Процедуры и функции - методы класса

Проект к данной лекции Вы можете скачать здесь.

Процедуры и функции - функциональные модули

Первыми формами модульности, появившимися в языках программирования, были процедуры и функции. Поскольку функции в математике использовались издавна, появление их в языках программирования было совершенно естественным. Уже с первых шагов программирования процедуры и функции позволяли решать одну из важнейших задач, стоящих перед программистами, - задачу повторного использования программного кода. Один раз написанную функцию можно многократно вызывать в программе с разными значениями параметров, передаваемых функции в момент вызова. Встроенные в язык функции позволяли существенно расширить возможности языка программирования. Важным шагом в автоматизации программирования было появление библиотек процедур и функций, доступных из языка программирования.

Процедуры и функции - методы класса

Долгое время процедуры и функции играли не только функциональную, но и архитектурную роль. Весьма популярным при построении программных систем был метод функциональной декомпозиции "сверху вниз", и сегодня еще имеющий важное значение. Вся программа рассматривалась как некоторая главная функция. В процессе проектирования программы происходила декомпозиция главной функции на подфункции, решающие частные задачи. Этот процесс декомпозиции продолжался до тех пор, пока не приходили к достаточно простым функциям, реализация которых не требовала декомпозиции и могла быть описана базовыми конструкциями языка программирования.

С появлением ООП архитектурная роль функциональных модулей отошла на второй план. Для ОО-языков, к которым относится и язык C#, роль архитектурного модуля играет класс. Программная система строится из модулей, роль которых играют классы, но каждый из этих модулей имеет содержательную начинку, задавая некоторую абстракцию данных.

Процедуры и функции связываются теперь с классом, они обеспечивают требуемую функциональность класса и называются методами класса. Поскольку класс в объектно-ориентированном программировании рассматривается как некоторый тип данных, главную роль в классе начинают играть его данные - поля класса, задающие свойства объектов класса. Методы класса "служат" данным, занимаясь их обработкой. Помните: в C# процедуры и функции существуют только как методы некоторого класса, они не существуют вне класса.

В языке C# нет специальных ключевых слов - method, procedure, function, но сами понятия, конечно же, присутствуют. Синтаксис объявления метода позволяет однозначно определить, чем является метод - процедурой или функцией.

Прежнюю роль библиотек процедур и функций теперь играют библиотеки классов. Библиотека классов FCL, доступная в языке C#, существенно расширяет возможности языка. Знание классов этой библиотеки, методов этих классов совершенно необходимо для практического программирования на C#, использование всей его мощи.

Процедуры и функции. Отличия

Функция отличается от процедуры двумя особенностями:

• всегда вычисляет некоторое значение, возвращаемое в качестве результата функции;
• вызывается в выражениях.

Процедура C# имеет свои особенности:

• возвращает формальный результат void, который указывает на отсутствие результата, возвращаемого при вызове процедуры;
• вызов процедуры является оператором языка;
• имеет входные и выходные аргументы, причем выходных аргументов - ее результатов - может быть достаточно много.

Хорошо известно, что одновременное существование в языке процедур и функций в каком-то смысле избыточно. Добавив еще один выходной аргумент, любую функцию можно записать в виде процедуры. Справедливо и обратное. Если допускать функции с побочным эффектом, то любую процедуру можно записать в виде функции. В языке С - дедушке C# - так и сделали, оставив только функции. Однако значительно удобнее иметь обе формы реализации метода - процедуры и функции. Обычно метод предпочитают реализовать в виде функции тогда, когда он имеет один выходной аргумент, рассматриваемый как результат вычисления значения функции. Возможность вызова функций в выражениях также влияет на выбор в пользу реализации метода в виде функции. В других случаях метод реализуют в виде процедуры.

Описание методов (процедур и функций). Синтаксис

Синтаксически в описании метода различают две части - описание заголовка и описание тела метода:

заголовок_метода
тело_метода

Рассмотрим синтаксис заголовка метода:

[атрибуты][модификаторы]{void| тип_результата_функции} имя_метода([список_формальных_аргументов])

Имя метода и список формальных аргументов составляют сигнатуру метода. Заметьте, в сигнатуру не входят имена формальных аргументов, здесь важны типы аргументов. В сигнатуру не входит и тип возвращаемого результата.

Квадратные скобки (метасимволы синтаксической формулы) показывают, что атрибуты и модификаторы могут быть опущены при описании метода. Подробное их рассмотрение будет дано в лекциях, посвященных описанию классов. Сейчас же упомяну только об одном из модификаторов - модификаторе доступа. У него четыре возможных значения, из которых пока рассмотрим только два - public и private. Модификатор public показывает, что метод открыт и доступен для вызова клиентами и потомками класса. Модификатор private говорит, что метод предназначен для внутреннего использования в классе и доступен для вызова только в теле методов самого класса. Заметьте, если модификатор доступа опущен, то по умолчанию предполагается, что он имеет значение private и метод является закрытым для клиентов и потомков класса.

Обязательным при описании заголовка является указание типа результата, имени метода и круглых скобок, наличие которых необходимо и в том случае, если сам список формальных аргументов отсутствует. Формально тип результата метода указывается всегда, но значение void однозначно определяет, что метод реализуется процедурой. Тип результата, отличный от void, указывает на функцию. Вот несколько простейших примеров описания методов:

void A() {…};
int B(){…};
public void C(){…};

Методы A и B являются закрытыми, а метод С - открыт. Методы A и С реализованы процедурами, а метод B - функцией, возвращающей целое значение.

Список формальных аргументов

Как уже отмечалось, список формальных аргументов метода может быть пустым и это довольно типичная ситуация для методов класса. Список может содержать фиксированное число аргументов, разделяемых символом запятой.

Рассмотрим теперь синтаксис объявления одного формального аргумента:

[ref|out|params]тип_аргумента имя_аргумента

Обязательным является указание типа и имени аргумента. Заметьте, никаких ограничений на тип аргумента не накладывается. Он может быть любым скалярным типом, массивом, классом, структурой, интерфейсом, перечислением, функциональным типом.

Несмотря на фиксированное число формальных аргументов, есть возможность при вызове метода передавать ему произвольное число фактических аргументов. Для реализации этой возможности в списке формальных аргументов необходимо задать ключевое слово params. Оно может появляться в объявлении лишь для последнего аргумента списка, объявляемого как массив произвольного типа. При вызове метода этому формальному аргументу соответствует произвольное число фактических аргументов.

Содержательно все аргументы метода разделяются на три группы: входные, выходные и обновляемые. Аргументы первой группы передают информацию методу, их значения в теле метода только читаются. Аргументы второй группы представляют собой результаты метода, они получают значения в ходе работы метода. Аргументы третьей группы выполняют обе функции. Их значения используются в ходе вычислений и обновляются в результате работы метода. Выходные аргументы всегда должны сопровождаться ключевым словом out, обновляемые - ref. Что же касается входных аргументов, то, как правило, они задаются без ключевого слова, хотя иногда их полезно объявлять с параметром ref, о чем подробнее скажу чуть позже. Заметьте, если аргумент объявлен как выходной с ключевым словом out, то в теле метода обязательно должен присутствовать оператор присваивания, задающий значение этому аргументу. В противном случае возникает ошибка еще на этапе компиляции.

Для иллюстрации давайте рассмотрим группу методов класса Testing из проекта ProcAndFun, сопровождающего эту лекцию:

/// <summary>
  /// Группа перегруженных методов Cube()
  /// первый аргумент - результат
  /// представляет сумму кубов
  /// произвольного числа оставшихся аргументов
  /// Аргументы могут быть разного типа.
  /// </summary>    
  void Cube(out long p2, int p1)
  {
      p2 = (long)Math.Pow(p1, 3);
      Console.WriteLine("Метод A-1");
  }
  void Cube(out long p2, params int[] p)
  {
      p2 = 0; for (int i = 0; i < p.Length; i++)
      p2 += (long)Math.Pow(p[i], 3);
      Console.WriteLine("Метод A-2");
  }
  void Cube(out double p2, double p1)
  {
      p2 = Math.Pow(p1, 3);
      Console.WriteLine("Метод A-3");
  }
  void Cube(out double p2, params double[] p)
  {
      p2 = 0; for (int i = 0; i < p.Length; i++)
      p2 += Math.Pow(p[i], 3);
      Console.WriteLine("Метод A-4");
  }
  /// <summary>
  /// Функция с побочным эффектом
  /// </summary>
  /// <param name="a">Увеличивается на 1</param>
  /// <returns>значение a на входе</returns>
  int F(ref int a)
  {
      return (a++);
  }

Четыре перегруженных метода с именем Cube и метод F будут использоваться при объяснении перегрузки и побочного эффекта. Сейчас проанализируем только их заголовки. Все методы закрыты, поскольку объявлены без модификатора доступа. Перегруженные методы с именем Cube являются процедурами, метод F - функцией. Все четыре перегруженных метода имеют разную сигнатуру. Хотя имена и число аргументов у всех методов одинаковы, но типы и ключевые слова, предшествующие аргументам, различны. Первый аргумент у всех четырех перегруженных методов является выходным и сопровождается ключевым словом out, в теле метода этому аргументу присваивается значение. Аргумент функции F является обновляемым, он снабжен ключевым словом ref, в теле функции используется его значение для получения результата функции, но и само значение аргумента изменяется в теле функции. Два метода из группы перегруженных методов используют ключевое слово params для своего последнего аргумента. Позже мы увидим, что при вызове методов этому аргументу будет соответствовать несколько фактических аргументов, число которых может быть произвольным.

Тело метода

Синтаксически тело метода является блоком, который представляет собой последовательность операторов и описаний переменных, заключенную в фигурные скобки. Если речь идет о теле функции, то в блоке должен быть хотя бы один оператор, возвращающий значение функции в форме return <выражение>.

Переменные, описанные в блоке, считаются локализованными в этом блоке. В записи операторов блока участвуют имена локальных переменных блока, имена полей класса и имена аргументов метода.

Знание семантики описаний и операторов достаточно для понимания семантики блока. Необходимые уточнения будут даны чуть позже.

Вызов метода. Синтаксис

Как уже отмечалось, метод может вызываться в выражениях или быть вызван как оператор тела блока. В качестве оператора может использоваться любой метод - как процедура, так и функция. Конечно, функцию разумно вызывать как оператор, только если она обладает побочным эффектом. В последнем случае она вызывается ради своего побочного эффекта, а возвращаемое значение никак не используется. Любое выражение с побочным эффектом может выступать в роли оператора, классическим примером является оператор x++;.

Если же попытаться вызвать процедуру в выражении, то это приведет к ошибке еще на этапе компиляции. Возвращаемое процедурой значение void не совместимо с выражениями. Так что в выражениях могут быть вызваны только функции.

Сам вызов метода, независимо от того, процедура это или функция, имеет один и тот же синтаксис:

имя_метода([список_фактических_аргументов])

Если это оператор, то вызов завершается точкой с запятой. Формальный аргумент, задаваемый при описании метода, синтаксически является идентификатором - именем аргумента. Фактический аргумент представляет собой "выражение", значительно более сложную синтаксическую конструкцию. Вот точный синтаксис фактического аргумента:

[ref|out]выражение

О соответствии списков формальных и фактических аргументов

Между списком формальных и списком фактических аргументов должно выполняться определенное соответствие по числу, порядку следования, типу и статусу аргументов. Если в первом списке n формальных аргументов, то фактических аргументов должно быть не меньше n (соответствие по числу). Каждому i-му формальному аргументу (для всех i от 1 до n-1) ставится в соответствие i-й фактический аргумент. Последнему формальному аргументу при условии, что он объявлен с ключевым словом params, ставятся в соответствие все оставшиеся фактические аргументы (соответствие по порядку). Если формальный аргумент объявлен с ключевым словом ref или out, то фактический аргумент должен сопровождаться таким же ключевым словом в точке вызова (соответствие по статусу).

Если T - тип формального аргумента, то выражение, задающее фактический аргумент, должно быть согласовано по типу с типом T. Это означает, что вычисленный тип выражения совпадает c типом T, или допускает неявное преобразование к типу T, или является потомком типа T (соответствие по типу).

Если формальный аргумент является выходным - объявлен с ключевым словом ref или out, то соответствующий фактический аргумент не может быть выражением, поскольку используется в левой части оператора присваивания, так что он должен быть именем, которому можно присвоить значение.

Вызов метода. Семантика

Что происходит в момент вызова метода? Выполнение начинается с вычисления фактических аргументов, которые, как мы знаем, являются выражениями. Вычисление этих выражений может приводить, в свою очередь, к вызову других методов, так что этот первый этап может быть довольно сложным и требовать больших временных затрат. В чисто функциональном программировании все вычисление по программе сводится к вызову одной функции, фактические аргументы которой содержат вызовы функций, фактические аргументы которых содержат вызовы функций, и так далее и так далее.

Для простоты понимания семантики вызова можно полагать, что в точке вызова создается блок, соответствующий телу метода (реально все происходит значительно эффективнее). В этом блоке происходит замена имен формальных аргументов фактическими аргументами. Для выходных ( ref и out ) аргументов, для которых фактические аргументы также являются именами, эта замена или передача аргументов происходит по ссылке, означая замену формального аргумента ссылкой на реально существующий объект, заданный фактическим аргументом. Чуть более сложную семантику имеет вызов по значению, применяемый к формальным аргументам, объявленным без ключевых слов ref и out. При вычислении выражений, заданных такими фактическими аргументами, их значения присваиваются специально создаваемым переменным, локализованным в теле исполняемого блока. Имена этих локализованных переменных и подставляются вместо имен формальных аргументов. Понятно, что тип локализованных переменных определяется типом соответствующего формального аргумента.

Заметьте, семантика замены формальных аргументов фактическими эквивалентна семантике присваивания, подробно рассмотренной в предыдущих главах.

Каково следствие семантики вызова по значению? Если вы забыли указать ключевое слово ref или out для аргумента, фактически являющегося выходным, то к нему будет применяться вызов по значению. Даже если в теле метода происходит изменение значения этого аргумента, оно действует только на время выполнения тела метода. Как только метод заканчивает свою работу (завершается блок), все локальные переменные (в том числе созданные для замены формальных аргументов) оканчивают свое существование, так что изменения не затронут фактических аргументов, и они сохранят свое значение, бывшее у них до вызова. Отсюда вывод: все выходные аргументы значимых типов, значения которых предполагается изменить в процессе работы, должны иметь ключевое слово ref или out.

Говоря о семантике вызова по ссылке и по значению, следует сделать важное уточнение. В объектном программировании, каковым является и программирование на C#, основную роль играют ссылочные типы - мы работаем с классами и объектами. Когда методу передается объект ссылочного типа, все поля этого объекта могут в методе меняться самым беззастенчивым образом. И это несмотря на то, что объект формально не является выходным, не имеет ключевых слов ref или out, использует семантику вызова по значению. Сама ссылка на объект при этом, как и положено, остается неизменной, но состояние объекта, его поля могут полностью обновиться. Такая ситуация типична и представляет один из основных способов изменения состояния объектов. Именно поэтому ref или out не столь часто появляются при описании аргументов метода.