Lekce 9 - Dědičnost a polymorfismus

V minulé lekci, C# - Aréna s bojovníky, jsme dokončili naši arénu simulující zápas dvou bojovníků.

Dnes si opět rozšíříme znalosti o objektově orientovaném programování. V úvodní lekci do OOP jsme si říkali, že OOP stojí na třech základních pilířích: na zapouzdření, dědičnosti a polymorfismu. Zapouzdření i používání modifikátoru private jsou nám již dobře známé. Dnes se podíváme na zbylé dva pilíře.

Dědičnost

Dědičnost je jedna ze základních vlastností OOP a slouží ke tvoření nových datových struktur na základě starých. Vysvětleme si to na jednoduchém příkladu:

Budeme programovat informační systém. To je docela reálný příklad. Abychom si však učení zpříjemnili, bude se jednat o informační systém pro správu zvířat v zoo Náš systém budou používat dva typy uživatelů: uživatel a administrátor. Uživatel je běžný ošetřovatel zvířat, který bude moci upravovat informace o zvířatech, např. jejich váhu nebo rozpětí křídel. Administrátor bude moci také upravovat údaje o zvířatech, a navíc zvířata přidávat či mazat z databáze. Z atributů bude mít navíc telefonní číslo, aby ho bylo možné kontaktovat v případě výpadku systému. Bylo by jistě zbytečné a nepřehledné, kdybychom si museli definovat obě třídy úplně celé, protože mnoho vlastností těchto dvou objektů bude společných. Uživatel i administrátor budou mít jistě jméno i věk a budou se moci přihlásit a odhlásit. Nadefinujeme si tedy pouze třídu Uzivatel (nepůjde o funkční ukázku, dnes nás zajímá pouze teorie, programovat budeme příště):

class Uzivatel
{
    private string jmeno;
    private string heslo;
    private int vek;

    public bool Prihlasit(string heslo)
    {
        // ...
    }

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

    public void NastavVahu(Zvire zvire)
    {
        // ...
    }

    // ...
}

Třídu jsme pouze naznačili, ale jistě si ji dokážeme dobře představit. Bez znalosti dědičnosti bychom třídu Administrator definovali asi takto:

class Administrator
{
    private string jmeno;
    private string heslo;
    private int vek;
    private string telefonniCislo;

    public bool Prihlasit(string heslo)
    {
        // ...
    }

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

    public void NastavVahu(Zvire zvire)
    {
        // ...
    }

    public void PridejZvire(Zvire zvire)
    {

    }

    public void VymazZvire(Zvire zvire)
    {

    }

    // ...
}

Vidíme, že máme ve třídě spoustu redundantního (duplikovaného) kódu. Jakékoli změny nyní musíme provádět v obou třídách, kód se nám velmi komplikuje. Namísto toho použijeme dědičnost. Definujeme tedy třídu Administrator tak, aby dědila z třídy Uzivatel. Atributy a metody uživatele tedy již nemusíme znovu definovat, jazyk C# nám je do třídy sám dodá:

class Administrator: Uzivatel
{
    private string telefonniCislo;

    public void PridejZvire(Zvire zvire)
    {

    }

    public void VymazZvire(Zvire zvire)
    {

    }

    // ...
}

Vidíme, že ke zdědění jsme použili operátor :. V anglické literatuře najdete dědičnost pod slovem inheritance.

V příkladu výše nebudou v potomkovi přístupné privátní atributy, ale pouze atributy a metody s modifikátorem public. Atributy a metody s modifikátorem private jsou chápány jako speciální logika konkrétní třídy. Ta je potomkovi utajena, a i když ji vlastně používá, nemůže ji měnit. Abychom dosáhli požadovaného výsledku, použijeme nový modifikátor přístupu protected, který funguje stejně jako private, ale dovoluje tyto atributy dědit. Začátek třídy Uzivatel by tedy vypadal takto:

class Uzivatel
{
    protected string jmeno;
    protected string heslo;
    protected int vek;

    // ...

Když si nyní vytvoříme instance uživatele a administrátora, oba budou mít např. atribut jmeno a metodu Prihlasit(). C# třídu Uzivatel zdědí a doplní nám automaticky všechny její atributy.

Výhody dědění jsou jasné, nemusíme opisovat oběma třídám tytéž atributy, ale stačí dopsat jen to, v čem se liší. Zbytek se podědí. Přínos je obrovský. Můžeme rozšiřovat existující komponenty o nové metody a tím je znovu využívat. Nemusíme psát spousty redundantního (duplikovaného) kódu. A hlavně – když změníme jediný atribut v mateřské třídě, automaticky se tato změna podědí všude. Nedojde tedy k tomu, že bychom museli atribut měnit ručně u dvaceti tříd a někde na něj zapomněli a způsobili tím chybu. Jsme lidé a chybovat budeme vždy, musíme tedy používat takové programátorské postupy, abychom měli možností chybovat co nejméně.

O mateřské třídě se někdy hovoří jako o předkovi (zde Uzivatel) a o třídě, která z ní dědí, jako o potomkovi (zde Administrator). Potomek může přidávat nové metody nebo si uzpůsobovat metody z mateřské třídy (viz dále). Můžeme se setkat i s pojmy nadtřída a podtřída.

Další možností, jak objektový model navrhnout, by bylo zavést mateřskou třídu Uzivatel, která by sloužila pouze k dědění. Ze třídy Uzivatel by potom dědila jak třída Osetrovatel, tak Administrator. To by se však vyplatilo až při větším počtu typů uživatelů. V takovém případě hovoříme o hierarchii tříd, čímž se budeme zabývat ke konci této sekce. Náš příklad byl jednoduchý, a proto nám stačily pouze dvě třídy. Existují tzv. návrhové vzory, které obsahují osvědčená schémata objektových struktur pro známé případy užití. Zájemci je naleznou popsané v sekci Návrhové vzory. Je to velmi zajímavá, avšak již pokročilejší problematika. V objektovém modelování se dědičnost znázorňuje graficky jako prázdná šipka směřující k předkovi. V našem případě by grafická notace vypadala takto:

Datový typ při dědičnosti

Obrovskou výhodou dědičnosti je, že když si vytvoříme proměnnou s datovým typem mateřské třídy, můžeme do ní bez problému ukládat i její potomky. Je to dané tím, že potomek obsahuje vše, co obsahuje mateřská třída, splňuje tedy "požadavky" (přesněji obsahuje rozhraní) datového typu. A k tomu má oproti mateřské třídě něco navíc. Můžeme si tedy vytvořit pole typu Uzivatel a v něm mít jak uživatele, tak administrátory. S proměnnou to tedy funguje takto:

Uzivatel u = new Uzivatel("Jan Novák", 33);
Administrator a = new Administrator("Josef Nový", 25);
// Nyní do uživatele uložíme administrátora:
u = a;
// Vše je v pořádku, protože uživatel je předek
// Zkusíme to opačně a dostaneme chybu:
a = u;

Jazyk C# nabízí mnoho konstrukcí, jak s typy instancí při dědičnosti operovat. Podrobně se na ně podíváme během kurzu, nyní si ukažme jen to, jak můžeme ověřit typ instance v proměnné:

Uzivatel u = new Administrator("Josef Nový", 25);
if (u is Administrator)
    Console.WriteLine("Je to administrátor");
else
    Console.WriteLine("Je to uživatel");

Pomocí operátoru is se můžeme zeptat, zda je objekt daného typu. Kód výše otestuje, zda je v proměnné u uživatel, nebo jeho potomek administrátor.

Jazyky, které dědičnost podporují, umí dědičnost buď jednoduchou, kde třída dědí jen z jedné třídy, nebo vícenásobnou, kde třída dědí hned z několika tříd najednou. Vícenásobná dědičnost se v praxi příliš neosvědčila. Časem si řekneme proč a ukážeme si i to, jak ji obejít. C# podporuje pouze jednoduchou dědičnost, s vícenásobnou se můžete setkat např. v C++.

Polymorfismus

Nenechme se odradit hrozivým názvem této techniky, protože je v jádru velmi jednoduchá. Polymorfismus umožňuje používat jednotné rozhraní pro práci s různými typy objektů. Mějme například mnoho objektů, které reprezentují nějaké geometrické útvary (kruh, čtverec, trojúhelník). Bylo by jistě přínosné a přehledné, kdybychom s nimi mohli komunikovat jednotně, ačkoli se objekty liší. Můžeme zavést třídu GeometrickyUtvar, která by obsahovala atribut barva a metodu Vykresli(). Všechny geometrické tvary by potom dědily z této třídy její interface (rozhraní). Objekty kruh a čtverec se ale jistě vykreslují jinak. Polymorfismus nám umožňuje přepsat si metodu Vykresli() u každé podtřídy tak, aby dělala, co chceme. Rozhraní tak zůstane zachováno a my nebudeme muset přemýšlet, jak se to u onoho objektu volá.

Polymorfismus bývá často vysvětlován na obrázku se zvířaty, která mají všechna v rozhraní metodu Speak(), ale každé si ji vykonává po svém.

Podstatou polymorfismu je tedy metoda nebo metody, které mají všichni potomci definované se stejnou hlavičkou, ale jiným tělem.

Polymorfismus si spolu s dědičností vyzkoušíme v příští lekci, Aréna s mágem (dědičnost a polymorfismus), na bojovnících v naší aréně. Přidáme mága, který bude metodu Utoc() vykonávat po svém pomocí many, ale jinak zdědí chování a atributy bojovníka. Zvenčí tedy vůbec nepoznáme, že mág není bojovník, protože bude mít stejné rozhraní. Bude to zábava