【原】数据结构与算法：03 C#面向对象设计 I

03 C#面向对象设计 I

知识结构：

图1 知识结构

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1、类与对象

• 类：用高级程序语言实现的一个ADT描述。
• 对象：通过类声明的变量。

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2、封装

2.1 什么是封装

把类的内部隐藏起来以防止外部看到内部的实现过程。

2.2 怎样封装

• 通过限制修饰符private、protected、public、internal来实现。
• 对类中的数据（Data）和操作（Operation）的限制修饰符：
• private：只允许类的内部访问（默认）。
• protected：只允许类的内部和子类访问。
• public：类的内部与外部都可以访问。
• internal：在同一程序集内部访问，相当于public。
• 对类的限制修饰符：
• public：都可以使用。
• internal：在同一程序集内部使用（默认）。

注：internal修饰的类，方法或属性，只要是在同一个程序集中的其它类都可以访问，如果二者不在同一命名空间，只要使用using引用上相应的命名空间即可，这里，从另外一个方面也间接看出命名空间并不是界定访问级别的，而是保证全局的类唯一性的。

参考图文：

• 技术图文：如何理解C#的internal限定修饰符？

2.3 怎样表示

• 类图（Class Diagram）
• -：private
• +：public
• #：protected

图2 Class Diagram

例1：根据下列类图实现Animal类型。

图3 Class Diagram

public class Animal
{
public int Age;
public double Weight;
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Animal Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Animal Sleep.");
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Animal al = new Animal();
al.Eat();// Animal Eat.
al.Sleep();// Animal Sleep.
}
}


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3、继承

3.1 什么是继承

子类拥有父类某些Data和Operation的过程。

3.2 怎样继承

public class Child : Parent
{
//…
}


• Child：子类（派生类），Parent：父类（基类）
• 在类的声明中，利用“:”表示继承。

C# 只支持单继承，但可以定义一个不允许其它类继承的类。

public sealed class Name
{
//...
}


• 利用sealed关键字可防止所声明的类被继承。

子类与父类中数据与操作的继承关系：

• 父类  public  protected  private   internal
• 子类  public  protected  无法继承  internal

3.3 子类怎样访问父类成员

利用base关键字。

例2：子类访问父类且父类构造函数不带参数。

public class Parent
{
private int _data1; // 只能被类的内部访问
protected int Data2; // 能被子类访问和继承
public int Data3; // 能被子类访问和继承
}

public class Child : Parent
{
public Child()
{
base.Data2 = 2;
base.Data3 = 3;
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Child cld = new Child();
Console.WriteLine(cld.Data3); // 3
}
}


例3：子类访问父类且父类构造函数带参数。

public class Parent
{
private int _data1; // 只能被类的内部访问
protected int Data2; // 能被子类访问和继承
public int Data3; // 能被子类访问和继承
public Parent(int dt1, int dt2, int dt3)
{
_data1 = dt1;
Data2 = dt2;
Data3 = dt3;
}
}

public class Child : Parent
{
public Child() : base(0, 2, 3)
{
;
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Child cld = new Child();
Console.WriteLine(cld.Data3);// 3
}
}


3.4 怎样表示

• 通过类图来表示

图4 继承关系

例4：根据类图实现程序代码，注意类之间的继承关系。

图5 Class Diagram

public class Animal
{
public int Age;
public double Weight;
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Animal Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Animal Sleep.");
}
}

public class Bird : Animal
{
public void Fly()
{
Console.WriteLine("Bird Fly.");
}
}

public class Dog : Animal
{
public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

public class Fish : Animal
{
public void Swim()
{
Console.WriteLine("Fish Swim.");
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Dog dog = new Dog();
dog.Run(); //Dog Run.
Bird bird = new Bird();
bird.Fly(); //Bird Fly.
Fish fish = new Fish();
fish.Swim(); //Fish Swim.
}
}


3.5 实例化

为对象分配存储空间的过程。

例5：类的实例化。

public class Animal
{
public int Age;
public double Weight;
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Animal Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Animal Sleep.");
}
}

public class Dog : Animal
{
public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Animal al = new Animal(); // 实例化Animal
al.Eat(); // Animal Eat.
al.Sleep(); // Animal Sleep.

Dog dg = new Dog(); // 实例化Dog
dg.Age = 2;
dg.Weight = 4.5;
Console.WriteLine("Dog Infor: Age:{0},Weight:{1}",
dg.Age, dg.Weight);
// Dog Infor: Age:2, Weight:4.5
dg.Sleep(); // Animal Sleep.
dg.Eat(); // Animal Eat.
dg.Run(); // Dog Run.
}
}


例6：子类与父类有重名方法。

图6 Class Diagram

public class Animal
{
public int Age;
public double Weight;

public void Eat()
{
Console.WriteLine("Animal Eat.");
}

public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Animal Sleep.");
}
}

public class Dog : Animal
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}

public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}

public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Animal al = new Dog(); // 子类可以实例化父类
al.Eat(); // Animal Eat.（重名方法存在问题）
al.Sleep(); // Animal Sleep.

Dog dg = al as Dog; //强制类型转换或Dog dg = (Dog)al;
dg.Eat(); // Dog Eat.
dg.Sleep(); // Dog Sleep.
dg.Run(); // Dog Run.
}
}


注意：

• Animal al = new Dog();（正确）
• Dog dg = new Animal();（错误）

子类可以实例化父类，而父类不可以实例化子类，即：Dog一定是Animal，而Animal不一定是Dog。

• Animal al = new Dog();
• Dog dg = al;（错误）需要强制类型转换。
• Dog dg = al as Dog; （正确）若al不是Dog类型，返回null。
• Dog dg = (Dog)al; （正确）若al不是Dog类型，系统会抛出异常。

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4、多态

4.1 什么是多态

相同的操作（Operation），对于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。

4.2 多态的分类

• 运行时多态：在运行时决定执行哪个类的哪个方法。（override覆写）
• 编译时多态：在编译时决定执行类中的哪个方法。（overload重载）

4.3 多态的实现

运行时多态：

• 在父类中定义并实现虚方法（virtual）
• 在子类中覆写（override）该虚方法。
• 虚方法必须有方法体
• 覆写虚方法，要求方法名，形参，返回值类型必须相同。

例7：实现运行时多态的代码

图7 Class Diagram

public class Animal
{
public int Age;
public double Weight;

public virtual void Eat()
{
Console.WriteLine("Animal Eat.");
}

public virtual void Sleep()
{
Console.WriteLine("Animal Sleep.");
}
}

public class Dog : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}

public override void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}

public virtual void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Animal al = new Dog();
//在执行时，通过判断al的类型来决定执行哪个类中的哪个方法;
al.Eat(); // Dog Eat.
al.Sleep(); // Dog Sleep.
}
}


编译时多态：

• 类中定义的方法或操作符可能有不同的版本。
• 操作符重载：operator关键字
• public static 类型 operator 运算符(形参列表){ … }
• 方法重载：必须有相同的方法名、必须有不同的参数列表、可以有相同的返回值类型

例8：通过类图实现编译时多态的代码

图8 Class Diagram

public class Complex
{
public int A;
public int B;

public Complex(int a, int b)
{
this.A = a; //this表示在内存中Complex对象
this.B = b;
}

public static Complex operator +(Complex c1, Complex c2)
{
return new Complex(c1.A + c2.A, c1.B + c2.B);
}

public override string ToString()
{
return string.Format("{0}+{1}i", A, B);
}
}

public class Math
{
public int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}

public double Add(double x, double y)
{
return x + y;
}

public Complex Add(Complex x, Complex y)
{
return x + y;
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Complex c1 = new Complex(1, 2);
Complex c2 = new Complex(3, 4);
Complex c3 = c1 + c2;
Console.WriteLine("C1={0}", c1); // C1=1+2i
Console.WriteLine("C2={0}", c2); // C2=3+4i
Console.WriteLine("C3={0}", c3); // C3=4+6i
Math mth = new Math();
Complex c4 = mth.Add(c2, c3);
//在编译时，根据参数列表决定执行哪个类中的哪个方法;
Console.WriteLine("C4={0}", c4); // C4=7+10i
}
}


总结：override和overload

4.4 抽象方法与抽象类

• 抽象方法：可以看成没有实现体的虚方法（abstract），即只有方法的声明，需要在子类中覆写（override）该方法。
• 抽象类：含有抽象方法的类。抽象类不可以直接实例化对象。

例9：根据类图实现代码

图9 Class Diagram

public abstract class Animal
{
public int Age;
public double Weight;
public abstract void Eat();
public abstract void Sleep();
}

public class Dog : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}
public override void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}
public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Animal al = new Dog();
al.Eat(); // Dog Eat.
al.Sleep(); // Dog Sleep.
((Dog)al).Run(); // Dog Run.
}
}


注意：

• al.Run();（错误）
• ((Dog)al).Run();（正确）

抽象类中并没有Run方法，如果使用需要强制类型转换。

• Animal al = new Animal ();（错误）

抽象类不可以直接实例化对象，系统会抛出异常。

总结：抽象方法和虚方法

例10：饲养系统

某饲养员（Raiser）在目前状态下需要饲养三种动物：狗（Dog）、鸟（Bird）和鱼（Fish），该三种动物只需要让其睡觉（Sleep）和吃饭（Eat）即可。

请设计该饲养系统，要求满足软件设计的“开闭原则”。

方案一：

图10 Class Diagram

public class Bird
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Bird Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Bird Sleep.");
}
public void Fly()
{
Console.WriteLine("Bird Fly.");
}
}

public class Dog
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}
public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

public class Fish
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Fish Eat.");
}
public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Fish Sleep.");
}
public void Swim()
{
Console.WriteLine("Fish Swim.");
}
}

public class Raiser
{
public void RaiseDog()
{
Dog dog = new Dog();
dog.Eat();
dog.Sleep();
}
public void RaisBird()
{
Bird bird = new Bird();
bird.Eat();
bird.Sleep();
}
public void RaisFish()
{
Fish fish = new Fish();
fish.Eat();
fish.Sleep();
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Raiser rar = new Raiser();
rar.RaiseDog();
// Dog Eat.
// Dog Sleep.
rar.RaisBird();
// Bird Eat.
// Bird Sleep.
rar.RaisFish();
// Fish Eat.
// Fish Sleep.
}
}


方案二：

图11 Class Diagram

public class Bird
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Bird Eat.");
}

public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Bird Sleep.");
}

public void Fly()
{
Console.WriteLine("Bird Fly.");
}
}

public class Dog
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}

public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}

public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

public class Fish
{
public void Eat()
{
Console.WriteLine("Fish Eat.");
}

public void Sleep()
{
Console.WriteLine("Fish Sleep.");
}

public void Swim()
{
Console.WriteLine("Fish Swim.");
}
}

public enum AnimalType
{
Dog,
Bird,
Fish
};

public class Raiser
{
public void Raise(AnimalType alt)
{
switch (alt)
{
case AnimalType.Bird:
Bird bird = new Bird();
bird.Eat();
bird.Sleep();
break;
case AnimalType.Dog:
Dog dog = new Dog();
dog.Eat();
dog.Sleep();
break;
case AnimalType.Fish:
Fish fish = new Fish();
fish.Eat();
fish.Sleep();
break;
}
}
}

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Raiser rar = new Raiser();
rar.Raise(AnimalType.Dog);
// Dog Eat.
// Dog Sleep.
rar.Raise(AnimalType.Bird);
// Bird Eat.
// Bird Sleep.
rar.Raise(AnimalType.Fish);
// Fish Eat.
// Fish Sleep.
}
}


方案三：

图12 Class Diagram

public abstract class Animal
{
public int Age;
public double Weight;
public abstract void Eat();
public abstract void Sleep();
}

public class Bird : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("Bird Eat.");
}

public override void Sleep()
{
Console.WriteLine("Bird Sleep.");
}

public void Fly()
{
Console.WriteLine("Bird Fly.");
}
}

public class Dog : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("Dog Eat.");
}

public override void Sleep()
{
Console.WriteLine("Dog Sleep.");
}

public void Run()
{
Console.WriteLine("Dog Run.");
}
}

public class Fish : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("Fish Eat.");
}

public override void Sleep()
{
Console.WriteLine("Fish Sleep.");
}

public void Swim()
{
Console.WriteLine("Fish Swim.");
}
}

public class Raiser
{
public void Raise(Animal al)
{
al.Eat();
al.Sleep();
}
}


class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Raiser rsr = new Raiser();
rsr.Raise(new Dog());
// Dog Eat.
// Dog Sleep.
rsr.Raise(new Bird());
// Bird Eat.
// Bird Sleep.
rsr.Raise(new Fish());
// Fish Eat.
// Fish Sleep.
}
}


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