Презентация на тему: Интерфейсы. Контейнерные классы

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Курс «С#. Программирование на языке высокого уровня» Павловская Т.А.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Лекция 9. Интерфейсы. Контейнерные классы Описание и использование интерфейсов. Применение стандартных интерфейсов .NET для сравнения, перебора, сортировки и клонирования объектов. Понятие контейнера (коллекции). Использование стандартных коллекций .NET.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Интерфейсы

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Общие сведения об интерфейсе Интерфейс является «крайним случаем» абстрактного класса. В нем задается набор абстрактных методов, свойств и индексаторов, которые должны быть реализованы в производных классах. Интерфейс определяет поведение, которое поддерживается реализующими этот интерфейс классами. Основная идея использования интерфейса состоит в том, чтобы к объектам таких классов можно было обращаться одинаковым образом. Каждый класс может определять элементы интерфейса по-своему. Так достигается полиморфизм: объекты разных классов по-разному реагируют на вызовы одного и того же метода. Синтаксис интерфейса аналогичен синтаксису класса: [ атрибуты ] [ спецификаторы ] interface имя [ : предки ] тело_интерфейса [ ; ]

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Интерфейс может наследовать свойства нескольких интерфейсов, в этом случае предки перечисляются через запятую. Тело интерфейса составляют абстрактные методы, шаблоны свойств и индексаторов, а также события. Интерфейс не может содержать константы, поля, операции, конструкторы, деструкторы, типы и любые статические элементы. interface IAction { void Draw(); int Attack(int a); void Die(); int Power { get; } }

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Область применения интерфейсов Если некий набор действий имеет смысл только для какой-то конкретной иерархии классов, реализующих эти действия разными способами, уместнее задать этот набор в виде виртуальных методов абстрактного базового класса иерархии. То, что работает в пределах иерархии одинаково, предпочтительно полностью определить в базовом классе. Интерфейсы же чаще используются для задания общих свойств объектов различных иерархий.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Отличия интерфейса от абстрактного класса элементы интерфейса по умолчанию имеют спецификатор доступа public и не могут иметь спецификаторов, заданных явным образом; интерфейс не может содержать полей и обычных методов — все элементы интерфейса должны быть абстрактными; класс, в списке предков которого задается интерфейс, должен определять все его элементы, в то время как потомок абстрактного класса может не переопределять часть абстрактных методов предка (в этом случае производный класс также будет абстрактным); класс может иметь в списке предков несколько интерфейсов, при этом он должен определять все их методы.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Реализация интерфейса В C# поддерживается одиночное наследование для классов и множественное — для интерфейсов. Это позволяет придать производному классу свойства нескольких базовых интерфейсов, реализуя их по своему усмотрению. Сигнатуры методов в интерфейсе и реализации должны полностью совпадать. Для реализуемых элементов интерфейса в классе следует указывать спецификатор public. К этим элементам можно обращаться как через объект класса, так и через объект типа соответствующего интерфейса.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Пример interface Iaction { void Draw(); int Attack( int a ); void Die(); int Power { get; } } class Monster : IAction { public void Draw() { Console.WriteLine( "Здесь был " + name ); } public int Attack( int ammo_ ) { ammo -= ammo_; if ( ammo > 0 ) Console.WriteLine( "Ба-бах!" ); else ammo = 0; return ammo; } public void Die() { Console.WriteLine( "Monster " + name + " RIP" ); health = 0; } public int Power { get { return ammo * health; } } Monster Vasia = new Monster( 50, 50, "Вася" ); // объект класса Monster Vasia.Draw(); // результат: Здесь был Вася IAction Actor = new Monster( 10, 10, "Маша" ); // объект типа интерфейса Actor.Draw(); // результат: Здесь был Маша

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Обращение к реализованному методу через объект типа интерфейса Удобство этого способа проявляется при присваивании объектам типа IAction ссылок на объекты различных классов, поддерживающих этот интерфейс. Например, есть метод с параметром типа интерфейса. На место этого параметра можно передавать любой объект, реализующий интерфейс: static void Act( IAction A ) { A.Draw(); } static void Main() { Monster Vasia = new Monster( 50, 50, "Вася" ); Act( Vasia ); ... }

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Второй способ реализации интерфейса Явное указание имени интерфейса перед реализуемым элементом. Спецификаторы доступа не указываются. К таким элементам можно обращаться в программе только через объект типа интерфейса: class Monster : IAction { int IAction.Power { get{ return ammo * health;}} void IAction.Draw() { Console.WriteLine( "Здесь был " + name ); } } ... IAction Actor = new Monster( 10, 10, "Маша" ); Actor.Draw(); // обращение через объект типа интерфейса // Monster Vasia = new Monster( 50, 50, "Вася" ); // Vasia.Draw(); ошибка! При этом соответствующий метод не входит в интерфейс класса. Это позволяет упростить его в том случае, если какие-то элементы интерфейса не требуются конечному пользователю класса. Кроме того, этот способ позволяет избежать конфликтов при множественном наследовании

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Пример Пусть класс Monster поддерживает два интерфейса: один для управления объектами, а другой для тестирования: interface Itest { void Draw(); } interface Iaction { void Draw(); int Attack( int a ); … } class Monster : IAction, Itest { void ITest.Draw() { Console.WriteLine( "Testing " + name ); } void IAction.Draw() { Console.WriteLine( "Здесь был " + name ); } ... } Оба интерфейса содержат метод Draw с одной и той же сигнатурой. Различать их помогает явное указание имени интерфейса. Обращаются к этим методам, используя операцию приведения типа: Monster Vasia = new Monster( 50, 50, "Вася" ); ((ITest)Vasia).Draw(); // результат: Здесь был Вася ((IAction)Vasia).Draw(); // результат: Testing Вася

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Операция is При работе с объектом через объект типа интерфейса бывает необходимо убедиться, что объект поддерживает данный интерфейс. Проверка выполняется с помощью бинарной операции is. Она определяет, совместим ли текущий тип объекта, находящегося слева от ключевого слова is, с типом, заданным справа. Результат операции равен true, если объект можно преобразовать к заданному типу, и false в противном случае. Операция обычно используется в следующем контексте: if ( объект is тип ) { // выполнить преобразование "объекта" к "типу" // выполнить действия с преобразованным объектом }

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Операция as Операция as выполняет преобразование к заданному типу, а если это невозможно, формирует результат null: static void Act( object A ) { IAction Actor = A as IAction; if ( Actor != null ) Actor.Draw(); } Обе рассмотренные операции применяются как к интерфейсам, так и к классам.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Интерфейсы и наследование Интерфейс может не иметь или иметь сколько угодно интерфейсов-предков, в последнем случае он наследует все элементы всех своих базовых интерфейсов, начиная с самого верхнего уровня. Базовые интерфейсы должны быть доступны в не меньшей степени, чем их потомки. Как и в обычной иерархии классов, базовые интерфейсы определяют общее поведение, а их потомки конкретизируют и дополняют его. В интерфейсе-потомке можно также указать элементы, переопределяющие унаследованные элементы с такой же сигнатурой. В этом случае перед элементом указывается ключевое слово new, как и в аналогичной ситуации в классах. С помощью этого слова соответствующий элемент базового интерфейса скрывается.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Пример interface IBase { void F( int i ); } interface Ileft : IBase { new void F( int i ); /* переопределение метода F */ } interface Iright : IBase { void G(); } interface Iderived : ILeft, IRight {} class A { void Test( IDerived d ) { d.F( 1 ); // Вызывается ILeft.F ((IBase)d).F( 1 ); // Вызывается IBase.F ((ILeft)d).F( 1 ); // Вызывается ILeft.F ((IRight)d).F( 1 ); // Вызывается IBase.F } } Метод F из интерфейса IBase скрыт интерфейсом ILeft, несмотря на то, что в цепочке IDerived — IRight — IBase он не переопределялся.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Особенности реализации интерфейсов Класс, реализующий интерфейс, должен определять все его элементы, в том числе унаследованные. Если при этом явно указывается имя интерфейса, оно должно ссылаться на тот интерфейс, в котором был описан соответствующий элемент. Интерфейс, на собственные или унаследованные элементы которого имеется явная ссылка, должен быть указан в списке предков класса. Класс наследует все методы своего предка, в том числе те, которые реализовывали интерфейсы. Он может переопределить эти методы с помощью спецификатора new, но обращаться к ним можно будет только через объект класса.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Стандартные интерфейсы .NET В библиотеке классов .NET определено множество стандартных интерфейсов, задающих желаемое поведение объектов. Например, интерфейс IComparable задает метод сравнения объектов на «больше-меньше», что позволяет выполнять их сортировку. Реализация интерфейсов IEnumerable и IEnumerator дает возможность просматривать содержимое объекта с помощью foreach, а реализация интерфейса ICloneable — клонировать объекты. Стандартные интерфейсы поддерживаются многими стандартными классами библиотеки. Например, работа с массивами с помощью foreach возможна оттого что тип Array реализует интерфейсы IEnumerable и IEnumerator. Можно создавать и собственные классы, поддерживающие стандартные интерфейсы, что позволит использовать объекты этих классов стандартными способами.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Сравнение объектов Интерфейс IComparable определен в пространстве имен System. Он содержит всего один метод CompareTo, возвращающий результат сравнения двух объектов — текущего и переданного ему в качестве параметра: interface IComparable { int CompareTo( object obj ) } Метод должен возвращать: 0, если текущий объект и параметр равны; отрицательное число, если текущий объект меньше параметра; положительное число, если текущий объект больше параметра.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Пример реализации интерфейса class Monster : IComparable { public int CompareTo( object obj ) // реализация интерфейса { Monster temp = (Monster) obj; if ( this.health > temp.health ) return 1; if ( this.health < temp.health ) return -1; return 0; } ... } class Class1 { static void Main() { const int n = 3; Monster[] stado = new Monster[n]; stado[0] = new Monster( 50, 50, "Вася" ); stado[1] = new Monster( 80, 80, "Петя" ); stado[2] = new Monster( 40, 10, "Маша" ); Array.Sort( stado ); // сортировка стала возможной }}

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Параметризованные интерфейсы class Program { class Elem : IComparable { string data; int key; ... public int CompareTo( Elem obj ) { return key - obj.key; } } static void Main(string[] args) { List list = new List(); for ( int i = 0; i < 10; ++i ) list.Add( new Elem() ); list.Sort(); ... } }

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Клонирование объектов Клонирование — создание копии объекта. Копия объекта называется клоном.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Виды клонирования При присваивании одного объекта ссылочного типа другому копируется ссылка, а не сам объект (рис. а). Если необходимо скопировать в другую область памяти поля объекта, можно воспользоваться методом MemberwiseClone, который объект наследует от класса object. При этом объекты, на которые указывают поля объекта, в свою очередь являющиеся ссылками, не копируются (рис. б). Это называется поверхностным клонированием. Для создания полностью независимых объектов необходимо глубокое клонирование, когда в памяти создается дубликат всего дерева объектов (рис. в). Алгоритм глубокого клонирования весьма сложен, поскольку требует рекурсивного обхода всех ссылок объекта и отслеживания циклических зависимостей. Объект, имеющий собственные алгоритмы клонирования, должен объявляться как наследник интерфейса ICloneable и переопределять его единственный метод Clone.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Контейнерные классы

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Абстрактные структуры данных Массив —конечная совокупность однотипных величин. Занимает непрерывную область памяти и предоставляет прямой (произвольный) доступ к элементам по индексу. Память под массив выделяется до начала работы с ним и впоследствии не изменяется. В списке каждый элемент связан со следующим и, возможно, с предыдущим. Количество элементов в списке может изменяться в процессе работы программы. Каждый элемент списка содержит ключ, идентифицирующий этот элемент. односвязный, двусвязный кольцевой Хеш-таблица (ассоциативный массив, словарь) — массив, доступ к элементам которого осуществляется не по номеру, а по ключу (т.е. это таблица, состоящая из пар «ключ-значение»)

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Стек Стек — частный случай однонаправленного списка, добавление элементов в который и выборка из которого выполняются с одного конца, называемого вершиной стека. Другие операции со стеком не определены. При выборке элемент исключается из стека.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Бинарное дерево — динамическая структура данных, состоящая из узлов, каждый из которых содержит, помимо данных, не более двух ссылок на различные бинарные поддеревья. На каждый узел имеется ровно одна ссылка. Начальный узел называется корнем дерева. Узел, не имеющий поддеревьев, называется листом. Исходящие узлы называются предками, входящие — потомками. Высота дерева определяется количеством уровней, на которых располагаются его узлы. Очередь — частный случай однонаправленного списка, добавление элементов в который выполняется в один конец, а выборка — из другого конца. Другие операции с очередью не определены. При выборке элемент исключается из очереди.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Дерево поиска Если дерево организовано таким образом, что для каждого узла все ключи его левого поддерева меньше ключа этого узла, а все ключи его правого поддерева — больше, оно называется деревом поиска. Одинаковые ключи не допускаются. В дереве поиска можно найти элемент по ключу, двигаясь от корня и переходя на левое или правое поддерево в зависимости от значения ключа в каждом узле.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Обход дерева procedure print_tree( дерево ); begin print_tree( левое_поддерево ) посещение корня print_tree( правое_поддерево ) end; 1 6 8 10 20 21 25 30

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Граф — совокупность узлов и ребер, соединяющих различные узлы. Множество реальных практических задач можно описать в терминах графов, что делает их структурой данных, часто используемой при написании программ. Множество — неупорядоченная совокупность элементов. Для множеств определены операции: проверки принадлежности элемента множеству включения и исключения элемента объединения, пересечения и вычитания множеств. Все эти структуры данных называются абстрактными, поскольку в них не задается реализация допустимых операций.

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Контейнеры Контейнер (коллекция) - стандартный класс, реализующий абстрактную структуру данных. Для каждого типа коллекции определены методы работы с ее элементами, не зависящие от конкретного типа хранимых данных. Использование коллекций позволяет сократить сроки разработки программ и повысить их надежность. Каждый вид коллекции поддерживает свой набор операций над данными, и быстродействие этих операций может быть разным. Выбор вида коллекции зависит от того, что требуется делать с данными в программе и какие требования предъявляются к ее быстродействию. В библиотеке .NET определено множество стандартных контейнеров. Основные пространства имен, в которых они описаны  — System.Collections, System.Collections.Specialized и System.Collections.Generic

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) System.Collections ArrayList Массив, динамически изменяющий свой размер BitArray Компактный массив для хранения битовых значений Hashtable Хэш-таблица Queue Очередь SortedList Коллекция, отсортированная по ключам. Доступ к элементам — по ключу или по индексу Stack Стек

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Параметризованные коллекции (классы-прототипы, generics) - классы, имеющие типы данных в качестве параметров Класс-прототип (версия 2.0) Обычный класс Dictionary HashTable LinkedList — List ArrayList Queue Queue SortedDictionary SortedList Stack Stack

©Павловская Т.А. (СПбГУ ИТМО) Пример использования класса List using System; using System.Collections.Generic; namespace ConsoleApplication1{ class Program { static void Main() { List lint = new List(); lint.Add( 5 ); lint.Add( 1 ); lint.Add( 3 ); lint.Sort(); int a = lint[2]; Console.WriteLine( a ); foreach ( int x in lint ) Console.Write( x + " "); }}}