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

Содержание

1 Наследование

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

класс содержит в качестве поля объект другого класса
в методе класса параметром является объект другого класса
метод класса вызывает статический метод другого класса
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?

Повторное использование кода.
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;
  
  /// Первый курс
  FIRST_COURSE = 1;
  /// Максимальный курс для студентов младших курсов
  LAST_UNDERGRADUATE_COURSE = 4;

type
  /// Студент
  Student = class
  private
    fName: string;
    fAge, fCourse, fGroup: integer;

  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;
    
    /// <summary>
    /// Создает нового студента
    /// </summary>
    /// <param name="Name">Имя (пустое недопустимо)</param>
    /// <param name="Age">Возраст (отрицательный или больший MAX_AGE недопустим)</param>
    /// <param name="Course">Курс (отрицательный или больший LAST_UNDERGRADUATE_COURSE недопустим)</param>
    /// <param name="Group">Группа (отрицательная недопустима)</param>
    constructor Create(Name: string; Age, Course, Group: integer);
    
    procedure SetAge(Age: integer);
    procedure SetGroup(Group: integer);
    
    /// Переводит студента на следующий курс, если он меньше LAST_UNDERGRADUATE_COURSE
    procedure NextCourse;
    
    procedure Print;
    procedure Println;
  end;
  
implementation

constructor Student.Create(Name: string; Age, Course, Group: integer);
begin
  if Name <> '' then
    fName := Name
  else
    raise new Exception(
    'Попытка присвоить студенту пустое имя!');
    
  SetAge(Age);
  
  if (Course >= FIRST_COURSE) and (Course <= LAST_UNDERGRADUATE_COURSE) then
    fCourse := Course
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимых курсов [' + 
    FIRST_COURSE.ToString + '..' + LAST_UNDERGRADUATE_COURSE.ToString + ']!');
    
  SetGroup(Group);
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.SetGroup(Group: integer);
begin
  if (Group > 0) then
    fGroup := Group
  else
    raise new Exception(
    'Попытка присвоить группе отрицательный номер!');
end;

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

  public
    /// Научный руководитель — только на чтение
    property Advisor: Teacher read fAdvisor;
    /// Образовательная степень — только на чтение
    property Degree: DegreeType read fDegree;
    
    /// <summary>
    /// Создает нового студента старших курсов
    /// </summary>
    /// <param name="Name">Имя (пустое недопустимо)</param>
    /// <param name="Age">Возраст (отрицательный или больший MAX_AGE недопустим)</param>
    /// <param name="Course">Курс (отрицательный или больший MAX_COURSE недопустим)</param>
    /// <param name="Group">Группа (отрицательная недопустима)</param>
    /// <param name="Advisor">Научный руководитель</param>
    /// <param name="EduModel">Академическая степень (бакалавр, специалист, магистр)</param>
    constructor Create(Name: string; Age, Course, Group: integer; 
      Advisor: Teacher; Degree: DegreeType);
    
    /// Возвращает тему курсовой работы 
    function CourseWorkTheme: string;
    
    procedure NextCourse;
    
    procedure Print;
    procedure Println;
  end;

Как CourseWorkTheme и NextCourse мы знаем:

function SeniorStudent.CourseWorkTheme: string;
begin
  Result := fAdvisor.SayCourseWorkTheme(self);
end;

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

  if fCourse < lastCourse then
    fCourse += 1
  else
    raise new Exception(
    'Выход за границы диапазона допустимых курсов [' + 
    FIRST_COURSE.ToString + '..' + lastCourse.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);
  
  if Advisor <> nil then
    fAdvisor := Advisor
  else
    raise new Exception(
    'Параметр «Advisor» конструктора является нулевой ссылкой!');
    
  fDegree := Degree;
end;

procedure SeniorStudent.Print;
begin
  inherited Print;
  
  write('Преподаватель: ');  
  fAdvisor.Print;
  
  write('Академическая 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 LastCourseByDegree(degree: DegreeType): integer,
возвращающую последний 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.

Полный текст модуля University

Вызов унаследованных конструкторов

Конструктор — это функция, создающая объект класса и возвращающая ссылку на него.

Вспомним, как выглядел конструктор класса SeniorStudent (студента старших курсов):

type SeniorStudent = class (Student)
   ...
  constructor SeniorStudent.Create(Name: string; Age, Course, Group: integer; 
    Advisor: Teacher; Degree: DegreeType);
  begin
{*} inherited Create(Name, Age, Course, Group);
    
    if Advisor <> nil then
      fAdvisor := Advisor
    else
      raise new Exception(
      'Параметр «Advisor» конструктора является нулевой ссылкой!');
    fDegree := Degree;
  end;

...

var ss: SeniorStudent := new SeniorStudent(...);

(*) Унаследованный конструктор базового класса вызывается как процедура, т.е. возвращаемое значение игнорируется.

Вопрос. Создает ли вызов унаследованного конструктора базового класса объект в динамической памяти?
Ответ. Нет. Объект создается вызовом конструктора производного класса. А вызов унаследованного конструктора производится как вызов обычного метода.

Вопрос. Можно ли совершать вызов унаследованного конструктора не первым оператором в коде основного конструктора?
Ответ. В PascalABC.NET можно. Но предпочтительно вызывать унаследованный конструктор первым (а в таких языках, как Java, C++ и C# обязательно).

Принцип «открыт - закрыт»

Принцип «открыт - закрыт» состоит в следующем: код программы должен быть закрыт для изменения текста и открыт для модификации поведения и функциональности.

Чтобы обеспечить этот принцип в современном программировании используют наследование: от базового класса, в котором не хватает функциональности, порождают новый, добавляя и изменяя его функциональность.
Код базового класса при этом не меняется.

Замечание. Базовый класс в настоящем должен проектироваться с учетом будущих изменений. Т.е. так, чтобы в будущем мы могли породить от него потомка с нужной нам функциональностью.

Пример. Очередь с подсчетом элементов.
Реализуем класс очереди с подсчетом элементов (CountingQueue<T>) как производный от обычной очереди (Queue<T>) (см. модуль Collections):

interface
uses Collections;
  
type 
  /// Очередь с подсчетом элементов
  CountingQueue<T> = class (Queue<T>)
  private
    /// Количество элементов
    fCount: integer;
    
  public
    /// Количество элементов
    property Count: integer read fCount;
    
    /// Создает пустую очередь
    constructor Create;
    
    /// Добавляет элемент x в хвост очереди
    procedure Enqueue(x: T);
    /// Возвращает значение элемента в голове, удаляя его из очереди
    function Dequeue: T;
  end;

implementation

constructor CountingQueue<T>.Create;
begin
  inherited Create;
  fCount := 0;
end;

{Добавляет элемент x в хвост очереди}
procedure CountingQueue<T>.Enqueue(x: T);
begin
  inherited Enqueue(x);
  fCount += 1;
end;

{Возвращает значение элемента в голове, удаляя его из очереди}
function CountingQueue<T>.Dequeue: T;
begin
  Result := inherited Dequeue;
  fCount -= 1;
end;

end.

Замечание. В классе CountingQueue часть методов унаследована от класса Queue без замещения (например, метод IsEmpty).

Наследование и включение

Виды отношений между классами (нотация UML-диаграмм классов)

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

Содержание

Наследование

Основные определения

Наследование на примере Student - SeniorStudent

Вызов унаследованных конструкторов

Принцип «открыт - закрыт»

Наследование и включение

Виды отношений между классами (нотация UML-диаграмм классов)

Навигация

Просмотры

Персональные инструменты

Навигация

Поиск

Инструменты