7. diel - Dedičnosť a polymorfizmus

V minulej lekcii, C# - Aréna s bojovníkmi, sme dokončili našu arénu, simulujúcu zápas dvoch bojovníkov.

Dnes si opäť rozšírime znalosti o objektovo orientovanom programovaní. V úvodnej lekcii do OOP sme si hovorili, že OOP stojí na troch základných pilieroch: zapuzdrenie, dedičnosti a polymorfizmu. Zapúzdrenie a používanie modifikátora private nám je už dobre známe. Dnes sa pozrieme na zvyšné dva piliere.

Dedičnosť

Dedičnosť je jedna zo základných vlastností OOP a slúži na tvorenie nových dátových štruktúr na základe starých. Vysvetlime si to na jednoduchom príklade:

Budeme programovať informačný systém. To je celkom reálny príklad, aby sme si však učenie spríjemnili, bude to informačný systém pre správu zvierat v ZOO Náš systém budú používať dva typy užívateľov: používateľ a administrátor. Užívateľ je bežný ošetrovateľ zvierat, ktorý bude môcť upravovať informácie o zvieratách, napr. ich váhu alebo rozpätie krídiel. Administrátor bude môcť tiež upravovať údaje o zvieratách a navyše zvieratá pridávať a mazať z databázy. Z atribútov bude mať navyše telefónne číslo, aby ho bolo možné kontaktovať v prípade výpadku systému. Bolo by určite zbytočné a neprehľadné, keby sme si museli definovať obe triedy úplne celé, pretože mnoho vlastností týchto dvoch objektov je spoločných. Užívateľ aj administrátor budú mať určite meno, vek a budú sa môcť prihlásiť a odhlásiť. Nadefinujeme si teda iba triedu User (nepôjde o funkčnú ukážku, dnes to bude len teória, programovať budeme nabudúce):

class User
{
    private string name;
    private string password;
    private int age;

    public bool LogIn(string password)
    {
        // ...
    }

    public bool LogOut()
    {
        // ...
    }

    public void SetWeight(Animal animal)
    {
        // ...
    }

    // ...

}

Triedu som len naznačil, ale iste si ju dokážeme dobre predstaviť. Bez znalosti dedičnosti by sme triedu Admin definovali asi takto:

class Admin
{
    private string name;
    private string password;
    private int age;
    private string phoneNumber;

    public bool LogIn(string password)
    {
        // ...
    }

    public bool LogOut()
    {
        // ...
    }

    public void SetWeight(Animal animal)
    {
        // ...
    }

    public void AddAnimal(Animal animal)
    {

    }

    public void RemoveAnimal(Animal animal)
    {

    }

    // ...

}

Vidíme, že máme v triede množstvo redundantného (duplikovaného) kódu. Akékoľvek zmeny musíme teraz vykonávať v oboch triedach, kód sa nám veľmi komplikuje. Namiesto toho použijeme dedičnosť. Definujeme teda triedu Admin tak, aby dedila z triedy User. Atribúty a metódy užívateľa teda už nemusíme znovu definovať, jazyk C# nám ich do triedy sám dodá:

class Admin: User
{
    private string phoneNumber;

    public void AddAnimal(Animal animal)
    {

    }

    public void RemoveAnimal(Animal animal)
    {

    }

    // ...
}

Vidíme, že na zdedenie sme použili operátor :. V anglickej literatúre nájdete dedičnosť pod slovom inheritance.

V príklade vyššie nebudú v potomkovi prístupné privátne atribúty, ale iba atribúty a metódy s modifikátorom public. Atribúty a metódy s modifikátorom private sú chápané ako špeciálna logika konkrétnej triedy, ktorá je potomkovi utajená, aj keď ju vlastne používa, nemôže ju meniť. Aby sme dosiahli požadovaný výsledok, použijeme nový modifikátor prístupu protected, ktorý funguje rovnako, ako private, ale dovoľuje tieto atribúty dediť. Začiatok triedy User by teda vyzeral takto:

class User
{
    protected string name;
    protected string password;
    protected int age;

    // ...

Keď si teraz vytvoríme inštancie užívateľa a administrátora, obaja budú mať napr. atribút name a metódu LogIn(). C# triedu User zdedí a doplní nám automaticky všetky jej atribúty.

Výhody dedenia sú jasné, nemusíme opisovať obom triedam tie isté atribúty, ale stačí dopísať len to, v čom sa líšia. Zvyšok sa zdedí. Prínos je obrovský, môžeme rozširovať existujúce komponenty o nové metódy a tým ich znovu využívať. Nemusíme písať množstvo redundantného (duplikovaného) kódu. A hlavne - keď zmeníme jediný atribút v materskej triede, automaticky sa táto zmena všade zdedí. Nedôjde teda k tomu, že by sme to museli meniť ručne v 20 triedach a niekde na to zabudli a spôsobili chybu. Sme ľudia a chybovať budeme vždy, musíme teda používať také programátorské postupy, aby sme mali možnosť chybovať čo najmenej.

O materskej triede sa niekedy hovorí ako o predkovi (tu User) a o triede, ktorá z nej dedí, ako o potomkovi (tu Admin). Potomok môže pridávať nové metódy alebo si prispôsobovať metódy z materskej triedy (pozri ďalej). Môžete sa stretnúť aj s pojmami nadtrieda a podtrieda.

Ďalšou možnosťou, ako objektový model navrhnúť, by bolo zaviesť materskú triedu User, ktorá by slúžila iba na dedenie. Z triedy User by potom dedila ako trieda Attendant, tak Admin. To by sa však vyplatilo až pri väčšom počte typov užívateľov. V takom prípade hovoríme o hierarchii tried, budeme sa tým zaoberať ku koncu tejto sekcie. Náš príklad bol jednoduchý a preto nám stačili iba dve triedy. Existujú tzv. návrhové vzory, ktoré obsahujú osvedčené schémy objektových štruktúr pre známe prípady použitia. Záujemcovia ich nájdu popísané v sekcii Návrhové vzory. Je to veľmi zaujímavá, avšak už pokročilejšia problematika. V objektovom modelovaní sa dedičnosť znázorňuje graficky ako prázdna šípka smerujúca k predkovi. V našom prípade by grafická notácia vyzerala takto:

Dátový typ pri dedičnosti

Obrovskou výhodou dedičnosti je, že keď si vytvoríme premennú s dátovým typom materskej triedy, môžeme do nej bez problémov ukladať aj jej potomkov. Je to dané tým, že potomok obsahuje všetko, čo obsahuje materská trieda, spĺňa teda "požiadavky" (presnejšie obsahuje rozhranie) dátového typu. A k tomu má oproti materskej triede niečo navyše. Môžeme si teda urobiť pole typu User a v ňom mať ako používateľov, tak administrátorov. S premennou to teda funguje takto:

User user = new User("John Newman", 33);
Admin admin = new Admin("Jack White", 25);
// Now we assign the administrator to the variable of the User type:
user = admin;
// It's fine since the User class is its parent class
// If we try in conversely, we'll cause an error:
admin = user;

V C# je mnoho konštrukcií, ako operovať s typmi inštancií pri dedičnosti. Podrobne sa na ne pozrieme počas kurzu, teraz si ukážme len to, ako môžeme overiť typ inštancie v premennej:

User user = new Admin("Jack White", 25);
if (user is Admin)
    Console.WriteLine("The user given has been identified as an administrator");
else
    Console.WriteLine("The user given is not an administrator");

Pomocou operátora is sa môžeme opýtať, či je objekt daného typu. Kód vyššie otestuje, či je v premennej user užívateľ alebo jeho potomok administrátor.

Jazyky, ktoré dedičnosť podporujú, buď vedia dedičnosť jednoduchú, kde trieda dedí len z jednej triedy, alebo viacnásobnú, kde trieda dedí hneď z niekoľkých tried naraz. Viacnásobná dedičnosť sa v praxi príliš neosvedčila. Časom si povieme prečo a ukážeme si i to, aj ako ju obísť. C# podporuje iba jednoduchú dedičnosť, s viacnásobnou dedičnosťou sa môžete stretnúť napr. v C++.

Polymorfizmus

Nenechajte sa vystrašiť príšerným názvom tejto techniky, pretože je v jadre veľmi jednoduchá. Polymorfizmus umožňuje používať jednotné rozhranie na prácu s rôznymi typmi objektov. Majme napríklad mnoho objektov, ktoré reprezentujú nejaké geometrické útvary (kruh, štvorec, trojuholník). Bolo by určite prínosné a prehľadné, keby sme s nimi mohli komunikovať jednotne, hoci sa líšia. Môžeme zaviesť triedu GeometricShape, ktorá by obsahovala atribút color a metódu Render(). Všetky geometrické tvary by potom dedili z tejto triedy jej interface (rozhranie). Objekty kruh a štvorec sa ale iste vykresľujú inak. Polymorfizmus nám umožňuje prepísať si metódu Render() pri každej podtriede tak, aby robila, čo chceme. Rozhranie tak zostane zachované a my nebudeme musieť premýšľať, ako sa to pri onom objekte volá.

Polymorfizmus býva často vysvetľovaný na obrázku so zvieratami, ktoré majú všetky v rozhraní metódu Speak(), ale každé si ju vykonáva po svojom:

Podstatou polymorfizmu je teda metóda alebo metódy, ktoré majú všetci potomkovia definované s rovnakou hlavičkou, ale iným telom.

Polymorfizmus si spolu s dedičnosťou vyskúšame v budúcej lekcii, Aréna s mágom (dedičnosť a polymorfizmus), na bojovníkoch v našej aréne. Pridáme mága, ktorý si bude metódu Attack() vykonávať po svojom pomocou many, ale inak zdedí správanie a atribúty bojovníka. Zvonku teda vôbec nepoznáme, že to nie je bojovník, pretože bude mať rovnaké rozhranie. Bude to zábava