактного метода
    {
      return Math.Sqrt((x-x2)*(x-x2)+(y-y2)*(y-y2));
    }
  }
  
  class Program
  {
    static void Main()
    {
      Demo [] Ob=new Demo[5]; //массив ссылок
      //заполнения массива ссылками на объекты производных классов
      Ob[0]=new DemoPoint(1,1);
      Ob[1]=new DemoShape(1,1,1);
      Ob[2]=new DemoLine(0,3,4,0);
      Ob[3]=new DemoLine(2,1,2,10);
      Ob[4]=new DemoPoint(0,100);
      foreach (Demo a in Ob) //просмотр массива
      {
        a.Show();
        Console.WriteLine("Dlina: {0:f2}\n", a.Dlina());
      }
    }
  }

Запрет наследования

В С# есть ключевое слово sealed, позволяющее описать класс, от которого запрещено наследование. Например:

sealed class Demo {   … }
class newDemo: Demo {   …  }  // ошибка

14.2. Практикум

Задание 1

Задание 2

Задание 3

Задание 4

Задание 5

Задание 6

Задание 7

Задание 8

Задание 9

Задание 10

14.3. Самостоятельная работа

Используя дополнительную литературу и Интернет, рассмотрите следующие темы: