Статические поля и методы класса
Классы и ООП
Объектно-ориентированное программирование и проектирование построено на классах. Любую программную систему, выстроенную в объектном стиле, можно рассматривать как совокупность классов, возможно, объединенных в проекты, пространства имен, решения, как это делается при программировании в Visual Studio .Net.
Две роли классов
У класса две различные роли: модуля и типа данных. Класс - это модуль, архитектурная единица построения программной системы. Модульность построения - основное свойство программных систем. В ООП программная система, строящаяся по модульному принципу, состоит из классов, являющихся основным видом модуля. Модуль может не представлять собой содержательную единицу - его размер и содержание определяется архитектурными соображениями, а не семантическими. Ничто не мешает построить монолитную систему, состоящую из одного модуля - она может решать ту же задачу, что и система, состоящая из многих модулей.
Вторая роль класса не менее важна. Класс - это тип данных, задающий реализацию некоторой абстракции данных, характерной для задачи, в интересах которой создается программная система. С этих позиций классы - не просто кирпичики, из которых строится система. Каждый кирпичик теперь имеет важную содержательную начинку. Представьте себе современный дом, построенный из кирпичей, и дом будущего, где каждый кирпич выполняет определенную функцию: один следит за температурой, другой - за составом воздуха в доме. ОО-программная система напоминает дом будущего.
|
|
|
Состав класса, его размер определяется не архитектурными соображениями, а той абстракцией данных, которую должен реализовать класс. Если вы создаете класс Account, реализующий такую абстракцию как банковский счет, то в этот класс нельзя добавить поля из класса Car, задающего автомобиль.
Объектно-ориентированная разработка программной системы основана на стиле, называемом проектированием от данных. Проектирование системы сводится к поиску абстракций данных, подходящих для конкретной задачи. Каждая из таких абстракций реализуется в виде класса, которые и становятся модулями - архитектурными единицами построения нашей системы. В основе класса лежит абстрактный тип данных.
В хорошо спроектированной ОО-системе каждый класс играет обе роли, так что каждый модуль нашей системы имеет вполне определенную смысловую нагрузку. Типичная ошибка - рассматривать класс только как архитектурную единицу, объединяя под обложкой класса разнородные поля и функции, после чего становится неясным, какой же тип данных задает этот класс.
Синтаксис класса
|
|
|
Ни одна из предыдущих лекций не обходилась без появления классов и обсуждения многих деталей, связанных с ними. Сейчас попробуем сделать некоторые уточнения, подвести итоги и с новых позиций взглянуть на уже знакомые вещи. Начнем с синтаксиса описания класса:
[атрибуты][модификаторы]class имя_класса[:список_родителей]
{тело_класса}
Атрибутам будет посвящена отдельная лекция. Возможными модификаторами в объявлении класса могут быть модификаторы new, abstract, sealed, о которых подробно будет говориться при рассмотрении наследования, и четыре модификатора доступа, два из которых - private и protected - могут быть заданы только для вложенных классов. Обычно класс имеет атрибут доступа public, являющийся значением по умолчанию. Так что в простых случаях объявление класса выглядит так:
public class Rational {тело_класса}
В теле класса могут быть объявлены:
· константы ;
· поля ;
· конструкторы и деструкторы ;
· методы ;
· события;
· делегаты;
· классы (структуры, интерфейсы, перечисления).
О событиях и делегатах предстоит подробный разговор в последующих лекциях. Из синтаксиса следует, что классы могут быть вложенными. Такая ситуация - довольно редкая. Ее стоит использовать, когда некоторый класс носит вспомогательный характер, разрабатывается в интересах другого класса, и есть полная уверенность, что внутренний класс никому не понадобится, кроме класса, в который он вложен. Как уже упоминалось, внутренние классы обычно имеют модификатор доступа, отличный от public. Основу любого класса составляют его конструкторы, поля и методы.
|
|
|
Поля класса
Поля класса синтаксически являются обычными переменными (объектами) языка. Их описание удовлетворяет обычным правилам объявления переменных, о чем подробно говорилось в лекции 5. Содержательно поля задают представление той самой абстракции данных, которую реализует класс. Поля характеризуют свойства объектов класса. Напомню, что, когда создается новый объект класса (в динамической памяти или в стеке), то этот объект представляет собой набор полей класса. Два объекта одного класса имеют один и тот же набор полей, но разнятся значениями, хранимыми в этих полях. Все объекты класса Person могут иметь поле, характеризующее рост персоны, но один объект может быть высокого роста, другой - низкого, а третий - среднего роста.
Доступ к полям
Каждое поле имеет модификатор доступа, принимающий одно из четырех значений: public, private, protected, internal. Атрибутом доступа по умолчанию является атрибут private. Независимо от значения атрибута доступа, все поля доступны для всех методов класса. Они являются для методов класса глобальной информацией, с которой работают все методы, извлекая из полей нужные им данные и изменяя их значения в ходе работы. Если поля доступны только для методов класса, то они имеют атрибут доступа private, который можно опускать. Такие поля считаются закрытыми, но часто желательно, чтобы некоторые из них были доступны в более широком контексте. Если некоторые поля класса A должны быть доступны для методов класса B, являющегося потомком класса A, то эти поля следует снабдить атрибутом protected. Такие поля называются защищенными. Если некоторые поля должны быть доступны для методов классов B1, B2 и так далее, дружественных по отношению к классу A, то эти поля следует снабдить атрибутом internal, а все дружественные классы B поместить в один проект (assembly). Такие поля называются дружественными. Наконец, если некоторые поля должны быть доступны для методов любого класса B, которому доступен сам класс A, то эти поля следует снабдить атрибутом public. Такие поля называются общедоступными или открытыми.
|
|
|
Методы класса
Методы класса синтаксически являются обычными процедурами и функциями языка. Их описание удовлетворяет обычным правилам объявления процедур и функций, о чем подробно говорилось в лекции 9. Содержательно методы определяют ту самую абстракцию данных, которую реализует класс. Методы содержат описания операций, доступных над объектами класса. Два объекта одного класса имеют один и тот же набор методов.
Доступ к методам
Каждый метод имеет модификатор доступа, принимающий одно из четырех значений: public, private, protected, internal. Атрибутом доступа по умолчанию является атрибут private. Независимо от значения атрибута доступа, все методы доступны для вызова при выполнении метода класса. Если методы имеют атрибут доступа private, возможно, опущенный, то тогда они доступны только для вызова и только внутри методов самого класса. Такие методы считаются закрытыми. Понятно, что класс, у которого все методы закрыты, абсурден, поскольку никто не смог бы вызвать ни один из его методов. Как правило, у класса есть открытые методы, задающие интерфейс класса, и закрытые методы. Интерфейс - это лицо класса и именно он определяет, чем класс интересен своим клиентам, что он может делать, какие сервисы предоставляет клиентам. Закрытые методы составляют важную часть класса, позволяя клиентам не вникать во многие детали реализации. Эти методы клиентам класса недоступны, они о них могут ничего не знать, и, самое главное, изменения в закрытых методах никак не отражаются на клиентах класса при условии корректной работы открытых методов.
Если некоторые методы класса A должны быть доступны для вызовов в методах класса B, являющегося потомком класса A, то такие методы следует снабдить атрибутом protected. Если некоторые методы должны быть доступны только для методов классов B1, B2 и так далее, дружественных по отношению к классу A, то такие методы следует снабдить атрибутом internal, а все дружественные классы B поместить в один проект. Наконец, если некоторые методы должны быть доступны для методов любого класса B, которому доступен сам класс A, то такие методы снабжаются модификатором public.
Методы-свойства
Методы, называемые свойствами (Properties), представляют специальную синтаксическую конструкцию, предназначенную для обеспечения эффективной работы со свойствами. При работе со свойствами объекта ( полями ) часто нужно решить, какой модификатор доступа использовать, чтобы реализовать нужную стратегию доступа к полю класса. Перечислю пять наиболее употребительных стратегий:
· чтение, запись ( Read, Write );
· чтение, запись при первом обращении ( Read, Write-once );
· только чтение ( Read-only );
· только запись ( Write-only );
· ни чтения, ни записи ( Not Read, Not Write ).
Открытость свойств (атрибут public ) позволяет реализовать только первую стратегию. В языке C# принято, как и в других объектных языках, свойства объявлять закрытыми, а нужную стратегию доступа организовывать через методы. Для эффективности этого процесса и введены специальные методы-свойства.
Приведу вначале пример, а потом уточню синтаксис этих методов. Рассмотрим класс Person, у которого пять полей: fam, status, salary, age, health, характеризующих соответственно фамилию, статус, зарплату, возраст и здоровье персоны. Для каждого из этих полей может быть разумной своя стратегия доступа. Возраст доступен для чтения и записи, фамилию можно задать только один раз, статус можно только читать, зарплата недоступна для чтения, а здоровье закрыто для доступа и только специальные методы класса могут сообщать некоторую информацию о здоровье персоны. Вот как на C# можно обеспечить эти стратегии доступа к закрытым полям класса:
public class Person
{
//поля (все закрыты)
string fam="", status="", health="";
int age=0, salary=0;
//методы - свойства
/// <summary>
///стратегия: Read,Write-once (Чтение, запись при
///первом обращении)
/// </summary>
public string Fam
{
set {if (fam == "") fam = value;}
get {return(fam);}
}
/// <summary>
///стратегия: Read-only(Только чтение)
/// </summary>
public string Status
{
get {return(status);}
}
/// <summary>
///стратегия: Read,Write (Чтение, запись)
/// </summary>
public int Age
{
set
{
age = value;
if(age < 7)status ="ребенок";
else if(age <17)status ="школьник";
else if (age < 22)status = "студент";
else status = "служащий";
}
get {return(age);}
}
/// <summary>
///стратегия: Write-only (Только запись)
/// </summary>
public int Salary
{
set {salary = value;}
}
}
Рассмотрим теперь общий синтаксис методов-свойств. Пусть name - это закрытое свойство. Тогда для него можно определить открытый метод-свойство (функцию), возвращающую тот же тип, что и поле name. Имя метода обычно близко к имени поля (например, Name ). Тело свойства содержит два метода - get и set, один из которых может быть опущен. Метод get возвращает значение закрытого поля, метод set - устанавливает значение, используя передаваемое ему значение в момент вызова, хранящееся в служебной переменной со стандартным именем value. Поскольку get и set - это обычные процедуры языка, то программно можно реализовать сколь угодно сложные стратегии доступа. В нашем примере фамилия меняется, только если ее значение равно пустой строке и это означает, что фамилия персоны ни разу еще не задавалась. Статус персоны пересчитывается автоматически при всяком изменении возраста, явно изменять его нельзя. Вот пример, показывающий, как некоторый клиент создает и работает с полями персоны:
public void TestPersonProps()
{
Person pers1 = new Person();
pers1.Fam = "Петров";
pers1.Age = 21;
pers1.Salary = 1000;
Console.WriteLine ("Фам={0}, возраст={1}, статус={2}",
pers1.Fam, pers1.Age, pers1.Status);
pers1.Fam = "Иванов"; pers1.Age += 1;
Console.WriteLine ("Фам={0}, возраст={1}, статус={2}",
pers1.Fam, pers1.Age, pers1.Status);
}//TestPersonProps
Заметьте, клиент работает с методами-свойствами так, словно они являются настоящими полями, вызывая их как в правой, так и в левой части оператора присваивания. Заметьте также, что с каждым полем можно работать только в полном соответствии с той стратегией, которую реализует данное свойство. Попытка изменения фамилии не принесет успеха, а изменение возраста приведет и к одновременному изменению статуса. На рис. 16.1 показаны результаты работы этой процедуры.
Рис. 16.1. Методы-свойства и стратегии доступа к полям
Индексаторы
Свойства являются частным случаем метода класса с особым синтаксисом. Еще одним частным случаем является индексатор. Метод-индексатор является обобщением метода-свойства. Он обеспечивает доступ к закрытому полю, представляющему массив. Объекты класса индексируются по этому полю.
Синтаксически объявление индексатора - такое же, как и в случае свойств, но методы get и set приобретают аргументы по числу размерности массива, задающего индексы элемента, значение которого читается или обновляется. Важным ограничением является то, что у класса может быть только индексатор со стандартным именем this. Как и любые другие методы индексатор может быть перегруженным. Так что если среди полей класса есть несколько массивов одной размерности, то индексация объектов может быть выполнена только по одному из них.
Добавим в класс Person свойство children, задающее детей персоны, сделаем это свойство закрытым, а доступ к нему обеспечит индексатор:
const int Child_Max = 20; //максимальное число детейPerson[] children = new Person[Child_Max];int count_children=0; //число детейpublic Person this[int i] //индексатор{ get {if (i>=0 && i< count_children)return(children[i]); else return(children[0]);} set { if (i==count_children && i< Child_Max) {children[i] = value; count_children++;} }}Имя у индексатора - this, в квадратных скобках в заголовке перечисляются индексы. В методах get и set, обеспечивающих доступ к массиву children, по которому ведется индексирование, анализируется корректность задания индекса. Закрытое поле count_children, хранящее текущее число детей, доступно только для чтения благодаря добавлению соответствующего метода-свойства. Надеюсь, текст процедуры-свойства Count_children сумеете написать самостоятельно. Запись в это поле происходит в методе set индексатора, когда к массиву children добавляется новый элемент.
Протестируем процесс добавления детей персоны и работу индексатора:
public void TestPersonChildren(){ Person pers1 = new Person(), pers2 = new Person(); pers1.Fam = "Петров"; pers1.Age = 42; pers1.Salary = 10000; pers1[pers1.Count_children] = pers2; pers2.Fam ="Петров"; pers2.Age = 21; pers2.Salary = 1000; Person pers3= new Person(); pers3.Fam="Петрова"; pers1[pers1.Count_children] = pers3; pers3.Fam ="Петрова"; pers3.Age = 5; Console.WriteLine ("Фам={0}, возраст={1}, статус={2}", pers1.Fam, pers1.Age, pers1.Status); Console.WriteLine ("Сын={0}, возраст={1}, статус={2}", pers1[0].Fam, pers1[0].Age, pers1[0].Status); Console.WriteLine ("Дочь={0}, возраст={1}, статус={2}", pers1[1].Fam, pers1[1].Age, pers1[1].Status);}Заметьте, индексатор создает из объекта как бы массив объектов, индексированный по соответствующему полю, в данном случае по полю children. На рис. 16.2 показаны результаты вывода.
Рис. 16.2. Работа с индексатором класса
Операции
Еще одним частным случаем являются методы, задающие над объектами-классами бинарную или унарную операцию. Введение в класс таких методов позволяет строить выражения, аналогичные арифметическим и булевым выражениям с обычно применяемыми знаками операций и сохранением приоритетов операций. Синтаксис задания таких методов и детали применения опишу чуть позже при проектировании класса рациональных чисел Rational, где введение операций вполне оправдано.
Статические поля и методы класса
Ранее говорилось, что когда конструктор класса создает новый объект, то в памяти создается структура данных с полями, определяемыми классом. Уточним теперь это описание. Не все поля отражаются в структуре объекта. У класса могут быть поля, связанные не с объектами, а с самим классом. Эти поля объявляются как статические с модификатором static. Статические поля доступны всем методам класса. Независимо от того, какой объект вызвал метод, используются одни и те же статические поля, позволяя методу использовать информацию, созданную другими объектами класса. Статические поля представляют общий информационный пул для всех объектов классов, позволяя извлекать и создавать общую информацию. Например, у класса Person может быть статическое поле message, в котором каждый объект может оставить сообщение для других объектов класса.
Аналогично полям, у класса могут быть и статические методы, объявленные с модификатором static. Такие методы не используют информацию о свойствах конкретных объектов класса - они обрабатывают общую для класса информацию, хранящуюся в его статических полях. Например, в классе Person может быть статический метод, обрабатывающий данные из статического поля message. Другим частым случаем применения статических методов является ситуация, когда класс предоставляет свои сервисы объектам других классов. Таковым является класс Math из библиотеки FCL, который не имеет собственных полей - все его статические методы работают с объектами арифметических классов.
Как вызываются статические поля и методы? Напомню, что всякий вызов метода в объектных вычислениях имеет вид x.F(...); где x - это цель вызова. Обычно целью вызова является объект, который вызывает методы класса, не являющиеся статическими (динамическими или экземплярными). В этом случае поля целевого объекта доступны методу и служат глобальным источником информации. Если же необходимо вызвать статический метод (поле), то целью должен быть сам класс. Можно полагать, что для каждого класса автоматически создается статический объект с именем класса, содержащий статические поля и обладающий статическими методами. Этот объект и его методы доступны и тогда, когда ни один другой динамический объект класса еще не создан. (Полагаю, что разумно обратиться к лекции 2, а именно, к разделу, описывающему точку большого взрыва, процесс вычислений в ОО-системах, вызовы статических методов.)
Константы
В классе могут быть объявлены константы. Синтаксис объявления приводился в лекции 5. Константы фактически являются статическими полями, доступными только для чтения, значения которых задаются при инициализации. Однако задавать модификатор static для констант не только не нужно, но и запрещено. В нашем классе Person была задана константа Child_Max, характеризующая максимальное число детей у персоны.
Никаких проблем не возникает, когда речь идет о константах встроенных типов, таких, как Child_Max. Однако совсем не просто определить в языке C# константы собственного класса. Этот вопрос будет подробно рассматриваться чуть позже, когда речь пойдет о проектировании класса Rational.
Конструкторы класса
Конструктор - неотъемлемый компонент класса. Нет классов без конструкторов. Конструктор представляет собой специальный метод класса, позволяющий создавать объекты класса. Одна из синтаксических особенностей этого метода в том, что его имя должно совпадать с именем класса. Если программист не определяет конструктор класса, то к классу автоматически добавляется конструктор по умолчанию - конструктор без аргументов. Заметьте, что если программист сам создает один или несколько конструкторов, то автоматического добавления конструктора без аргументов не происходит.
Как и когда происходит создание объектов? Чаще всего, при объявлении сущности в момент ее инициализации. Давайте обратимся к нашему последнему примеру и рассмотрим создание трех объектов класса Person:
Person pers1 = new Person(), pers2 = new Person();
Person pers3= new Person("Петрова");
Сущности pers1, pers2 и pers3 класса Person объявляются с инициализацией, задаваемой унарной операцией new, которой в качестве аргумента передается конструктор класса Person. У класса может быть несколько конструкторов - это типичная практика, - отличающихся сигнатурой. В данном примере в первой строке вызывается конструктор без аргументов, во второй строке для сущности pers3 вызывается конструктор с одним аргументом типа string. Разберем в деталях процесс создания:
· первым делом для сущности pers создается ссылка, пока висячая, со значением null ;
· затем в динамической памяти создается объект - структура данных с полями, определяемыми классом Person. Поля объекта инициализируются значениями по умолчанию: ссылочные поля - значением null, арифметические - нулями, строковые - пустой строкой. Эту работу выполняет конструктор по умолчанию, который, можно считать, всегда вызывается в начале процесса создания. Заметьте, если инициализируется переменная значимого типа, то все происходит аналогичным образом, за исключением того, что объект создается в стеке;
· если поля класса проинициализированы, как в нашем примере, то выполняется инициализация полей заданными значениями;
· если вызван конструктор с аргументами, то начинает выполняться тело этого конструктора. Как правило, при этом происходит инициализация отдельных полей класса значениями, переданными конструктору. Так, поле fam объекта pers3 получает значение "Петрова";
· На заключительном этапе ссылка связывается с созданным объектом.
Процесс создания объектов становится сложнее, когда речь идет об объектах, являющихся потомками некоторого класса. В этом случае, прежде чем создать сам объект, нужно вызвать конструктор, создающий родительский объект. Но об этом мы еще поговорим при изучении наследования. (Ключевое слово new используется в языке для двух разных целей. Во-первых, это имя операции, запускающей только что описанный процесс создания объекта. Во-вторых, это модификатор класса или метода. Роль new как модификатора будет выяснена при рассмотрении наследования.)
Зачем классу нужно несколько конструкторов? Дело в том, что, в зависимости от контекста и создаваемого объекта, может требоваться различная инициализация его полей. Перегрузка конструкторов и обеспечивает решение этой задачи.
Немного экзотики, связанной с конструкторами. Конструктор может быть объявлен с атрибутом private. Понятно, что в этом случае внешний пользователь не может воспользоваться им для создания объектов. Но это могут делать методы класса, создавая объекты для собственных нужд со специальной инициализацией. Пример такого конструктора будет дан позже.
В классе можно объявить статический конструктор с атрибутом static. Он вызывается автоматически - его не нужно вызывать стандартным образом. Точный момент вызова не определен, но гарантируется, что вызов произойдет до создания первого объекта класса. Такой конструктор может выполнять некоторую предварительную работу, которую нужно выполнить один раз, например, связаться с базой данных, заполнить значения статических полей класса, создать константы класса, выполнить другие подобные действия. Статический конструктор, вызываемый автоматически, не должен иметь модификаторов доступа. Вот пример объявления такого конструктора в классе Person:
static Person()
{
Console.WriteLine("Выполняется статический конструктор!");
}
В нашей тестирующей процедуре, работающей с объектами класса Person, этот конструктор вызывается первым, и первым появляется сообщение этого конструктора.
Подводя итоги, можно отметить, что объекты создаются динамически в процессе выполнения программы - для создания объекта всегда вызывается тот или иной конструктор класса.
Деструкторы класса
Если задача создания объектов полностью возлагается на программиста, то задача удаления объектов, после того, как они стали не нужными, в Visual Studio .Net снята с программиста и возложена на соответствующий инструментарий - сборщик мусора. В классическом варианте языка C++ деструктор так же необходим классу, как и конструктор. В языке C# y класса может быть деструктор, но он не занимается удалением объектов и не вызывается нормальным образом в ходе выполнения программы. Так же, как и статический конструктор, деструктор класса, если он есть, вызывается автоматически в процессе сборки мусора. Его роль - в освобождении ресурсов, например, файлов, открытых объектом. Деструктор C# фактически является финализатором (finalizer), с которыми мы еще встретимся при обсуждении исключительных ситуаций. Приведу формальное описание деструктора класса Person:
~Person()
{
//Код деструктора
}
Имя деструктора строится из имени класса с предшествующим ему символом ~ (тильда). Как и у статического конструктора, у деструктора не указывается модификатор доступа.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 226; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!