第十一单元面向对象三：继承与多态

慢吞云雾缓吐愁 · 2023-5-30 19:32:53

假设老师类设计如下：

class 老师类
{
属性：姓名，性别，生日，工资
行为：吃饭，跑步，教学
}

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学生类设计如下：

class 老师类
{
属性：姓名，性别，生日，班级
行为：吃饭，跑步，学习
}

复制代码

　　
我们秉承着，让最简洁的代码，实现最最强大的功能原则，能否让上述案例中的重复代码进行优化呢？我们能否将学生类与老师类再进行抽象，得到一个人类？这章节学习继承与多态。
1. 继承

继承是面向对象程序设计中最重要的概念之一。继承允许我们根据一个类来定义另一个类，这使得创建和维护应用程序变得更容易。同时也有利于重用代码和节省开发时间。
当创建一个类时，程序员不需要完全重新编写新的数据成员和成员函数，只需要设计一个新的类，继承了已有的类的成员即可。这个已有的类被称为的基类，这个新的类被称为派生类。
继承的思想实现了 属于（IS-A） 关系。例如，哺乳动物 属于（IS-A） 动物，狗 属于（IS-A） 哺乳动物，因此狗 属于（IS-A） 动物。
基类和派生类

一个类可以派生自多个类或接口，这意味着它可以从多个基类或接口继承数据和函数。
C# 中创建派生类的语法如下：

<访问修饰符> class <基类>
{
...
}
class <派生类> : <基类>
{
...
}

复制代码

　　
现在我们将上述学生类，老师类案例使用继承，进行代码优化：

// 把公共的属性与方法提取出来，封装成父类
public class Person
{
public string Name { get; set; }
public string Sex { get; set; }
public DateTime Birthday { get; set; }
public void Eat()
{
....
}
public void Run()
{
}
}
// 老师类设计如下：
public class Teacher : Person // 继承Person
{
public int Salary { get; set;}
// 教学方法
public void Teach()
{
...
}
}
// 学生类设计如下
public class Student : Person
{
public string ClassName { get; set; }
// 学习方法
public void Study()
{
...
}
}

复制代码

基类的初始化

派生类继承了基类的成员变量和成员方法。因此父类对象应在子类对象创建之前被创建。您可以在成员初始化列表中进行父类的初始化。
下面的程序演示了这点：

class Rectangle
{
// 成员变量
protected double length;
protected double width;
public Rectangle(double l, double w)
{
length = l;
width = w;
}
public double GetArea()
{
return length * width;
}
public void Display()
{
Console.WriteLine("长度： {0}", length);
Console.WriteLine("宽度： {0}", width);
Console.WriteLine("面积： {0}", GetArea());
}
}//end class Rectangle
class Tabletop : Rectangle
{
private double cost;
public Tabletop(double l, double w) : base(l, w)
{ }
public double GetCost()
{
double cost;
cost = GetArea() * 70;
return cost;
}
public void Display()
{
base.Display();
Console.WriteLine("成本： {0}", GetCost());
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Tabletop t = new Tabletop(4.5, 7.5);
t.Display();
Console.ReadLine();
}
}

复制代码

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

长度： 4.5
宽度： 7.5
面积： 33.75
成本： 2362.5

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注意

C# 中不支持多继承基类：一个类只能继承一个直接父类。
继承需要满足什么样的设计规范？
- 子类们相同特征（共性属性，共性方法）放在父类中定义。
- 子类独有的的属性和行为应该定义在子类自己里面。
所有的类都是Object类的子类。
子类可以继承父类的属性和行为（除静态属性和静态方法外），但是子类不能继承父类的构造器（如果非要继承，需要额外的写代码）。

2. 方法重写

什么是重写？
“重写”父类方法就是修改它的实现方式或者说在子类中对它进行重新编写。
为什么要重写父类的方法
通常，子类继承父类的方法，在调用对象继承方法的时候，调用和执行的是父类的实现。但是，有时候需要对子类中的继承方法有不同的实现方式。例如，假设动物存在“跑”的方法，从中继承有狗类和马类两个子类，狗与马的奔跑速度或者动作都不太一样。
如何重写

重写父类的方法要用到override关键字(具有override关键字修饰的方法是对父类中同名方法的新实现)
要重写父类的方法，前提是父类中该要被重写的方法必须声明为virtual或者是abstract类型。给父类中要被重写的方法添加virtual关键字表示可以在子类中重写它的实现。(注意：C#中的方法默认并不是virtual类型的因此要添加virtual关键字才能够被重写)
virtual关键字用于将方法定义为支持多态，有virtual关键字修饰的方法称为“虚拟方法”

声明虚方法

[访问修饰符] virtual [返回类型] 方法名（参数列表）
{
//虚拟方法的实现，该方法可以被子类重写
}

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class Employee
{
public virtual void EmpInfo()
{
Console.WriteLine("用virtual关键字修饰的方法是虚拟方法");
}
}
class DervEmployee : Employee
{
public override void EmpInfo()
{
base.EmpInfo();//base关键字将在下面拓展中提到
Console.WriteLine("该方法重写base方法");
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
DervEmployee objDervEmployee = new DervEmployee();
objDervEmployee.EmpInfo();
//注意：objDervEmployee派生类的实例是赋给Employee类的objEmployee的引用，
// 所以objEmployee引用调用EmpInfo()方法时还是调用DervEmployee类的方法
Employee objEmployee = objDervEmployee;
objEmployee.EmpInfo();
}
}

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base关键字用于从子类中访问父类成员。即使父类的方法在子类中重写，仍可以使用base关键字调用。
而且，在创建子类实例时，可以使用base关键字调用父类的构造函数。使用base关键字只能访问父类的构造函数、实例方法或实例属性，而不能访问基类的静态方法。

隐藏父类方法

如果父类与子类具有相同的方法，然后父方法并没有加virtual 关键字修饰。此时，子类需要用 new 关键字进行隐藏父类的方法.

[/code]
[size=5]3. 抽象类[/size]
使用 [url=https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/abstract]abstract[/url] 关键字可以创建不完整且必须在派生类中实现的类和 [url=https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/class]class[/url] 成员。
[code]public abstract class A
{
// Class members here.
}

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抽象类不能实例化。抽象类的用途是提供一个可供多个派生类共享的通用基类定义。例如，类库可以定义一个抽象类，将其用作多个类库函数的参数，并要求使用该库的程序员通过创建派生类来提供自己的类实现。
抽象类也可以定义抽象方法。方法是将关键字 abstract 添加到方法的返回类型的前面。例如：

public abstract class A
{
public abstract void DoWork(int i);
}

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抽象方法没有实现，所以方法定义后面是分号，而不是常规的方法块。抽象类的派生类必须实现所有抽象方法。当抽象类从基类继承虚方法时，抽象类可以使用抽象方法重写该虚方法。例如：

public class D
{
public virtual void DoWork(int i)
{
// Original implementation.
}
}
public abstract class E : D
{
public abstract override void DoWork(int i);
}
public class F : E
{
public override void DoWork(int i)
{
// New implementation.
}
}

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如果将 virtual 方法声明为 abstract，则该方法对于从抽象类继承的所有类而言仍然是虚方法。继承抽象方法的类无法访问方法的原始实现，因此在上一示例中，类 F 上的 DoWork 无法调用类 D 上的 DoWork。通过这种方式，抽象类可强制派生类向虚拟方法提供新的方法实现。
4. 密封类

使用 sealed 关键字可以防止继承以前标记为 virtual 的类或某些类成员。

public sealed class D
{
// Class members here.
}

复制代码

　　
密封类不能用作基类。因此，它也不能是抽象类。密封类禁止派生。由于密封类从不用作基类，所以有些运行时优化可以略微提高密封类成员的调用速度。
在对基类的虚成员进行重写的派生类上，方法、索引器、属性或事件可以将该成员声明为密封成员。在用于以后的派生类时，这将取消成员的虚效果。方法是在类成员声明中将 sealed 关键字置于 sealed 关键字前面。例如：

public class D : C
{
public sealed override void DoWork() { }
}

复制代码

5. 接口

接口定义了所有类继承接口时应遵循的语法合同。接口定义了语法合同 "是什么" 部分，派生类定义了语法合同 "怎么做" 部分。
接口定义了属性、方法和事件，这些都是接口的成员。接口只包含了成员的声明（c#8.0以外，接口也可以有默认实现）。成员的定义是派生类的责任。接口提供了派生类应遵循的标准结构。
接口使得实现接口的类或结构在形式上保持一致。
抽象类在某种程度上与接口类似，但是，它们大多只是用在当只有少数方法由基类声明由派生类实现时。
接口本身并不实现任何功能，它只是和声明实现该接口的对象订立一个必须实现哪些行为的契约。
抽象类不能直接实例化，但允许派生出具体的，具有实际功能的类。

高内聚，低耦合：尽量依赖于接口，不依赖于实现，正所谓面向接口编程。说白了，就是为了解耦。
定义接口

接口使用 interface 关键字声明，它与类的声明类似。接口声明默认是 public 的。下面是一个接口声明的实例：

interface IMyInterface
{
void MethodToImplement();
}

复制代码

　　
以上代码定义了接口 IMyInterface。通常接口命令以 I 字母开头，这个接口只有一个方MethodToImplement()，没有参数和返回值，当然我们可以按照需求设置参数和返回值。值得注意的是，该方法并没有具体的实现。
实现接口

class InterfaceImplementer : IMyInterface
{
public void MethodToImplement()
{
Console.WriteLine("MethodToImplement() called.");
}
}
class Program
{
static void Main()
{
InterfaceImplementer iImp = new InterfaceImplementer();
iImp.MethodToImplement();
}
}

复制代码

InterfaceImplementer类实现了 IMyInterface 接口，接口的实现与类的继承语法格式类似：

class InterfaceImplementer : IMyInterface

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继承接口后，我们需要实现接口的方法 MethodToImplement(), 方法名必须与接口定义的方法名一致。
接口继承

以下实例定义了两个接口 IMyInterface 和 IParentInterface。
如果一个接口继承其他接口，那么实现类或结构就需要实现所有接口的成员。
以下实例IMyInterface 继承了 IParentInterface 接口，因此接口实现类必须实现 MethodToImplement()和 ParentInterfaceMethod()方法：

interface IParentInterface
{
void ParentInterfaceMethod();
}
interface IMyInterface : IParentInterface
{
void MethodToImplement();
}
class InterfaceImplementer : IMyInterface
{
public void MethodToImplement()
{
Console.WriteLine("MethodToImplement() called.");
}
public void ParentInterfaceMethod()
{
Console.WriteLine("ParentInterfaceMethod() called.");
}
}
class Program
{
static void Main()
{
InterfaceImplementer iImp = new InterfaceImplementer();
iImp.MethodToImplement();
iImp.ParentInterfaceMethod();
}
}

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显式接口实现

如果一个类实现的两个接口包含签名相同的成员，则在该类上实现此成员会导致这两个接口将此成员用作其实现。如下示例中，所有对 Paint 的调用皆调用同一方法。第一个示例定义类型：

public interface IControl
{
void Paint();
}
public interface ISurface
{
void Paint();
}
public class SampleClass : IControl, ISurface
{
// Both ISurface.Paint and IControl.Paint call this method.
public void Paint()
{
Console.WriteLine("Paint method in SampleClass");
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
SampleClass sample = new SampleClass();
IControl control = sample;
ISurface surface = sample;
// The following lines all call the same method.
sample.Paint();
control.Paint();
surface.Paint();
}
}

复制代码

输入结果如下：

Paint method in SampleClass
Paint method in SampleClass
Paint method in SampleClass

复制代码

但你可能不希望为这两个接口都调用相同的实现。若要调用不同的实现，根据所使用的接口，可以显式实现接口成员。显式接口实现是一个类成员，只通过指定接口进行调用。通过在类成员前面加上接口名称和句点可命名该类成员。例如：

public class SampleClass : IControl, ISurface
{
void IControl.Paint()
{
System.Console.WriteLine("IControl.Paint");
}
void ISurface.Paint()
{
System.Console.WriteLine("ISurface.Paint");
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
SampleClass sample = new SampleClass();
IControl control = sample;
ISurface surface = sample;
// sample.Paint(); // 此行报错，因为显示接口实现的方法不能直接通过类调用
control.Paint();
surface.Paint(); // 显示接口实现，只能通过接口调用方法
}
}

复制代码

输入结果：

IControl.Paint
ISurface.Paint

复制代码

　　
从 C# 8.0 开始，你可以为在接口中声明的成员定义一个实现。如果类从接口继承方法实现，则只能通过接口类型的引用访问该方法。继承的成员不会显示为公共接口的一部分。下面的示例定义接口方法的默认实现：

interface IAnimal
{
void Roar()
{
Console.WriteLine("动物在叫");
}
}
class Tigger : IAnimal
{
// 因为Roar()已经有默认实现，则可以不必强制实现，如果实现了，则接口默认实现失效
//public void Roar()
//{
// Console.WriteLine("老虎在吼");
//}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
IAnimal animal = new Tigger();
animal.Roar();
}
}

复制代码

6. 多态

多态是同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力。
多态性意味着有多重形式。在面向对象编程范式中，多态性往往表现为"一个接口，多个功能"。
多态性可以是静态的或动态的。在静态多态性中，函数的响应是在编译时发生的。在动态多态性中，函数的响应是在运行时发生的。
在 C# 中，每个类型都是多态的，因为包括用户定义类型在内的所有类型都继承自 Object。
多态就是同一个接口，使用不同的实例而执行不同操作，如图所示：

现实中，比如我们按下 F1 键这个动作：

如果当前在 Flash 界面下弹出的就是 AS 3 的帮助文档；

如果当前在 Word 下弹出的就是 Word 帮助；

在 Windows 下弹出的就是 Windows 帮助和支持。

同一个事件发生在不同的对象上会产生不同的结果。

静态多态性

在编译时，函数和对象的连接机制被称为早期绑定，也被称为静态绑定。C# 提供了两种技术来实现静态多态性。分别为：

方法重载
运算符重载

运算符重载基本上用不上，本教案中不给予讲解。
方法重载

您可以在同一个范围内对相同的函数名有多个定义。函数的定义必须彼此不同，可以是参数列表中的参数类型不同，也可以是参数个数不同。不能重载只有返回类型不同的函数声明。
下面的实例演示了几个相同的函数 Add()，用于对不同个数参数进行相加处理：

public class MyMath
{
public int Add(int a, int b, int c)
{
return a + b + c;
}
public int Add(int a, int b)
{
return a + b;
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
MyMath dataClass = new MyMath();
int add1 = dataClass.Add(1, 2);
int add2 = dataClass.Add(1, 2, 3);
Console.WriteLine("add1 :" + add1);
Console.WriteLine("add2 :" + add2);
}
}

复制代码

下面的实例演示了几个相同的函数 print()，用于打印不同的数据类型：

class Printdata
{
void print(int i)
{
Console.WriteLine("输出整型: {0}", i );
}
void print(double f)
{
Console.WriteLine("输出浮点型: {0}" , f);
}
void print(string s)
{
Console.WriteLine("输出字符串: {0}", s);
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Printdata p = new Printdata();
// 调用 print 来打印整数
p.print(1);
// 调用 print 来打印浮点数
p.print(1.23);
// 调用 print 来打印字符串
p.print("Hello Runoob");
Console.ReadKey();
}
}

复制代码

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

输出整型: 1
输出浮点型: 1.23
输出字符串: Hello Runoob

复制代码

　　
动态多态性

动态多态性是通过 抽象类 / 接口 和 虚方法 实现的。
语法：

父类类型对象名称 = new 子类构造器;
接口对象名称 = new 实现类构造器;

复制代码

多态中成员访问特点

方法调用：编译看左边，运行看右边。
变量调用：编译看左边，运行也看左边。（多态侧重行为多态）

多态的前提

有继承/实现关系；有父类引用指向子类对象；有方法重写。

优势

在多态形式下，右边对象可以实现解耦合，便于扩展和维护。

Animal a = new Dog();
a.run(); // 后续业务行为随对象而变，后续代码无需修改

复制代码

定义方法的时候，使用父类型作为参数，该方法就可以接收这父类的一切子类对象，体现出多态的扩展性与便利。

多态下会产生的一个问题:

多态下不能使用子类的独有功能

以下实例创建了 Shape 基类，并创建派生类 Circle、 Rectangle、Triangle， Shape 类提供一个名为 Draw 的虚拟方法，在每个派生类中重写该方法以绘制该类的指定形状。

public class Shape
{
public int X { get; private set; }
public int Y { get; private set; }
public int Height { get; set; }
public int Width { get; set; }
// 虚方法
public virtual void Draw()
{
Console.WriteLine("执行基类的画图任务");
}
}
class Circle : Shape
{
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("画一个圆形");
base.Draw();
}
}
class Rectangle : Shape
{
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("画一个长方形");
base.Draw();
}
}
class Triangle : Shape
{
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("画一个三角形");
base.Draw();
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
// 创建一个 List<Shape> 对象，并向该对象添加 Circle、Triangle 和 Rectangle
var shapes = new List<Shape>
{
new Rectangle(),
new Triangle(),
new Circle()
};
// 使用 foreach 循环对该列表的派生类进行循环访问，并对其中的每个 Shape 对象调用 Draw 方法
foreach (var shape in shapes)
{
shape.Draw();
}
Console.WriteLine("按下任意键退出。");
Console.ReadKey();
}
}

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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

画一个长方形
执行基类的画图任务
画一个三角形
执行基类的画图任务
画一个圆形
执行基类的画图任务
按下任意键退出。

复制代码

7. 作业

定义一个接口或者抽象类 MyMath（计算器类）, 声明一个方法 Calculator()
分别创建五个子类(加、减、乘，除，求余五个子类)，用于实现MyMath 接口
在Main方法定义两个变量，并提示从控制台输入运算符（+，-，*，/,%），实现输入不同的运算符调用不能的实现子类。

　　视频教程：
誉尚学教育_誉尚学教育腾讯课堂官网 (qq.com)
或者：C# 最强入门编程(.Net 学习系列开山巨作)_哔哩哔哩_bilibili

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