Инкапсуляция

Цель лекции: научить использовать технологию инкапсуляции при программировании на C#.

Начиная с этой лекции мы будем подробно рассматривать принципы объектно-ориентированного программирования только на примере языка C#. Язык C# является полноценным объектно-ориентированным языком программирования со строгим контролем типов. Мы будем рассматривать объектно-ориентированное программирование только для языка C#, поскольку этот язык поддерживает все основные конструкции объектно-ориентированного подхода за исключением множественного наследования.

В C# объектно-ориентированное программирование поддерживается с помощью классов. Класс - это пользовательский тип данных, который включает в себя как данные, так и программный код в виде функций. Данные хранимые в классе называются полями, а функции класса называются методами. Также класс может содержать свойства и индексаторы, которые в определенном смысле объединяют поля и методы. После того, как класс описан, можно создавать переменные с типом этого класса. Эти переменные называются экземплярами класса или объектами данного класса. Приведем пример простейшего класса:

$$\begin{verbatim} class TAirplan { string Name; double Altitude; double MaxAltitude = 12000; void IncAltitude(double delta) { Altitude += delta; if(Altitude > MaxAltitude) { Altitude = MaxAltitude; } } } \end{verbatim}$$

Теперь у нас есть новый тип данных - $$TAirplan$$. Если мы попробуем использовать этот класс следующим образом:

$$\begin{verbatim} TAirplan Airplan; Airplan.Name = "Boeing"; Airplan.Altitude = 1000; Airplan.IncAltitude(100); \end{verbatim}$$

то обнаружим следующие ошибки. Во-первых, для создания экземпляра класса недостаточно объявить соответствующую переменную. Экземпляр класса необходимо создать с помощью оператора New. Дело в том, что переменная типа класса на самом деле является не переменной, а ссылкой на переменную. По сути ссылка - это адрес в памяти, где должна храниться переменная. Поэтому процедура создания класса включает в себя выделение соответствующей памяти, инициализации полей класса и присвоение ссылке адреса выделенной памяти. Создать экземпляр нашего класса можно следующим образом:

$$\begin{verbatim} TAirplan Airplan = new TAirplan(); \end{verbatim}$$

Во-вторых, использование полей класса и вызов его методов в строках:

$$\begin{verbatim} Airplan.Name = "Boeing"; Airplan.Altitude = 1000; Airplan.IncAltitude(100); \end{verbatim}$$

будет невозможным. Дело в том, что по умолчанию определенные поля и методы являются закрытыми от внешнего обращения. К таким полям можно обращаться только из методов самого класса. Для того, чтобы сделать возможным общаться к полям и методам класса необходимо использовать спецификаторы доступа. В C# существуют следующие спецификаторы доступа:

public

protected

private

new

internal

static

readonly

volatile

Некоторые спецификаторы могут использоваться совместно, а некоторые являются взаимоисключающими. По умолчанию, если не указан спецификатор доступа, полям и методам присваивается спецификатор private. Этот спецификатор означает, что к данному полю и методу невозможно обратиться из другого класса и даже из класса - наследника нашего класса. Спецификатор $$protected$$ аналогичен спецификатору $$private$$ за исключением того, что поля и методы с этим спецификатором "видны" для классов наследников данного класса. Наиболее либеральным является спецификатор $$public$$. К полям и методам, помеченным этим спецификатором, можно обращаться из любых других классов. Может показаться, что легче всего помечать все поля и методы $$public$$, чтобы "не мучаться". Часто начинающие программисты именно так и поступают. Однако такой подход противоречит идеологии объектно-ориентированного программирования. Важная идея инкапсуляции состоит в сокрытии внутренних полей и методов от внешней среды. Может показаться удивительным, но порой чем меньше мы знаем о внутреннем устройстве класса, тем легче и безопаснее им пользоваться.

Возвращаясь к нашему примеру, разумно дать возможность вызывать метод $$IncAltitude()$$ для изменения высоты. Для этого нужно назначить для метода $$IncAltitude$$ спецификатор доступа - $$public$$. Но не стоит давать возможность пользователям класса самостоятельно изменять высоту путем доступа к полю $$Altitude$$, поскольку тогда возможно превышение порога высоты. В тоже время, если у поля $$Altitude$$ будет спецификатор доступа $$private$$, то пользователь не сможет не только изменить это поле, но и прочитать. Для этого нужно создать еще один метод, который будет выдавать пользователю значение высоты:

$$\begin{verbatim} public double GetAltitude() { return Math.Round(Altitude); } \end{verbatim}$$

Заметим, что таким образом мы контролируем, чтобы пользователь всегда получал значение высоты, округленное до ближайшего целого.

Однако если мы создадим наш класс в таком виде:

$$\begin{verbatim} class TAirplan { string Name; double Altitude; double MaxAltitude = 12000; void IncAltitude(double delta) { Altitude += delta; if(Altitude > MaxAltitude) { Altitude = MaxAltitude; } } public double GetAltitude() { return Math.Round(Altitude); } } \end{verbatim}$$

и попробуем его использовать таким образом:

$$\begin{verbatim} TAirplan Airplan = new TAirplan(); // создать объект Airplan.IncAltitude(100); // увеличить высоту Console.WriteLine("Высота = {0}", Airplan.GetAltitude()); // показать высоту \end{verbatim}$$

то мы увидим строку "Высота = 100". Однако есть одно обстоятельство, состоящее в том, что мы никак не инициализировали наши поля перед использованием. Конечно, мы можем знать, что C# всегда инициализирует переменные типа double нулем, но желательно инициализировать переменные явно. К счастью, в объектно-ориентированном программировании каждый класс может иметь специальный метод (и даже не один) называемый конструктором. Конструктор - это метод, который всегда вызывается при создании экземпляра класса. Кстати, если в классе не определен ни один конструктор, то компилятор создает конструктор по умолчанию. Конструктор имеет следующие черты, которые выделяют его из других методов.

Имя конструктора всегда совпадает с именем класса. Никакой другой метод не может иметь имя, совпадающее с именем класса.

Конструктор не имеет возвращаемого типа. Никакой другой метод не может не иметь возвращаемого типа.

Конструктор можно вызвать только путем создания экземпляра класса.

Добавим в наш класс конструктор:

$$\begin{verbatim} class TAirplan { public readonly string Name; double Altitude; double MaxAltitude = 12000; public TAirplan(string Name, double Altitude) { this.Name = Name; this.Altitude = Altitude; } public void IncAltitude(double delta) { ... } public double GetAltitude() { ... } } \end{verbatim}$$

Теперь создавать экземпляр нашего класса нужно следующим образом:

$$\begin{verbatim} TAirplan Airplan = new TAirplan("Boeing", 0); \end{verbatim}$$

Заметим, что мы пометили поле $$Name$$ спецификатором доступа $$readonly$$, для того, чтобы извне можно было читать это поле, но нельзя было модифицировать. Обратим Ваше внимание на ключевое слово $$this$$, для доступа к полям самого класса. Это необходимо для того, чтобы отделить переменные-параметры от полей класса.

Рассмотренная выше технология программирования называется инкапсуляцией. Инкапсуляцией называется технология программирования, при которой реализуется тщательный контроль доступа к внутренним полям и методам класса. На наш взгляд инкапсуляция является наиболее важным принципом объектно-ориентированного программирования.

Ключевые термины

Класс - пользовательский тип данных, который включает в себя как данные, так и программный код в виде функций.

Конструктор - метод, который всегда вызывается при создании экземпляра класса.

Спецификаторы доступа - ключевые слова языка C# для указания уровня доступа к полю или методу класса.

Ссылка - именованный адрес в памяти, где хранится переменная, для доступа к этой переменной.

Экземпляр класса - переменная типа класс.

Краткие итоги: Рассмотрена технология инкапсуляции на примере классов C#. На модельных примерах показано применение этой технологии и ее эффективность.