Основы программирования — второй семестр 08-09; Михалкович С.С.; VI часть — различия между версиями

Версия 11:29, 9 мая 2009

Наследование

Основные определения

Наследование в программировании возникло как ответ на реальные отношения наследования классов в реальном мире и прикладных задачах.

————————————
Ввиду увеличения сложности задач в программировании, акцент переместился от алгоритмов к объектам, содержащим алгоритмы в качестве методов.
При этом, понятие главного алгоритма также потеряло свою важность. В больших проектах нет главного алгоритма или он тривиален, но есть большое число взаимосвязанных задач.

Пример. Главный алгоритм работы операционной системы.

* начальная инициализация
* цикл обработки сообщений
    если сообщение пришло то 
      обработать сообщение 
    до сообщения «Конец»
* заключительные действия

Как видим, этот алгоритм тривиален и ничего не говорит о том, как работает ОС.
————————————

Поскольку главный алгоритм сложной системы не существует или тривиален, то для программирования работы этой сложной системы мы:

• выявляем классы объектов, присутствующих в этой системе
• их свойства и методы
• выявляем то общее, что есть в различных классах
• выявляем различные зависимости между классами и взаимодействие между объектами этих классов

Примеры зависимостей между классами

1. класс содержит в качестве поля объект другого класса
2. в методе класса параметром является объект другого класса
3. метод класса вызывает статический метод другого класса
4. один из классов является разновидностью другого

Определение. Наследованием называется такая зависимость между классами, при которой один из классов является разновидностью другого.

При наследовании все члены базового класса (поля, методы, свойства) переходят в производный (наследуются им). Кроме того, производный класс может добавлять новые члены (поля, методы, свойства) и переопределять (замещать) методы базового класса.

Для классов, связанных наследованием, используют следующие термины:

• базовый — производный
• предок — потомок
• надкласс — подкласс

Каковы цели наследования?

1. Повторное использование кода.
2. Обеспечение вариабельности и изменчивости кода.

Наследование — это расширение или сужение?
Наследование — это расширение интерфейса класса, но сужение количества объектов (представителей) класса.

Наследование на примере Student - SeniorStudent

Про переменную Self см. здесь.

Рассмотрим следующий пример наследования:

Класс SeniorStudent (студент старших курсов) является разновидностью класса Student. Будем считать, что на младших курсах студент еще не знает, сколько лет он будет учиться и какую академическую степень получит, поэтому считается, что он учится 4 года. Будем также считать, что он узнает, какую академическую степень получит (бакалавр, специалист, магистр), когда становится студентом старших курсов (SeniorStudent). В этот же момент к нему прикрепляется научный руководитель из числа преподавателей (Teacher).

<xh4> Базовый класс Student </xh4>

interface
uses System;
   
const
  /// Минимальный допустимый возраст студента
  MIN_AGE = 1;
  /// Максимальный допустимый возраст студента
  MAX_AGE = 120;

type
  /// Студент
  Student = class
  private
    fName: string;
    fAge, fCourse, fGroup: integer;
    
    procedure SetName(Name: string);
    procedure SetAge(Age: integer);
    procedure SetCourse(Course: integer);
    procedure SetGroup(Group: integer);
    
    procedure IncAge;
    
  public
    /// Имя — только на чтение
    property Name: string read fName;
    /// Возраст — только на чтение
    property Age: integer read fAge;
    /// Курс — только на чтение
    property Course: integer read fCourse;
    /// Группа — только на чтение
    property Group: integer read fGroup;
    
    constructor Create(Name: string; Age, Course, Group: integer);
    
    procedure NextCourse;
    
    procedure Print;
    procedure Println;
  end;
  
implementation

procedure Student.SetName(Name: string);
begin
  if Name <> '' then
    fName := Name
  else
    raise new Exception('Попытка присвоить студенту пустое имя!');
end;

procedure Student.SetAge(Age: integer);
begin
  if (Age >= MIN_AGE) and (Age <= MAX_AGE) then
    fAge := Age
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимого возраста [' + 
    MIN_AGE.ToString + '..' + MAX_AGE.ToString + ']!');
end;

procedure Student.SetCourse(Course: integer);
begin
  if (Course >= 1) and (Course <= 4) then
    fCourse := Course
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимых курсов 1..4!');
end;

procedure Student.SetGroup(Group: integer);
begin
  if (Group > 0) then
    fGroup := Group
  else
    raise new Exception(
    'Попытка присвоить группе отрицательный номер!');
end;

procedure Student.IncAge;
begin
  if fAge < MAX_AGE then
    fAge += 1
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимого возраста [' + 
    MIN_AGE.ToString + '..' + MAX_AGE.ToString + ']!');
end;

constructor Student.Create(Name: string; Age, Course, Group: integer);
begin
  SetName(Name);
  SetAge(Age);
  SetCourse(Course);
  SetGroup(Group);
end;

procedure Student.NextCourse;
begin
  if fCourse < 4 then
  begin
    fCourse += 1;
    IncAge;
  end
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимых курсов [1..4]!');
end;

procedure Student.Print;
begin
  WriteFormat('Имя: {0}  Возраст: {1}  Курс: {2}  Группа: {3}',
    fName, fAge, fCourse, fGroup);
end;

procedure Student.Println;
begin
  Print;
  writeln();
end;

<xh4> Производный класс SeniorStudent </xh4> SeniorStudent — студент старших курсов.
Помимо имени, возраста, курса и группы:

• у него будет научный руководитель (Advisor: Teacher)
• он будет знать тему курсовой работы, которую получает от своего научного руководителя
• и для него будет известно, какую он получает академическую степень Degree (бакалавра, специалиста или магистра)

Будем считать, что класс преподавателя у нас уже есть, и у него есть метод SayCourseWorkTheme(MyStudent: SeniorStudent): string.

Приступим к реализации SeniorStudent.
Для начала нам понадобится вспомогательный тип DegreeType (академическая степень):

type
  /// Академическая степень (Бакалавр, Специалист, Магистр)
  DegreeType = (Bachelor, Specialist, Magister);

Теперь напишем интерфейс нашего старшекурсника:

  /// Студент старших курсов
  SeniorStudent = class (Student)
  private
    fAdvisor: Teacher;
    fDegree: DegreeType;
    fCourseWorkTheme: string;
    
    procedure SetAdvisor(Advisor: Teacher);
    procedure SetDegree(Degree: DegreeType);
    
    /// Устанавливает тему курсовой работы, получая её от научного руководителя
    procedure GetCourseWorkTheme;
    
  public
    /// Научный руководитель — только на чтение
    property Advisor: Teacher read fAdvisor;
    /// Образовательная степень — только на чтение
    property Degree: DegreeType read fDegree;
    /// Тема курсовой работы — только на чтение
    property CourseWorkTheme: string read fCourseWorkTheme;
    
    constructor Create(Name: string; Age, Course, Group: integer; 
      Advisor: Teacher; Degree: DegreeType);
    
    procedure NextCourse;
    
    procedure Print;
    procedure Println;
  end;

Как реализовать сеттеры, GetCourseWorkTheme и NextCourse мы знаем:

procedure SeniorStudent.SetAdvisor(Advisor: Teacher);
begin
  fAdvisor := Advisor;
end;

procedure SeniorStudent.SetDegree(Degree: DegreeType);
begin
  fDegree := Degree;
end;

procedure SeniorStudent.GetCourseWorkTheme;
begin
  fCourseWorkTheme := fAdvisor.SayCourseWorkTheme(self);
end;

procedure SeniorStudent.NextCourse;
begin
  var maxCourse: integer;
  case fDegree of
    Bachelor: maxCourse:= 4;
    Specialist: maxCourse:= 5;
    Magister: maxCourse:= 6;
  end;

  if fCourse < maxCourse then
  begin
    fCourse += 1;
    IncAge;
  end
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимых курсов [1..' + maxCourse.ToString + ']!');
end;

Замечание. В процессе разработки возникла проблема доступа к приватным полям предка (fCourse)
Если Student и SeniorStudent реализованы в одном модуле, то такой проблемы нет и доступ возможен, однако, если они они реализованы в разных модулях, то данный код не откомпилируется.
Исправим это в дальнейшем, а пока будем считать, что классы реализованы в одном модуле.

Заметим, что процедура NextCourse была полностью переопределена в потомке.
Но, как правило, одноименный метод в потомке не переписывается полностью, а вызывает соответствующий метод предка.

Напомним, что переопределяющий метод называется также замещающим.

Для вызова в методе Method замещенного метода предка используется конструкция

inherited Method

Inherited — значит унаследованный.

Воспользуемся этим при реализации оставшихся методов:

constructor SeniorStudent.Create(Name: string; Age, Course, Group: integer; 
  Advisor: Teacher; Degree: DegreeType);
begin
  inherited Create(Name, Age, Course, Group);
  fAdvisor := Advisor;
  fDegree := Degree;
  GetCourseWorkTheme;
end;

procedure SeniorStudent.Print;
begin
  inherited Print;
  
  write('Преподаватель: ');  
  fAdvisor.Print;
  writeFormat('Тема курсовой работы: «{0}»  ', fCourseWorkTheme);
  
  write('Образовательная степень: ');
  case fDegree of
    Bachelor:   write('Бакалавр');
    Specialist: write('Специалист');
    Magister:   write('Магистр');
  end;
end;

procedure SeniorStudent.Println;
begin
  Print;
  writeln();
end;

Замечание. Можно выделить две дополнительных функции для работы с академической степенью:

• function MaxCourseByDegree(degree: DegreeType): integer,
  возвращающую максимальный курс, соответствующий образовательной степени degree
• function DegreeToString(degree: DegreeType): string,
  возвращающую строковое представление академической степени («Бакалавр», «Специалист» или «Магистр»)

и использовать их в методах SeniorStudent.NextCourse и SeniorStudent.Print.