Книга: C# 4.0: полное руководство

Виртуальные методы и их переопределение

Виртуальные методы и их переопределение

Виртуальным называется такой метод, который объявляется как virtual в базовом классе. Виртуальный метод отличается тем, что он может быть переопределен в одном или нескольких производных классах. Следовательно, у каждого производного класса может быть свой вариант виртуального метода. Кроме того, виртуальные методы интересны тем, что именно происходит при их вызове по ссылке на базовый класс. В этом случае средствами языка C# определяется именно тот вариант виртуального метода, который следует вызывать, исходя из типа объекта, к которому происходит обращение по ссылке, причем это делается во время выполнения. Поэтому при ссылке на разные типы объектов выполняются разные варианты виртуального метода. Иными словами, вариант выполняемого виртуального метода выбирается по типу объекта, а не по типу ссылки на этот объект. Так, если базовый класс содержит виртуальный метод и от него получены производные классы, то при обращении к разным типам объектов по ссылке на базовый класс выполняются разные варианты этого виртуального метода.

Метод объявляется как виртуальный в базовом классе с помощью ключевого слова virtual, указываемого перед его именем. Когда же виртуальный метод переопределяется в производном классе, то для этого используется модификатор override. А сам процесс повторного определения виртуального метода в производном классе называется переопределением метода. При переопределении имя, возвращаемый тип и сигнатура переопределяющего метода должны быть точно такими же, как и у того виртуального метода, который переопределяется. Кроме того, виртуальный метод не может быть объявлен как static или abstract (подробнее данный вопрос рассматривается далее в этой главе).

Переопределение метода служит основанием для воплощения одного из самых эффективных в C# принципов: динамической диспетчеризации методов, которая представляет собой механизм разрешения вызова во время выполнения, а не компиляции. Значение динамической диспетчеризации методов состоит в том, что именно благодаря ей в C# реализуется динамический полиморфизм.

Ниже приведен пример, демонстрирующий виртуальные методы и их переопределение.

// Продемонстрировать виртуальный метод.
using System;
class Base {
  // Создать виртуальный метод в базовом классе,
  public virtual void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Base");
  }
}
class Derived1 : Base {
  // Переопределить метод Who() в производном классе,
  public override void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Derivedl");
  }
}
class Derived2 : Base {
  // Вновь переопределить метод Who() в
  //еще одном производном классе,
  public override void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Derived2");
  }
}
class OverrideDemo {
  static void Main() {
    Base baseOb = new Base();
    Derived1 dObl = new Derived1();
    Derived2 dOb2 = new Derived2();
    Base baseRef; // ссылка на базовый класс
    baseRef = baseOb;
    baseRef.Who() ;
    baseRef = dObl;
    baseRef.Who();
    baseRef = dOb2;
    baseRef.Who();
  }
}

Вот к какому результату приводит выполнение этого кода.

Метод Who() в классе Base.
Метод Who() в классе Derived1
Метод Who() в классе Derived2

В коде из приведенного выше примера создаются базовый класс Base и два производных от него класса — Derived1 и Derived2. В классе Base объявляется виртуальный метод Who(), который переопределяется в обоих производных классах. Затем в методе Main() объявляются объекты типа Base, Derivedl и Derived2. Кроме того, объявляется переменная baseRef ссылочного типа Base. Далее ссылка на каждый тип объекта присваивается переменной baseRef и затем используется для вызова метода Who(). Как следует из результата выполнения приведенного выше кода, вариант выполняемого метода Who() определяется по типу объекта, к которому происходит обращение по ссылке во время вызова этого метода, а не по типу класса переменной baseRef.

Но переопределять виртуальный метод совсем не обязательно. Ведь если в производном классе не предоставляется собственный вариант виртуального метода, то используется его вариант из базового класса, как в приведенном ниже примере.

/* Если виртуальный метод не переопределяется, то используется его вариант из базового класса. */
using System;
class Base {
  // Создать виртуальный метод в базовом классе.
  public virtual void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Base");
  }
}
class Derivedl : Base {
  // Переопределить метод Who() в производном классе.
  public override void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Derivedl");
  }
}
class Derived2 : Base {
  // В этом классе метод Who() не переопределяется.
}
class NoOverrideDemo {
  static void Main() {
    Base baseOb = new Base();
    Derivedl dObl = new Derivedl();
    Derived2 d0b2 = new Derived2();
    Base baseRef; // ссылка на базовый класс
    baseRef = baseOb;
    baseRef.Who();
    baseRef = dObl;
    baseRef.Who() ;
    baseRef = d0b2;
    baseRef.Who(); // вызывается метод Who() из класса Base
  }
}

Выполнение этого кода приводит к следующему результату.

Метод Who() в классе Base.
Метод Who() в классе Derivedl
Метод Who() в классе Base

В данном примере метод Who() не переопределяется в классе Derived2. Поэтому для объекта класса Derived2 вызывается метод Who() из класса Base.

Если при наличии многоуровневой иерархии виртуальный метод не переопределяется в производном классе, то выполняется ближайший его вариант, обнаруживаемый вверх по иерархии, как в приведенном ниже примере.

/* В многоуровневой иерархии классов выполняется тот переопределенный вариант виртуального метода, который обнаруживается первым при продвижении вверх по иерархии. */
using System;
class Base {
  // Создать виртуальный метод в базовом классе,
  public virtual void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Base");
  }
}
class Derived1 : Base {
  // Переопределить метод Who() в производном классе.
  public override void Who() {
    Console.WriteLine("Метод Who() в классе Derived1");
  }
}
class Derived2 : Derived1 {
  // В этом классе метод Who() не переопределяется.
}
class Derived3 : Derived2 {
  //И в этом классе метод Who() не переопределяется.
}
class No0verrideDemo2 {
  static void Main() {
    Derived3 dOb = new Derived3();
    Base baseRef; // ссылка на базовый класс
    baseRef = dOb;
    baseRef.Who(); // вызов метода Who() из класса Derivedl
  }
}

Вот к какому результату приводит выполнение этого кода.

Метод Who() в классе Derived1

В данном примере класс Derived3 наследует класс Derived2, который наследует класс Derived1, а тот, в свою очередь, — класс Base. Как показывает приведенный выше результат, выполняется метод Who(), переопределяемый в классе Derived1, поскольку это первый вариант виртуального метода, обнаруживаемый при продвижении вверх по иерархии от классов Derived3 и Derived2, где метод Who() не переопределяется, к классу Derived1.

И еще одно замечание: свойства также подлежат модификации ключевым словом virtual и переопределению ключевым словом override. Это же относится и к индексаторам.

Благодаря переопределению методов в C# поддерживается динамический полиморфизм. В объектно-ориентированном программировании полиморфизм играет очень важную роль, потому что он позволяет определить в общем классе методы, которые становятся общими для всех производных от него классов, а в производных классах — определить конкретную реализацию некоторых или же всех этих методов. Переопределение методов — это еще один способ воплотить в C# главный принцип полиморфизма: один интерфейс — множество методов.

Удачное применение полиморфизма отчасти зависит от правильного понимания той особенности, что базовые и производные классы образуют иерархию, которая продвигается от меньшей к большей специализации. При надлежащем применении базовый класс предоставляет все необходимые элементы, которые могут использоваться в производном классе непосредственно. А с помощью виртуальных методов в базовом классе определяются те методы, которые могут быть самостоятельно реализованы в производном классе. Таким образом, сочетая наследование с виртуальными методами, можно определить в базовом классе общую форму методов, которые будут использоваться во всех его производных классах.

Для того чтобы стали понятнее преимущества виртуальных методов, применим их в классе TwoDShape. В предыдущих примерах в каждом классе, производном от класса TwoDShape, определялся метод Area(). Но, по-видимому, метод Area() лучше было бы сделать виртуальным в классе TwoDShape и тем самым предоставить возможность переопределить его в каждом производном классе с учетом особенностей расчета площади той двумерной формы, которую инкапсулирует этот класс. Именно это и сделано в приведенном ниже примере программы. Ради удобства демонстрации классов в этой программе введено также свойство name в классе TwoDShape.

// Применить виртуальные методы и полиморфизм-.
using System;
class TwoDShape {
  double pri_width;
  double pri_height;
  // Конструктор по умолчанию,
  public TwoDShape() {
    Width = Height = 0.0;
    name = "null";
  }
  // Параметризированный конструктор.
  public TwoDShape(double w, double h, string n) {
    Width = w;
    Height = h;
    name = n;
  }
  // Сконструировать объект равной ширины и высоты,
  public TwoDShape(double x, string n) {
    Width = Height = x;
    name = n;
  }
  // Сконструировать копию объекта TwoDShape.
  public TwoDShape(TwoDShape ob) {
    Width = ob.Width;
    Height = ob.Height;
    name = ob.name;
  }
  // Свойства ширины и высоты объекта,
  public double Width {
    get { return pri_width; }
    set { pri_width = value < 0 ? -value : value; }
  }
  public double Height {
    get { return pri_height; }
    set { pri_height = value < 0 ? -value : value; }
  }
  public string name { get; set; }
  public void ShowDim()    {
    Console.WriteLine("Ширина и высота равны " +
            Width + " и " + Height);
  }
  public virtual double Area() {
    Console.WriteLine("Метод Area() должен быть переопределен");
    return 0.0;
  }
}
// Класс для треугольников, производный от класса TwoDShape.
class Triangle : TwoDShape {
  string Style;
  // Конструктор, используемый по умолчанию,
  public Triangle()    {
    Style = "null";
  }
  // Конструктор для класса Triangle,
  public Triangle(string s, double w, double h)
             : base (w, h, "треугольник") {
    Style = s;
  }
  //Сконструировать равнобедренный треугольник,
  public Triangle(double x) : base(x, "треугольник") {
    Style = "равнобедренный";
  }
  // Сконструировать копию объекта типа Triangle,
  public Triangle(Triangle ob) : base(ob) {
    Style = ob.Style;
  }
  // Переопределить метод Area() для класса Triangle,
  public override double Area() {
    return Width * Height / 2;
  }
  // Показать тип треугольника,
  public void ShowStyle() {
    Console.WriteLine("Треугольник " + Style);
  }
}
// Класс для прямоугольников, производный от класса TwoDShape.
class Rectangle : TwoDShape {
  // Конструктор для класса Rectangle,
  public Rectangle(double w, double h)
          : base (w, h, "прямоугольник") { }
  // Сконструировать квадрат,
  public Rectangle(double x) : base(x, "прямоугольник") { }
  // Сконструировать копию объекта типа Rectangle,
  public Rectangle(Rectangle ob) : base(ob) { }
  // Возвратить логическое значение true, если
  // прямоугольник окажется квадратом,
  public bool IsSquare() {
    if(Width == Height) return true;
    return false;
  }
  // Переопределить метод Area() для класса Rectangle,
  public override double Area() {
    return Width * Height;
  }
}
class DynShapes {
  static void Main() {
    TwoDShape[] shapes = new TwoDShape[5] ;
    shapes[0] = new Triangle("прямоугольный", 8.0, 12.0);
    shapes[1] = new Rectangle(10);
    shapes[2] = new Rectangle(10, 4);
    shapes[3] = new Triangle(7.0);
    shapes[4] = new TwoDShape(10, 20, "общая форма");
    for (int i=0; i < shapes.Length; i++)    {
      Console.WriteLine("Объект — " + shapes[i].name);
      Console.WriteLine("Площадь равна " + shapes[i].Area());
      Console.WriteLine();
    }
  }
}

При выполнении этой программы получается следующий результат.

Объект — треугольник
Площадь равна 48
Объект — прямоугольник
Площадь равна 100
Объект — прямоугольник
Площадь равна 40
Объект — треугольник
Площадь равна 24.5
Объект — общая форма
Метод Area() должен быть переопределен
Площадь равна 0

Рассмотрим данный пример программы более подробно. Прежде всего, метод Area() объявляется как virtual в классе TwoDShape и переопределяется в классах Triangle и Rectangle по объяснявшимся ранее причинам. В классе TwoDShape метод Area() реализован в виде заполнителя, который сообщает о том, что пользователь данного метода должен переопределить его в производном классе. Каждое переопределение метода Area() предоставляет конкретную его реализацию, соответствующую типу объекта, инкапсулируемого в производном классе. Так, если реализовать класс для эллипсов, то метод Area() должен вычислять площадь эллипса.

У программы из рассматриваемого здесь примера имеется еще одна примечательная особенность. Обратите внимание на то, что в методе Main() двумерные формы объявляются в виде массива объектов типа TwoDShape, но элементам этого массива присваиваются ссылки на объекты классов Triangle, Rectangle и TwoDShape. И это вполне допустимо, поскольку по ссылке на базовый класс можно обращаться к объекту прризводного класса. Далее в программе происходит циклическое обращения к элементам данного массива для вывода сведений о каждом объекте. Несмотря на всю свою простоту, данный пример наглядно демонстрирует преимущества наследования и переопределения методов. Тип объекта, хранящийся в переменной ссылки на базовый класс, определяется во время выполнения и соответственно обусловливает дальнейшие действия. Так, если объект является производным от класса TwoDShape, то для получения его площади вызывается метод Area(). Но интерфейс для выполнения этой операции остается тем же самым независимо от типа используемой двумерной формы.

Оглавление книги