Основы полиморфизма

Использование наследования часто приводит к созданию нескольких производных от данного базового классов. Например, мы можем определить несколько производных классов от класса Student. Важной способностью любого студента является способность сдавать экзамен. Допустим, что студенты младших курсов сдают экзамен путем сдачи серии учебных модулей, в результате чего окончательная оценка накапливается как результат оценок по каждому модулю. Студенты старшекурсники сдают «классический» экзамен – в конце учебного периода. Несмотря на разницу в способах сдачи экзаменов, во многих ситуациях управления студентами не хотелось бы постоянно учитывать описанное различие. Приведем программную реализацию данной ситуации.

class Student

{

private string name;

private int mark;

public Student(string n) { name = n; }

public void PassExam() { mark = 0; }

public string Name { get { return name; } }

public int Mark

{

get { return mark; }

set { mark = value; }

}

}

class YoungStudent : Student

{

private int[] modMarks;

private static Random r=new Random();

public YoungStudent(string n, int modCount): base(n)

{ modMarks = new int[modCount]; }

private void passModule(int n)

{ modMarks[n] = r.Next(0, 13); }

public void PassExam()

{

double d, s = 0.0;

for (int i = 0; i < modMarks.Length; i++)

{ passModule(i); s += modMarks[i]; }

d = s / modMarks.Length;

Mark = (int)(Math.Round(d));

}

}

class OldStudent : Student

{

private static Random r=new Random();

public OldStudent(string n) : base(n) { }

public void PassExam() { Mark = r.Next(0, 13); }

}

Класс Student сам по себе для создания объектов использоваться не будет. Поэтому он содержит сугубо формальную реализацию метода PassExam. Однако другие его методы будут успешно использоваться объектами производных классов без переопределения.

Далее в клиентской части (класс Program) мы решаем следующие задачи:

‒ Создание множества студентов. Студенты двух типов помещаются в ArrayList.

‒ Все созданные студенты сдают экзамен.

‒ Выводится статистика оценок по всем студентам.

class Program

{

private static ArrayList students;

static void MakeStudents()

{

students = new ArrayList();

students.Add(new YoungStudent("Peter",2));

students.Add(new OldStudent("Terry"));

students.Add(new YoungStudent("Frank",2));

students.Add(new OldStudent("Ann"));

}

static void PassExams()

{

foreach (Student student in students)

{

switch (student.GetType().Name)

{

case "YoungStudent":

{((YoungStudent)student).PassExam(); break;}

case "OldStudent":

{((OldStudent)student).PassExam(); break;}

}

}

}

static void Report()

{

foreach (Student st in students)

Console.WriteLine("Student {0} has mark {1}", st.Name, st.Mark);

}

static void Main()

{

MakeStudents();

PassExams();

Report();

}

}

Ключевым моментом этой программы является реализация метода PassExam. Идеальным по простоте был бы следующий его вариант:

static void PassExams()

{

foreach (Student student in students) student.PassExam();

}

К сожалению, в таком случае все студенты получили бы оценку 0, поскольку для всех студентов в этом случае работает метод PassExam из базового класса. Дело в том, что решение о том, какой вариант метода PassExam вызывать принимается на стадии компиляции (это называется ранним связыванием) на основании типа объекта. А в приведенной реализации переменная цикла student описана базовым классом Student.

В результате приходится использовать средства для работы с информацией о типах во время выполнения программы (Run Time Type Information – RTTI). Основным средством этой категории является метод GetType, возвращающий информацию о типе объекта, на который ссылается переменная во время выполнения программы. Конструкция student.GetType().Name возвращает строку с именем этого типа. Такое решение не только громоздко, но и не надежно. Представьте, как тяжело будет поддерживать правильность такого программного кода, если:

1. Будут возникать все новые производные классы студентов.

2. Подобные методы, основанные на switch-анализе вариантов, встречаются во многих местах программы.

Данная проблема является типичной для объектно-ориентированного способа разработки программ и имеет свое решение. Разработчикам ОО языков удалось предложить средства, обеспечивающие позднее связывание, которое и известно под названием полиморфизма.

Полиморфная реализация метода PassExam потребует следующих шагов:

1. В базовом классе описать метод с ключевым словом virtual (виртуальный метод):

class Student

{ . . . public virtual void PassExam() { mark=0;} . . . }

2. В производных классах описать метод с ключевым словом override (переопределенный метод):

class YoungStudent : Student

{ . . .

public override void PassExam() { . . .}

. .

}

class OldStudent : Student

{ . . .

public override void PassExam() { . . .}

. .

}

Теперь метод PassExam выглядит просто:

static void PassExams()

{

foreach (Student st in students) st.PassExam();

}

Теперь решение о том, какой из методов PassExam вызывать откладывается на стадию выполнения программы и зависит не от «статического» типа переменной student, а от ее «динамического» типа, то есть от реального типа объекта, на который ссылается переменная в тот или иной момент выполнения программы.

Термин «полиморфизм» означает возможность разнотипных объектов самостоятельно продемонстрировать различие в своем поведении без выяснения типа этих объектов извне.

Поля не могут быть виртуальными. Виртуальными могут быть только методы, свойства и события.