Интерфейсы, структуры и перечисления
В этой главе рассматривается одно из самых важных в С# средств: интерфейс, определяющий ряд методов для реализации в классе. Но поскольку в самом интерфейсе ни один из методов не реализуется, интерфейс представляет собой чисто логическую конструкцию, описывающую функциональные возможности без конкретной их реализации.
Кроме того, в этой главе представлены еще два типа данных С#: структуры и перечисления. Структуры подобны классам, за исключением того, что они трактуются как типы значений, а не ссылочные типы. А перечисления представляют собой перечни целочисленных констант. Структуры и перечисления расширяют богатый арсенал средств программирования на С#.
Интерфейсы
Иногда в объектно-ориентированном программировании полезно определить, что именно должен делать класс, но не как он должен это делать. Примером тому может служить упоминавшийся ранее абстрактный метод. В абстрактном методе определяются возвращаемый тип и сигнатура метода, но не предоставляется его реализация. А в производном классе должна быть обеспечена своя собственная реализация каждого абстрактного метода, определенного в его базовом классе. Таким образом, абстрактный метод определяет интерфейс, но не реализацию метода. Конечно, абстрактные классы и методы приносят известную пользу, но положенный в их основу принцип может быть развит далее. В С# предусмотрено разделение интерфейса класса и его реализации с помощью ключевого слова interface.
С точки зрения синтаксиса интерфейсы подобны абстрактным классам. Но в интерфейсе ни у одного из методов не должно быть тела. Это означает, что в интерфейсе вообще не предоставляется никакой реализации. В нем указывается только, что именно следует делать, но не как это делать. Как только интерфейс будет определен, он может быть реализован в любом количестве классов. Кроме того, в одном классе может быть реализовано любое количество интерфейсов..
Для реализации интерфейса в классе должны быть предоставлены тела (т.е. конкретные реализации) методов, описанных в этом интерфейсе. Каждому классу предоставляется полная свобода для определения деталей своей собственной реализации интерфейса. Следовательно, один и тот же интерфейс может быть реализован в двух классах по-разному. Тем не менее в каждом из них должен поддерживаться один и тот же набор методов данного интерфейса. А в том коде, где известен такой интерфейс, могут использоваться объекты любого из этих двух классов, поскольку интерфейс для всех этих объектов остается одинаковым. Благодаря поддержке интерфейсов в С# может быть в полной мере реализован главный принцип полиморфизма: один интерфейс - множество методов.
Интерфейсы объявляются с помощью ключевого слова interface. Ниже приведена упрощенная форма объявления интерфейса.
interface имя
{
возвращаемый _ тип имя _ метода1 { список _ параметров);
возвращаемый _ тип имя _ метода2 { список _ параметров);
//...
возвращаемый _ тип имя _ методаN { список _ параметров);
}
где имя - это конкретное имя интерфейса. В объявлении методов интерфейса используются только их возвращаемый _ тип и сигнатура. Они, по существу, являются абстрактными методами. Как пояснялось выше, в интерфейсе не может быть никакой реализации. Поэтому все методы интерфейса должны быть реализованы в каждом классе, включающем в себя этот интерфейс. В самом же интерфейсе методы неявно считаются открытыми, поэтому доступ к ним не нужно указывать явно.
Ниже приведен пример объявления интерфейса для класса, генерирующего последовательный ряд чисел.
Листинг 12.1
public interface ISeries
{
int GetNext(); // возвратить следующее по порядку число
void Reset(); // перезапустить
void SetStart(int х); // задать начальное значение
}
Этому интерфейсу присваивается имя ISeries. Префикс I в имени интерфейса указывать необязательно, но это принято делать в практике программирования, чтобы как-то отличать интерфейсы от классов. Интерфейс ISeries объявляется как public и поэтому может быть реализован в любом классе какой угодно программы.
Помимо методов, в интерфейсах можно также указывать свойства, индексаторы и события. Интерфейсы не могут содержать члены данных. В них нельзя также определить конструкторы, деструкторы или операторные методы. Кроме того, ни один из членов интерфейса не может быть объявлен как static.
Реализация интерфейсов
Как только интерфейс будет определен, он может быть реализован в одном или нескольких классах. Для реализации интерфейса достаточно указать его имя после имени класса, аналогично базовому классу. Ниже приведена общая форма реализации интерфейса в классе.
class имя _ класса: имя _ интерфейса
{
// тело класса
}
где имя _ интерфейса - это конкретное имя реализуемого интерфейса. Если уж интерфейс реализуется в классе, то это должно быть сделано полностью. В частности, реализовать интерфейс выборочно и только по частям нельзя.
В классе допускается реализовывать несколько интерфейсов. В этом случае все реализуемые в классе интерфейсы указываются списком через запятую. В классе можно наследовать базовый класс и в тоже время реализовать один или более интерфейс. В таком случае имя базового класса должно быть указано перед списком интерфейсов, разделяемых запятой.
Методы, реализующие интерфейс, должны быть объявлены как public. Дело в том, что в самом интерфейсе эти методы неявно подразумеваются как открытые, поэтому их реализация также должна быть открытой. Кроме того, возвращаемый тип и сигнатура реализуемого метода должны точно соответствовать возвращаемому типу и сигнатуре, указанным в определении интерфейса.
Ниже приведен пример программы, в которой реализуется представленный ранее интерфейс ISeries. В этой программе создается класс ByTwos, генерирующий последовательный ряд чисел, в котором каждое последующее число на два больше предыдущего.
Листинг 12.2
// Реализовать интерфейс ISeries.
class ByTwos: ISeries
{
int start;
int val;
public ByTwos()
{
start = 0;
val = 0;
}
public int GetNext()
{
val += 2;
return val;
}
public void Reset()
{
val = start;
}
public void SetStart(int x)
{
start = x;
val = start;
}
}
Как видите, в классе ByTwos реализуются три метода, определяемых в интерфейсе ISeries. Как пояснялось выше, это приходится делать потому, что в классе нельзя реализовать интерфейс частично.
Ниже приведен код класса, в котором демонстрируется применение класса ByTwos, реализующего интерфейс ISeries.
Листинг 12.3
// Продемонстрировать применение класса ByTwos,
// реализующего интерфейс.
using System;
class SeriesDemo
{
static void Main()
{
ByTwos ob = new ByTwos();
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно" +
ob.GetNext());
Console.WriteLine("\nСбросить");
ob.Reset();
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " +
ob.GetNext());
Console.WriteLine("\nНачать с числа 100");
ob.SetStart(100);
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " +
ob.GetNext());
}
}
Для того чтобы скомпилировать код класса SeriesDemo, необходимо включить в компиляцию файлы, содержащие интерфейс ISeries, а также классы ByTwos и SeriesDemo. Компилятор автоматически скомпилирует все три файла и сформирует из них окончательный исполняемый файл. Так, если эти файлы называются ISeries.cs, ByTwos.cs и SeriesDemo.cs, то программа будет скомпилирована в следующей командной строке:
>csc SeriesDemo.cs ISeries.cs ByTwos.cs
В интегрированной среде разработки Visual Studio для этой цели достаточно ввести все три упомянутых выше файла в конкретный проект С#. Кроме того, все три компилируемых элемента (интерфейс и оба класса) допускается включать в единый файл.
Ниже приведен результат выполнения скомпилированного кода.
Следующее число равно 2
Следующее число равно 4
Следующее число равно 6
Следующее число равно 8
Следующее число равно 10
Сбросить.
Следующее число равно 2
Следующее число равно 4
Следующее число равно 6
Следующее число равно 8
Следующее число равно 10
Начать с числа 100.
Следующее число равно 102
Следующее число равно 104
Следующее число равно 106
Следующее число равно 108
Следующее число равно 110
В классах, реализующих интерфейсы, разрешается и часто практикуется определять их собственные дополнительные члены. В качестве примера ниже приведен другой вариант класса ByTwos, в который добавлен метод GetPrevious(), возвращающий предыдущее значение.
Листинг 12.4
// Реализовать интерфейс ISeries и добавить
// в класс ByTwos метод GetPrevious().
class ByTwos: ISeries
{
int start;
int val;
int prev;
public ByTwos()
{
start = 0;
val = 0;
prev = -2;
}
public int GetNext()
{
prev = val;
val += 2;
return val;
}
public void Reset()
{
val = start;
prev = start - 2;
}
public void SetStart(int x)
{
start = x;
val = start;
prev = val - 2;
}
// Метод, не указанный в интерфейсе ISeries.
public int GetPrevious()
{
return prev;
}
}
Как видите, для того чтобы добавить метод GetPrevious(), потребовалось внести изменения в реализацию методов, определяемых в интерфейсе ISeries. Но поскольку интерфейс для этих методов остается прежним, то такие изменения не вызывают никаких осложнений и не нарушают уже существующий код. В этом и заключается одно из преимуществ интерфейсов.
Как пояснялось выше, интерфейс может быть реализован в любом количестве классов. В качестве примера ниже приведен класс Primes, генерирующий ряд простых чисел. Обратите внимание на то, реализация интерфейса ISeries в этом классе коренным образом отличается от той, что предоставляется в классе ByTwos.
Листинг 12.5
// Использовать интерфейс ISeries для реализации
// процесса генерирования простых чисел
class Primes: ISeries
{
int start;
int val;
public Primes()
{
start = 2;
val = 2;
}
public int GetNext()
{
int i, j;
bool isprime;
val++;
for(i = val; i < 1000000; i++) {
isprime = true;
for(j = 2; j <= i/j; j++) {
if((i%j)==0) {
isprime = false;
break;
}
}
if(isprime) {
val = i;
break;
}
}
return val;
}
public void Reset()
{
val = start;
}
public void SetStart(int x)
{
start = x;
val = start;
}
}
Самое любопытное, что в обоих классах, ByTwos и Primes, реализуется один и тот же интерфейс, несмотря на то, что в них генерируются совершенно разные ряды чисел. Как пояснялось выше, в интерфейсе вообще отсутствует какая-либо реализация, поэтому он может быть свободно реализован в каждом классе так, как это требуется для самого класса.
Применение интерфейсных ссылок
Как это ни покажется странным, но в С# допускается объявлять переменные ссылочного интерфейсного типа, т.е. переменные ссылки на интерфейс. Такая переменная может ссылаться на любой объект, реализующий ее интерфейс. При вызове метода для объекта посредством интерфейсной ссылки выполняется его вариант, реализованный в классе данного объекта. Этот процесс аналогичен применению ссылки на базовый класс для доступа к объекту производного класса, как пояснялось в главе 11.
В приведенном ниже примере программы демонстрируется применение интерфейсной ссылки. В этой программе переменная ссылки на интерфейс используется с целью вызвать методы для объектов обоих классов - ByTwos и Primes. Для ясности в данном примере показаны все части программы, собранные в единый файл.
Листинг 12.6
// Продемонстрировать интерфейсные ссылки.
using System;
// Определить интерфейс.
public interface ISeries
{
int GetNext(); // возвратить следующее по порядку число
void Reset(); // перезапустить
void SetStart(int x); // задать начальное значение
}
// Использовать интерфейс ISeries для реализации процесса
// генерации последовательного ряда чисел, в котором каждое
// последующее число на два больше предыдущего.
class ByTwos: ISeries
{
int start;
int val;
public ByTwos()
{
start = 0;
val = 0;
}
public int GetNext()
{
val += 2;
return val;
}
public void Reset()
{
val = start;
}
public void SetStart(int x)
{
start = x;
val = start;
}
}
// Использовать интерфейс ISeries для реализации
// процесса генерации простых чисел.
class Primes: ISeries
{
int start;
int val;
public Primes()
{
start = 2;
val = 2;
}
public int GetNext()
{
int i, j;
bool isprime;
val++;
for(i = val; i < 1000000; i++) {
isprime = true;
for(j = 2; j <= i/j; j++) {
if((i%j)==0) {
isprime = false;
break;
}
}
if(isprime) {
val = i;
break;
}
}
return val;
}
public void Reset()
{
val = start;
}
public void SetStart(int x)
{
start = x;
val = start;
}
}
class SeriesDemo2
{
static void Main()
{
ByTwos twoOb = new ByTwos();
Primes primeOb = new Primes();
ISeries ob;
for(int i=0; i < 5; i++) {
ob = twoOb;
Console.WriteLine("Следующее четное число равно " +
ob.GetNext());
ob = primeOb;
Console.WriteLine("Следующее простое число равно " +
ob.GetNext());
}
}
}
Вот к какому результату приводит выполнение этой программы:
Следующее четное число равно 2
Следующее простое число равно 3
Следующее четное число равно 4
Следующее простое число равно, 5
Следующее четное число равно 6
Следующее простое число равно 7
Следующее четное число равно 8
Следующее простое число равно 11
Следующее четное число равно 10
Следующее простое число равно 13
В методе Main() переменная ob объявляется для ссылки на интерфейс ISeries. Это означает, что в ней могут храниться ссылки на объект любого класса, реализующего интерфейс ISeries. В данном случае она служит для ссылки на объекты twoOb и primeOb классов ByTwos и Primes соответственно, в которых реализован интерфейс ISeries.
И еще одно замечание: переменной ссылки на интерфейс доступны только методы, объявленные в ее интерфейсе. Поэтому интерфейсную ссылку нельзя использовать для доступа к любым другим переменным и методам, которые не поддерживаются объектом класса, реализующего данный интерфейс.
Интерфейсные свойства
Аналогично методам, свойства указываются в интерфейсе вообще без тела. Ниже приведена общая форма объявления интерфейсного свойства.
// Интерфейсное свойство
тип имя
{
get;
set;
}
Очевидно, что в определении интерфейсных свойств, доступных только для чтения или только для записи, должен присутствовать единственный аксессор: get или set соответственно.
Несмотря на то что объявление свойства в интерфейсе очень похоже на объявление автоматически реализуемого свойства в классе, между ними все же имеется отличие. При объявлении в интерфейсе свойство не становится автоматически реализуемым. В этом случае указывается только имя и тип свойства, а его реализация предоставляется каждому реализующему классу. Кроме того, при объявлении свойства в интерфейсе не разрешается указывать модификаторы доступа для аксессоров. Например, аксессор set не может быть указан в интерфейсе как private.
Ниже в качестве примера приведен переделанный вариант интерфейса ISeries и класса ByTwos, в котором свойство Next используется для получения и установки следующего по порядку числа, которое больше предыдущего на два.
Листинг 12.7
// Использовать свойства в интерфейсе.
using System;
public interface ISeries
{
// Интерфейсное свойство.
int Next {
get; // возвратить следующее по порядку число
set; // установить следующее число
}
}
// Реализовать интерфейс ISeries.
class ByTwos: ISeries
{
int val;
public ByTwos() {
val = 0;
}
// Получить или установить значение.
public int Next {
get {
val += 2;
return val;
}
set {
val = value;
}
}
}
// Продемонстрировать применение интерфейсного свойства.
class SeriesDemo3
{
static void Main() {
ByTwos ob = new ByTwos();
// Получить доступ к последовательному ряду чисел
// с помощью свойства.
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " + ob.Next);
Console.WriteLine("\nНачать с числа 21");
ob.Next = 21;
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " + ob.Next);
}
}
При выполнении этого кода получается следующий результат.
Следующее число равно 2
Следующее число равно 4
Следующее число равно 6
Следующее число равно 8
Следующее число равно 10
Начать с числа 21
Следующее число равно 23
Следующее число равно 25
Следующее число равно 27
Следующее число равно 29
Следующее число равно 31
Интерфейсные индексаторы
В интерфейсе можно также указывать индексаторы. Ниже приведена общая форма объявления интерфейсного индексатора.
// Интерфейсный индексатор
тип элемента this[int индекс]
{
get;
set;
}
Как и прежде, в объявлении интерфейсных индексаторов, доступных только для чтения или только для записи, должен присутствовать единственный аксессор: get или set соответственно.
Ниже в качестве примера приведен еще один вариант реализации интерфейса ISeries, в котором добавлен индексатор только для чтения, возвращающий i-й элемент числового ряда.
Листинг 12.8
// Добавить индексатор в интерфейс.
using System;
public interface ISeries
{
// Интерфейсное свойство.
int Next
{
get; // возвратить следующее по порядку число
set; // установить следующее число
}
// Интерфейсный индексатор.
int this[int index]
{
get; // return the specified number in series
}
}
// Реализовать интерфейс ISeries.
class ByTwos: ISeries
{
int val;
public ByTwos()
{
val = 0;
}
// Получить или установить значение с помощью свойства.
public int Next
{
get {
val += 2;
return val;
}
set {
val = value;
}
}
// Получить значение по индексу.
public int this[int index]
{
get
{
val = 0;
for(int i=0; i<index; i++)
val += 2;
return val;
}
}
}
// Продемонстрировать применение интерфейсного индексатора.
class SeriesDemo4
{
static void Main()
{
ByTwos ob = new ByTwos();
// Получить доступ к последовательному ряду чисел
// с помощью свойства.
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " + ob.Next);
Console.WriteLine("\nНачать с числа 21");
ob.Next = 21;
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " +
ob.Next);
Console.WriteLine("\nСбросить в 0");
ob.Next = 0;
// Получить доступ к последовательному ряду чисел
// с помощью индексатора.
for(int i=0; i < 5; i++)
Console.WriteLine("Следующее число равно " + ob[i]);
}
}
Вот к какому результату приводит выполнение этого кода.
Следующее число равно 2
Следующее число равно 4
Следующее число равно 6
Следующее число равно 8
Следующее число равно 10
Начать с числа 21
Следующее число равно 23
Следующее число равно 25
Следующее число равно 27
Следующее число равно 29
Следующее число равно 31
Сбросить в 0
Следующее число равно 0
Следующее число равно 2
Следующее число равно 4
Следующее число равно 6
Следующее число равно 8
Наследование интерфейсов
Один интерфейс может наследовать другой. Синтаксис наследования интерфейсов такой же, как и у классов. Когда в классе реализуется один интерфейс, наследующий другой, в нем должны быть реализованы все члены, определенные в цепочке наследования интерфейсов, как в приведенном ниже примере.
Листинг 12.9
// Пример наследования интерфейса.
using System;
public interface IA
{
void Meth1();
void Meth2();
}
// В базовый интерфейс включены методы Meth1()и Meth2(),
// а в производный интерфейс добавлен метод Meth3().
public interface IB: IA
{
void Meth3();
}
// В этом классе должны быть реализованы все методы
// интерфейсов IA и IB
class MyClass: IB
{
public void Meth1()
{
Console.WriteLine("Реализовать метод Meth1().");
}
public void Meth2()
{
Console.WriteLine("Реализовать метод Meth2().");
}
public void Meth3()
{
Console.WriteLine("Реализовать метод Meth3().");
}
}
class IFExtend {
static void Main() {
MyClass ob = new MyClass();
ob.Meth1();
ob.Meth2();
ob.Meth3();
}
}
Ради интереса попробуйте удалить реализацию метода Methl() из класса MyClass. Это приведет к ошибке во время компиляции. Как пояснялось ранее, в любом классе, реализующем интерфейс, должны быть реализованы все методы, определенные в этом интерфейсе, в том числе и те, что наследуются из других интерфейсов.
