Наследование, композиция, агрегация
Нередко случается, что решив разобраться с какой-то новой темой, понятием, инструментом программирования, я читаю одну за другой статьи на различных сайтах в интернете. И, если тема сложная, то эти статьи могут не на шаг не приблизить меня к понимаю. И вдруг встречается статья, которая моментально дает озарение и все паззлы складываются воедино. Трудно определить, что отличает такую статью от других. Правильно подобранные слова, оптимальная логика изложения или же просто более релевантный пример. Я не претендую на то, что моя статься окажется новым словом в C# или же лучшей обучающей статьей. Но, возможно для кого-то она станет именно той, которая позволит разобраться, запомнить и начать правильно применять те понятия, о которых пойдет речь.
В объектно-ориентированных языках программирования существует три способа организации взаимодействия между классами. Наследование — это когда класс-наследник имеет все поля и методы родительского класса, и, как правило, добавляет какой-то новый функционал или/и поля. Наследование описывается словом «является». Легковой автомобиль является автомобилем. Вполне естественно, если он будет его наследником.
Ассоциация – это когда один класс включает в себя другой класс в качестве одного из полей. Ассоциация описывается словом «имеет». Автомобиль имеет двигатель. Вполне естественно, что он не будет являться наследником двигателя (хотя такая архитектура тоже возможна в некоторых ситуациях).
Выделяют два частных случая ассоциации: композицию и агрегацию.
Композиция – это когда двигатель не существует отдельно от автомобиля. Он создается при создании автомобиля и полностью управляется автомобилем. В типичном примере, экземпляр двигателя будет создаваться в конструкторе автомобиля.
Агрегация – это когда экземпляр двигателя создается где-то в другом месте кода, и передается в конструктор автомобиля в качестве параметра.
Хотя ведутся дискуссии о преимуществах того или иного способа организации взаимодействия между классами, какого-либо абстрактного правила не существует. Разработчик выбирает тот или иной путь основываясь на элементарной логике (“является” или “имеет”), но также принимает во внимание возможности и ограничения, которые дают и накладывают эти способы. Для того, чтобы увидеть эти возможности и ограничения, я попытался написать пример. Достаточно простой, чтобы код оставался компактным, но и достаточно развитый, чтобы в рамках одной программы можно было применить все три способа. И, главное, я попытался сделать этот пример как можно менее абстрактным – все объекты и экземпляры понятны и осязаемы.
Напишем простенькую игру – танковый бой. Играют два танка. Они поочередно стреляют и проигрывает тот, здоровье которого упало до нуля. В игре будут различные типы снарядов и брони. Для того, чтобы нанести урон необходимо во-первых, попасть по танку противника, во-вторых, пробить его броню. Если броня не пробита, урон не наносится. Логика игры построена на принципе «камень-ножницы-бумага»: то есть броня одного типа хорошо противостоит снарядам определенного типа, но плохо держит другие снаряды. Кроме того, снаряды, которые хорошо пробивают броню, наносят малый «заброневой» урон, и, напротив, наиболее «летальные» снаряды имеют меньше шансов пробить броню.
Создадим простенький класс для пушки. Он будет иметь два приватных поля: калибр и длину ствола. От калибра зависит урон, и, частично, способность к пробитию брони. От длины ствола – точность стрельбы.
Сделаем также конструктор для пушки:
Сделаем метод для получения калибра из других классов:
Помните, что для поражения цели должно произойти две вещи: попадание в цель и пробитие брони? Так вот, пушка будет отвечать за первую из них: попадание. Поэтому делаем булевый метод IsOnTarget, который принимает случайную величину (dice) и возвращает результат: попали или нет:
Целиком класс пушки выглядит следующим образом:
Теперь сделаем снаряды – это наиболее очевидный случай для применения наследования, но и агрегацию в нем тоже применим. Любой снаряд имеет свои особенности. Просто неких гипотетических снарядов не бывает. Поэтому класс делаем абстрактным. Делаем ему строковое поле «тип».
Снаряды делают для пушек. Для определенных пушек. Снаряд одного калибра не выстрелит из пушки другого калибра. Поэтому добавляем снаряду поле-ссылку на экземпляр пушки. Делаем конструктор.
Здесь мы применили агрегацию. Где-то будет создана пушка. Потом к этой пушке будут создаваться снаряды, которые имеют указатель на пушку.
Конкретные типы снарядов будут наследниками абстрактного снаряда. Наследники могут просто наследовать методы родителя, но могут и быть переопределены, то есть работать не так, как родительский метод. Но мы точно знаем, что любой снаряд должен иметь ряд методов. Любой снаряд должен наносить урон. Метод GetDamage просто возвращает калибр, умноженный на три. В общем случае, урон снаряда зависит от калибра. Но этот метод будет переопределяться в дочерних классах (помним, что снаряды, которые хорошо пробивают броню, как правило наносят меньший «заброневой» урон. Чтобы иметь возможность переопределить метод в дочернем классе, используем слово virtual.
Любой снаряд должен пробивать (или по крайней мере пытаться пробить) броню. В общем случае способность пробивать броню также зависит от калибра (ну, и еще от многого – начальной скорости, например, но мы не будем усложнять). Поэтому, метод возвращает калибр. То есть, грубо говоря, снаряд может пробить броню, равную по толщине своему калибру. Этот метод не будет переопределяться в дочерних классах.
Кроме того, для удобной отладки и организации консольного вывода, имеет смысл добавить метод ToString, который просто позволит нам увидеть, что это за снаряд и какого калибра:
Теперь сделаем разные типы снарядов, которые будут наследовать абстрактный снаряд: фугасный, кумулятивный, подкалиберный. Фугасный наносит самый большой урон, кумулятивный – меньше, подкалиберный – еще меньше. Дочерние классы не имеют полей и вызывают конструктор базового снаряда, передавая ему пушку, и строковый тип. В дочернем классе переопределяется метод GetDamage() – вносятся коэффициенты, которые увеличат или уменьшат урон по сравнению с дефолтным.
Фугасный (дефолтный урон):
Кумулятивный (дефолтный урон х 0.6):
Подкалиберный (дефолтный урон х 0.3):
Обратите внимание, что в переопределенном методе GetDamage вызывается и метод базового класса. То есть, переопределив метод, мы также сохраняем возможность обратиться к дефолтному методу, использовав ключевое слово base).
Итак, для снарядов мы применили и агрегацию (пушка в базовом классе), и наследование.
Создадим теперь броню для танка. Здесь применим только наследование. Любая броня имеет толщину. Поэтому абстрактный класс брони будет иметь поле thickness, и строковое поле type, которое будет определятся при создании дочерних классов.
Броня будет в нашей игре определять пробита они или нет. Поэтому, у нее будет лишь один метод, который будет переопределяться в дочерних, в зависимости от типа брони.
А пробита они или нет – зависит от того, какой прилетел снаряд: в дефолтном случае какого калибра. Поэтому метод принимает экземпляр снаряда и возвращает булевый результат: пробита или нет. Создадим несколько типов брони – наследников абстрактной брони. Приведу код лишь одного типа – логика примерно такая же, как и в снарядах. Гомогенная броня хорошо держит фугасный снаряд, но плохо – подкалиберный. Поэтому, если прилетел подкалиберный снаряд, который имеет высокую бронепробиваемость, то в вычислениях наша броня как-бы становится тоньше. И так далее: каждый вид брони имеет свой набор коэфициентов устойчивости к тому или иному снаряду.
Здесь мы используем одно из чудес, которые дает полиморфизм. Метод принимает любой снаряд. В сигнатуре указан базовый класс, а не дочерние. Но внутри метода, мы можем увидеть, что за снаряд прилетел – какого типа. И в зависимости от этого, реализуем ту или иную логику. Если бы мы не применили наследование для снарядов, а сделали просто три уникальных класса типов снарядов, то проверку пробития брони пришлось бы организовывать иначе. Нам пришлось бы писать столько перегруженных методов, сколько типов снарядов у нас в игре, и вызывать один из них в зависимости от того, какой снаряд прилетел. Это тоже было бы довольно изящно, но не относится к теме данной статьи.
Теперь у нас все готово для создания танка. В танке не будет наследования, но будет композиция и агрегация. Разумеется, у танка будет название. У танка будет пушка (агрегация). Для нашей игры сделаем допущение, что танк может «переодевать» броню перед каждым ходом – выбрать тот или иной тип брони. Для этого, у танка будет список типов брони. У танка будет боеукладка – список снарядов, который будет наполнен снарядами, созданными в конструкторе танка (композиция!). У танка будет здоровье (уменьшается при попадании в него), и, у танка будет текущая выбранная броня и текущий выбранный снаряд.
Для того, чтобы конструктор танка остался более-менее компактным, сделаем два вспомогательных приватных метода, которые добавляют три типа брони соответствующей толщины, и наполняют боеукладку 10 снарядами каждого из трех типов:
Теперь конструктор танка выглядит вот таким образом:
Обратите внимание, что здесь мы снова используем возможности полиморфизма. Наша боекладка вмещает снаряды любого типа, так как список имеет тип данных Ammo – родительский снаряд. Если бы мы не наследовались, а создавали уникальные типы снарядов, пришлось бы делать отдельный список под каждый тип снаряда.
Пользовательский интерфейс танка состоит из трех методов: выбрать броню, зарядить пушку, выстрелить.
Как я упомянул в начале, в этом примере я старался максимально уйти от абстрактных понятий, которые нужно все время держать в голове. Поэтому каждый экземпляр снаряда у нас равен физическому снаряду, который положили в боеукладку перед боем. Следовательно, снаряды могут закончится в самый неподходящий момент!
Здесь – поподробнее. Во-первых, есть проверка заряжена ли пушка. Во-вторых, снаряд, который вылетел из ствола, уже не существует для данного танка, его уже нет ни в пушке, ни в боеукладке. Но физически он еще существует – летит по направлению к цели. И если попадет, будет участвовать в вычислении пробития брони и урона цели. Поэтому, мы сохраняем этот снаряд в новой переменной: Ammo firedAmmo. Поскольку на следующей же строке данный снаряд перестанет существовать для данного танка, придется использовать интерфейс IClonable для базового класса снаряда:
Этот интерфейс требует реализации метода Clone(). Вот она:
Теперь все супер реалистично: при выстреле генерируется dice, пушка рассчитывает попадание своим методом IsOnTarget, и, если попадание есть, то метод Shoot вернет экземпляр снаряда, а если промах – то вернет null.
Последний метод танка – его поведение при попадании вражеского снаряда:
Снова полиморфизм во всей красе. К нам прилетает снаряд. Любой. Исходя из выбранной брони и типа снаряда, вычисляется пробита броня или нет. Если пробита, то вызывается метод конкретного типа снаряда GetDamage().
Все готово. Остается только написать консольный (или неконсольный) вывод, в котором будет обеспечен пользовательский интерфейс и в цикле реализованы поочередные ходы игроков.
Подведем итоги. Мы написали программу, в которой использовали наследование, композицию и агрегацию, надеюсь, поняли и запомнили различия. Активно задействовали возможности полиморфизма, во-первых, когда любые экземпляры дочерних классов можно сложить в список, имеющий тип данных родительского, а во-вторых, создавая методы, которые принимают в качестве параметра родительский экземпляр, но внутри которых вызываются методы дочернего. По ходу текста я упоминал возможные альтернативные реализации – замену наследования на агрегацию, и, универсального рецепта тут нет. В нашей реализации наследование дало нам легкость добавления новых деталей в игру. Например, чтобы добавить новый тип снаряда нам нужно лишь:
- собственно, скопировать один из существующих типов, заменив название и строковое поле, передаваемое в конструктор;
- добавить еще один if в дочерние классы брони;
- добавить дополнительный пункт в меню выбора снаряда в пользовательском интерфейсе.
Аналогично, чтобы добавить еще одну разновидность брони, требуется лишь описать эту разновидность и добавить пункт в пользовательский интерфейс. Модифицировать другие классы или методы не требуется.
Ниже – приведена диаграмма наших классов.
В финальном коде игры все «магические числа», которые использовались в тексте, вынесены в отдельный статический класс Config. К публичным полям статического класса мы можем обратиться из любого фрагмента нашего кода и его экземпляр не нужно (и невозможно) создавать. Вот так он выглядит:
И благодаря этому классу мы можем производить дальнейшую настройку, меняя параметры лишь здесь, без дальнейшего углубления в классы и методы. Если, например, мы пришли к выводу, что подкалиберный снаряд получился слишком сильным, то мы меняем одну циферку в Config.
Весь код игры можно увидеть вот здесь.
Источник
Или же способ данного типа
Теперь применим полученные знания о представлении текстовой информации на практике. В языке программирования Паскаль для работы с текстовой информацией есть специальный символьный тип переменных, который называется char (от английского character). Переменные этого типа занимают в оперативной памяти по `1` байту и, соответственно, могут принимать `256` различных значений. Значениями переменных этого типа являются элементы какой-либо однобайтовой кодовой таблицы (например, KOI-`8` или Windows-`1251`). Какие именно символы являются значениями данного типа, зависит от того, какая кодовая таблица используется в момент выполнения (а не написания) программы. То есть одна и та же программа, например, печатающая изображение всех символов кодовой таблицы, на компьютерах с различными текущими кодировками будет иметь различные результаты работы.
Переменным символьного типа можно присваивать значения при помощи оператора присваивания. При этом есть два способа записи символьных констант. Первый способ – записать явное изображение символа, заключив его в апострофы. Пусть, например, переменная C имеет тип char. Присвоим ей значение: C:= ‘a’; Описанный способ записи символьных значений удобно применять практически всегда. Единственный недостаток этого способа заключается в том, что так невозможно представить служебные символы, которые не имеют явных изображений (в кодовой таблице это первые `32` символа). Поэтому существует ещё один способ записи символьных констант – сначала указать спецсимвол решётку ( # ), а потом код интересующего нас символа. Например, C:=#13; Недостаток этого способа заключается в том, что нужно помнить коды всех символов, поэтому обычно его применяют только для записи символов без явного изображения.
Переменные типа char можно выводить на экран при помощи оператора вывода и вводить с клавиатуры. Апострофы при вводе набирать не нужно (каждый апостроф также будет считаться отдельным символом). Служебные символы вводятся следующим образом: нужно зажать alt и на правой цифровой клавиатуре набрать код символа (например, 13).
К переменным типа char можно применять операции сравнения ( > , = , ). При этом сравниваются коды символов и большим признаётся символ, имеющий больший код (то есть символ, находящийся дальше от нулевого). Результатом операции сравнения является логическое значение – true или false .
Существует `5` стандартных функций для работы с переменными символьного типа:
Источник
