22. Лекция: Универсальность. Классы с родовыми параметрами

Наследование и универсальность

Необходимость в универсализации возникает с первых шагов программирования. Одна из первых процедур, появляющихся при обучении программированию - это процедура свопинга:обмен значениями двух переменных одного типа. Выглядит она примерно так:

public void Swap(ref T x1, ref T x2)

{

T temp;

temp = x1; x1 = x2; x2 = temp;

}

Если тип TT - это вполне определенный тип, например int, string или Person, то никаких проблем не существует, все совершенно прозрачно. Но как быть, если возникает необходимость обмена данными разного типа? Неужели нужно писать копии этой процедуры для каждого типа? Проблема легко решается в языках, где нет контроля типов - там достаточно иметь единственный экземпляр такой процедуры, прекрасно работающий, но лишь до тех пор, пока передаются аргументы одного типа. Когда же процедуре будут переданы фактические аргументы разного типа, то немедленно возникнет ошибка периода выполнения, и это слишком дорогая плата за

универсальность.

В типизированных языках, не обладающих механизмом универсализации, выхода практически нет - приходится писать многочисленные копии Swap.

До недавнего времени Framework .Net и соответственно язык C# не поддерживали универсальность. Так что те, кто работает с языком C#, входящим в состав Visual Studio 2003 и ранних версий, должны смириться с отсутствием универсальных классов. Но в новой версии Visual Studio 2005, носящей кодовое имя Whidbey, проблема решена, и программисты получили наконец долгожданный механизм универсальности. Я использую в примерах этой лекции бета-версию Whidbey.

Замечу, что хотя меня прежде всего интересовала реализация универсальности, но и общее впечатление от Whidbey самое благоприятное.

Для достижения универсальности процедуры Swap следует рассматривать тип TT как ее параметр, такой же, как и сами аргументы x1 и x2. Суть универсальности в том, чтобы в момент вызова процедуры передавать ей не только фактические аргументы, но и их

фактический тип.

Под универсальностью (genericity) понимается способность класса объявлять используемые им типы как параметры. Класс с параметрами, задающими типы, называется универсальным классом (generic class). Терминология не устоялась и синонимами термина "универсальный класс" являются термины: родовой класс, параметризованный класс, класс с родовыми параметрами. В языке С++

универсальные классы называются шаблонами (template).

Синтаксис универсального класса

Объявить класс C# универсальным просто: для этого достаточно указать в объявлении класса, какие из используемых им типов являются параметрами. Список типовых параметров класса, заключенный в угловые скобки, добавляется к имени класса:

class MyClass<T1, ... Tn> {...}

Как и всякие формальные параметры, Ti являются именами (идентификаторами). В теле класса эти имена могут задавать типы некоторых полей класса, типы аргументов и возвращаемых значений методов класса. В некоторый момент (об этом скажем чуть позже) формальные имена типов будут заменены фактическими параметрами, представляющими уже конкретные типы - имена встроенных классов, классов библиотеки FCL, классов, определенных пользователем.

В C# универсальными могут быть как классы, так и все их частные случаи - интерфейсы, структуры, делегаты, события.

Класс с универсальными методами

Специальным частным случаем универсального класса является класс, не объявляющий сам параметров, но разрешающий делать это своим методам. Давайте начнем рассмотрение универсальности с этого частного случая. Вот как выглядит класс, содержащий универсальный метод swap:

class Change

{

static public void Swap<T>(ref T x1, ref T x2)

{

T temp;

temp = x1; x1 = x2; x2 = temp;

}

}

Как видите, сам класс в данном случае не имеет родовых параметров, но зато универсальным является статический метод класса swap, имеющий родовой параметр типа T.T Этому типу принадлежат аргументы метода и локальная переменная temp. Всякий раз при вызове метода ему, наряду с фактическими аргументами, будет передаваться и фактический тип, заменяющий тип TT в описании метода. О некоторых деталях технологии подстановки и выполнения метода поговорим в конце лекции, сейчас же лишь отмечу, что реализация вызова универсального метода в C# не приводит к существенным накладным расходам.

Рассмотрим тестирующую процедуру из традиционного для наших примеров класса Testing, в которой интенсивно используется вызов метода swap для различных типов переменных:

public void TestSwap()

{

int x1 = 5, x2 = 7;

Console.WriteLine("до обмена: x1={0}, x2={1}",x1, x2); Change.Swap<int>(ref x1, ref x2); Console.WriteLine("после обмена: x1={0}, x2={1}", x1, x2); string s1 = "Савл", s2 = "Павел";

Console.WriteLine("до обмена: s1={0}, s2={1}", s1, s2); Change.Swap<string>(ref s1, ref s2); Console.WriteLine("после обмена: s1={0}, s2={1}", s1, s2); Person pers1 = new Person("Савлов", 25, 1500);

Person pers2 = new Person("Павлов", 35, 2100); Console.WriteLine("до обмена: "); pers1.PrintPerson(); pers2.PrintPerson(); Change.Swap<Person>(ref pers1, ref pers2); Console.WriteLine("после обмена:"); pers1.PrintPerson(); pers2.PrintPerson();

}

Обратите внимание на строки, осуществляющие вызов метода:

Change.Swap<int>(ref x1, ref x2);

Change.Swap<string>(ref s1, ref s2);

Change.Swap<Person>(ref pers1, ref pers2);

В момент вызова метода передаются фактические аргументы и фактические типы. В данном примере в качестве фактических типов использовались встроенные типы int и string и тип Person, определенный пользователем. Общая ситуация такова: если в классе объявлен универсальный метод со списком параметров M<T1, ...Tn> (...), то метод вызывается следующим образом: M<TYPE1, ... TYPEn>(...), где TYPEi - это конкретные типы.

Еще раз напомню, что все эти примеры построены в Whidbey, и вот как выглядят внешний вид среды разработки и окно с результаты работы этой процедуры.

Рис. 22.1. Результаты работы универсальной процедуры swap

В этом примере использовался класс Person, и поскольку он появится и в следующих примерах, то приведу его текст:

class Person

{

public Person(string name, int age, double salary)

{

this.name = name; this.age = age; this.salary = salary;

}

public string name; public int age; public double salary;

public void PrintPerson()

{

Console.WriteLine("name= {0}, age = {1}, salary ={2}", name, age, salary);

}

}

Два основных механизма объектной технологии

Наследование и универсальность являются двумя основными механизмами, обеспечивающими мощность объектной технологии разработки. Наследование позволяет специализировать операции класса, уточнить, как должны выполняться операции. Универсализация позволяет специализировать данные, уточнить, над какими данными выполняются операции.

Эти механизмы взаимно дополняют друг друга. Универсальность можно ограничить (об этом подробнее будет сказано ниже), указав, что тип, задаваемый родовым параметром, обязан быть наследником некоторого класса и/или ряда интерфейсов. С другой стороны, когда формальный тип TT заменяется фактическим типом TFact, то там, где разрешено появляться объектам типа TFact, разрешены и объекты, принадлежащие классам-потомкам TFact.

Эти механизмы в совокупности обеспечивают бесшовный процесс разработки программных систем, начиная с этапов спецификации и проектирования системы и заканчивая этапами реализации и сопровождения. На этапе задания спецификаций появляются абстрактные, универсальные классы, которые в ходе разработки становятся вполне конкретными классами с конкретными типами данных. Механизмы наследования и универсализации позволяют существенно сократить объем кода, описывающего программную систему, поскольку потомки не повторяют наследуемый код своих родителей, а единый код универсального класса используется при каждой конкретизации типов данных. На рис. 22.2 показан схематически процесс разработки программной системы.

Рис. 22.2.1. 1: Этап проектирования: абстрактный класс с абстрактными типами

Рис. 22.2.2. 2: Наследование: уточняется представление данных; задается или уточняется реализация методов родителя