الوراثة في C#: base وvirtual وoverride وsealed وتعدد الأشكال

تتيح الوراثة (inheritance) لصنف أن يبني على آخر. يحصل الصنف المشتق على أعضاء الصنف الأساس، ويضيف أعضاءه، وقد يستبدل السلوك الذي يسمح له الصنف الأساس باستبداله. ومع الدوال virtual تمنحك تعدد الأشكال (polymorphism): الشيفرة المكتوبة مقابل الصنف الأساس تشغّل السلوك المشتق الصحيح دون أن تعرف أي صنف مشتق لديها.

اشتقاق صنف

ضع الصنف الأساس بعد نقطتين. للصنف المشتق كل ما للصنف الأساس، إضافة إلى ما يصرّح به:

using System;

class Vehicle
{
    public string Plate { get; }
    public int Km { get; private set; }

    public Vehicle(string plate) { Plate = plate; }

    public void Drive(int km) { Km += km; }
}

class Taxi : Vehicle
{
    public int Fares { get; private set; }

    public Taxi(string plate) : base(plate) { }

    public void Pickup(int km)
    {
        Drive(km);      // inherited method
        Fares++;
    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        var taxi = new Taxi("TX-19");
        taxi.Pickup(12);
        taxi.Pickup(5);
        taxi.Drive(3);   // callers can use inherited members too

        Console.WriteLine($"{taxi.Plate}: {taxi.Km} km, {taxi.Fares} fares");
        Console.WriteLine(taxi is Vehicle);
    }
}

المخرجات:

TX-19: 20 km, 2 fares
True

ما يحصل عليه الصنف المشتق وما لا يحصل عليه:

• يُورث: الحقول والخصائص والدوال والأحداث والأنواع المتداخلة. كل شيء موجود فعليًا في الكائن.
• يمكن الوصول إليه: فقط ما يسمح به الأساس: الأعضاء public وprotected وinternal. العضو private في Vehicle موجود داخل كل Taxi لكن شيفرة Taxi لا تستطيع تسميته. ولهذا لـ Km ضابط private set: يستطيع Taxi قراءتها، ولا يغيّرها إلا عبر Drive.
• لا يُورث: المُنشئات. يجب أن يصرّح Taxi بمُنشئاته ويتسلسل إلى أحد مُنشئات Vehicle بـ : base(plate). تُظهر صفحة المُنشئات ترتيب تنفيذ الاثنين.

كل صنف مشتق في النهاية من object، ولهذا لكل كائن ToString() وEquals() وGetHashCode().

virtual وoverride

يعلّم الصنف الأساس دالة بـ virtual ليقول "يمكن للأصناف المشتقة تقديم نسختها الخاصة". ويستبدلها الصنف المشتق بـ override. وداخل التجاوز تستدعي base.Method() نسخة الصنف الأساس.

using System;
using System.Collections.Generic;

class Notification
{
    public string To { get; }
    public Notification(string to) { To = to; }

    public virtual string Channel => "generic";

    public virtual string Render(string message) => $"[{Channel}] to {To}: {message}";
}

class Email : Notification
{
    public Email(string to) : base(to) { }
    public override string Channel => "email";

    public override string Render(string message) =>
        base.Render(message) + "\n  (unsubscribe link appended)";
}

class Sms : Notification
{
    public Sms(string to) : base(to) { }
    public override string Channel => "sms";

    // SMS messages are cut to 20 characters here to keep the demo short.
    public override string Render(string message) =>
        base.Render(message.Length > 20 ? message.Substring(0, 20).TrimEnd() + "..." : message);
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        var outbox = new List<Notification>
        {
            new Email("lea@example.com"),
            new Sms("+351 912 000 111"),
            new Notification("ops-team"),
        };

        foreach (Notification n in outbox)
            Console.WriteLine(n.Render("Your order 1042 has shipped today"));
    }
}

المخرجات:

[email] to lea@example.com: Your order 1042 has shipped today
  (unsubscribe link appended)
[sms] to +351 912 000 111: Your order 1042 has...
[generic] to ops-team: Your order 1042 has shipped today

متغيّر الحلقة من نوع Notification، ومع ذلك يعرض كل كائن نفسه بطريقته. هذا هو تعدد الأشكال: يُحسم الاستدعاء n.Render(...) وقت التشغيل من النوع الفعلي للكائن. لاحظ أيضًا أن base.Render في Email تستخدم Channel، التي هي نفسها افتراضية، فتطبع دالة الأساس email لا generic. الاستدعاء الافتراضي داخل الصنف الأساس ما زال يصل إلى التجاوز.

يمكن للخصائص أن تكون افتراضية أيضًا، كما تُظهر Channel. أما الحقول فلا.

يلزمك المترجم بالكلمتين كلتيهما. كتابة override على دالة ليست virtual هي الخطأ CS0506 ("cannot override inherited member ... because it is not marked virtual, abstract, or override"). أما ترك override حين تكون دالة الأساس افتراضية فمجرد تحذير، ويغيّر المعنى كليًا، كما يُظهر القسم التالي.

new مقابل override: الإخفاء بدل التجاوز

إن صرّح صنف مشتق بدالة لها توقيع دالة أساس دون كتابة override، فإنه يخفي دالة الأساس. يحذّر المترجم (CS0114 لدالة أساس افتراضية، وCS0108 في غير ذلك) ويقترح الكلمة new، التي تسكت التحذير لكنها تبقي سلوك الإخفاء:

using System;

class Report
{
    public virtual string Title() => "Report";
}

class SalesReport : Report
{
    public override string Title() => "Sales report";
}

class DraftReport : Report
{
    public new string Title() => "Draft report";
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        Report a = new SalesReport();
        Report b = new DraftReport();
        DraftReport c = new DraftReport();

        Console.WriteLine(a.Title());
        Console.WriteLine(b.Title());
        Console.WriteLine(c.Title());
    }
}

المخرجات:

Sales report
Report
Draft report

b وc من نوع الكائن نفسه، ومع ذلك يطبعان عنوانين مختلفين. مع new تعتمد الدالة المختارة على نوع المتغيّر، ويُحسم ذلك وقت الترجمة. الشيفرة التي تتعامل مع التقارير على أنها Report (قائمة، أو معامل دالة، أو استدعاء راجع من إطار) لا ترى DraftReport.Title أبدًا. ونادرًا جدًا ما يكون هذا ما تريده. استخدم override لتعدد الأشكال؛ وnew موجودة أساسًا للحالة التي يضيف فيها صنف أساس لا تتحكم فيه عضوًا يتصادم اسمه مع عضو لديك أصلًا.

sealed

تمنع sealed على صنف الاشتقاق منه:

sealed class Invoice { }
class CorrectedInvoice : Invoice { }
// error CS0509: 'CorrectedInvoice': cannot derive from sealed type 'Invoice'

string مختوم، وكذلك أنواع كثيرة في الإطار. وعلى تجاوز توقف sealed السلسلة عند ذلك المستوى:

class Shape { public virtual string Name() => "shape"; }
class Square : Shape { public sealed override string Name() => "square"; }
class Tile : Square { public override string Name() => "tile"; }
// error CS0239: 'Tile.Name()': cannot override inherited member 'Square.Name()' because it is sealed

تصميم صنف للوراثة يتطلب عملًا: تقرير ما هو افتراضي، وما يمكن للأصناف المشتقة الاعتماد عليه، وبأي ترتيب تحدث الأشياء. الصنف الذي لم يُصمَّم كذلك أكثر أمانًا مختومًا، ويمكن التراجع عن الختم لاحقًا دون كسر أحد، بينما لا يمكن التراجع عن فك الختم بعد أن يشتق منك آخرون. وقد تكون استدعاءات أعضاء الأصناف المختومة أسرع قليلًا أيضًا، لأن وقت التشغيل يعرف أنه لا يوجد تجاوز.

صنف أساس واحد، وواجهات كثيرة

لصنف C# صنف أساس واحد بالضبط. class Admin : User, Employee هو الخطأ CS1721 ("cannot have multiple base classes"). لكن يمكن للصنف تنفيذ أي عدد من الواجهات إلى جانب صنفه الأساس:

class Admin : User, IAuditable, IComparable<Admin>
{
    // base class first, then interfaces, in any order
}

استخدم صنفًا أساسًا لـ "نوع من، ويتشارك التنفيذ مع"، والواجهات لـ "يستطيع أن". وحين لا يوجد الصنف الأساس إلا لإجبار الأصناف المشتقة على ملء بعض الدوال، فالصنف المجرّد هو الأداة.

التحويل صعودًا ونزولًا في التسلسل الهرمي

يمكن دائمًا استخدام كائن مشتق حيث يُتوقع نوعه الأساس. هذا التحويل صعودًا (upcast) ضمني ولا يمكن أن يفشل. أما الاتجاه الآخر، التحويل نزولًا (downcast)، فيحتاج إلى تحويل صريح ويفشل وقت التشغيل إن لم يكن الكائن من ذلك النوع:

using System;

class Animal { public string Name; }
class Dog : Animal { public void Fetch() => Console.WriteLine($"{Name} fetches the ball"); }
class Cat : Animal { }

class Program
{
    static void Main()
    {
        Animal pet = new Dog { Name = "Rex" };   // upcast: implicit
        Animal other = new Cat { Name = "Tom" };

        Dog d = (Dog)pet;                        // downcast: explicit, succeeds
        d.Fetch();

        try
        {
            Dog wrong = (Dog)other;              // the object is a Cat
        }
        catch (InvalidCastException)
        {
            Console.WriteLine("InvalidCastException: Tom is not a Dog");
        }

        Dog maybe = other as Dog;                // as: null instead of an exception
        Console.WriteLine(maybe == null);

        if (pet is Dog dog)                      // is: test and cast in one step
            dog.Fetch();
    }
}

المخرجات:

Rex fetches the ball
InvalidCastException: Tom is not a Dog
True
Rex fetches the ball

كتابة Dog d = pet; دون التحويل خطأ ترجمة (CS0266: "An explicit conversion exists (are you missing a cast?)")، لأن المترجم لا يعرف إلا أن pet من نوع Animal ما. فضّل is مع متغيّر حين قد يكون الكائن من نوع آخر، والتحويل الصريح العادي فقط حين يكون أي شيء آخر خطأً برمجيًا. التحويل نزولًا المتكرر علامة على تصميم سيئ: يعني عادة أن السلوك مكانه دالة افتراضية في الصنف الأساس. تغطي صفحة مطابقة الأنماط أشكال is كاملة.

الوراثة والمجموعات

يعمل تعدد الأشكال عنصرًا عنصرًا، لكن المجموعات العامة من نوع مشتق ليست مجموعات من النوع الأساس: لا تُترجم List<Animal> animals = new List<Dog>();، لأن القائمة ستقبل عندها Cat. أما العروض للقراءة فقط فمتغايرة (covariant)، فتكون IEnumerable<Animal> animals = new List<Dog>(); مقبولة. تشرح صفحة الأنواع العامة السبب.

أخطاء شائعة

• نسيان override. تُترجم الدالة مع تحذير وتخفي بصمت بدل أن تتجاوز. عامل CS0114 كخطأ.
• جعل كل شيء virtual. كل عضو افتراضي وعد للأصناف المشتقة بموعد استدعائه وما يمكنه افتراضه. لا تعلّم إلا نقاط التوسيع التي تقصدها.
• التسلسلات الهرمية العميقة. ثلاثة أو أربعة مستويات وراثة تجعل معرفة أي نسخة من الدالة تُنفَّذ صعبة. التركيب، أي صنف يحمل كائنًا آخر ويستدعيه، أبسط غالبًا من مستوى جديد.
• استدعاء دوال افتراضية من مُنشئ. يُنفَّذ التجاوز قبل جسم المُنشئ المشتق، فيظل أي حقل يُسنده ذلك الجسم يحمل قيمته الافتراضية.
• استخدام الوراثة لإعادة استخدام الشيفرة فقط. إن ورث Stack من List، يستطيع المستدعون استخدام Insert في منتصف مكدّسك. احمل List في حقل خاص بدلًا من ذلك.