الفئات والدوال المجردة (Abstract)

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة Java على Coddy — الدرس 32 من 87.

أحياناً قد ترغب في تعريف فئة (class) تعمل كمخطط (blueprint) ولكن لا ينبغي أبداً إنشاء مثيل لها (instantiated) بشكل مباشر. على سبيل المثال، فئة Shape عامة تبدو منطقية كفئة أب، ولكن كيف سيكون شكل "الشكل" الذي ليس له هيئة محددة؟ هنا يأتي دور الفئات المجردة (abstract classes).

يتم تعريف الفئة المجردة (abstract class) باستخدام الكلمة المفتاحية abstract ولا يمكن إنشاء كائن منها. ويمكن أن تحتوي على كل من الدوال العادية ذات التنفيذ والدوال المجردة (abstract methods) التي ليس لها جسم (body):

public abstract class Shape {
    protected String color;
    
    public Shape(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    // طريقة مجردة - لا يوجد تنفيذ
    public abstract double getArea();
    
    // طريقة عادية - لها تنفيذ
    public String getColor() {
        return color;
    }
}

تحدد الدوال المجردة (Abstract methods) ماذا يجب أن تفعل الفئة الفرعية، ولكن ليس كيف. يجب على أي فئة غير مجردة ترث من فئة مجردة أن توفر تنفيذات لكافة الدوال المجردة:

public class Circle extends Shape {
    private double radius;
    
    public Circle(String color, double radius) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }
    
    @Override
    public double getArea() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

لا يزال بإمكانك استخدام الأصناف المجردة (abstract classes) كأنواع مرجعية، مما يتيح تعدد الأشكال (polymorphism):

Shape shape = new Circle("red", 5.0);
System.out.println(shape.getArea());  // يستدعي تنفيذ Circle

تعد الفئات المجردة (Abstract classes) مثالية عندما تتشارك الفئات الفرعية كوداً مشتركاً، ولكن يجب على كل منها تنفيذ سلوكيات معينة بشكل مختلف. فهي تفرض عقداً مع السماح بإعادة استخدام الكود.

التحدي

سهل

لنقم ببناء نظام أجهزة منزلية يوضح قوة الفئات المجردة (abstract classes). ستقوم بإنشاء فئة أساسية Appliance تحدد ما يجب على كل جهاز القيام به، مع ترك أنواع الأجهزة المحددة تقرر بالضبط كيفية القيام بذلك.

ستقوم بتنظيم الكود الخاص بك عبر أربعة ملفات:

Appliance.java: قم بإنشاء فئة مجردة (abstract class) تعمل كمخطط لجميع الأجهزة. كل جهاز لديه حقل brand (String) وحقل wattage (int). قم بتضمين منشئ (constructor) يقوم بتهيئة كلا الحقلين، وطرق جلب (getter methods) لكل منهما، وطريقة عادية getInfo() تعيد: [brand] - [wattage]W. قم بتعريف طريقة مجردة (abstract method) باسم operate() يجب على الفئات الفرعية تنفيذها - وهذا يمثل كيفية أداء كل جهاز لوظيفته الرئيسية.
WashingMachine.java: قم بإنشاء فئة ملموسة (concrete class) ترث من Appliance. تحتوي الغسالات على حقل إضافي capacity (int) يمثل حجم الحمولة بالكيلوجرام. استخدم super للتعامل مع تهيئة الفئة الأب. قم بتنفيذ طريقة operate() لطباعة: [brand] washing machine is washing [capacity]kg of clothes
Microwave.java: قم بإنشاء فئة ملموسة أخرى ترث من Appliance. تحتوي أجهزة الميكروويف على حقل power (int) يمثل نسبة مستوى الطاقة. قم بتنفيذ operate() لطباعة: [brand] microwave is heating at [power]% power
Main.java: اجمع كل شيء معًا باستخدام تعدد الأشكال (polymorphism). ستتلقى خمسة مدخلات: اسم العلامة التجارية، والقدرة الكهربائية (wattage)، وسعة الغسالة، واسم علامة تجارية آخر، ومستوى طاقة الميكروويف. قم بإنشاء WashingMachine و Microwave، ثم قم بتخزينهما في مصفوفة من مراجع Appliance. قم بالمرور عبر المصفوفة ولكل جهاز، اطبع معلوماته باستخدام getInfo() متبوعة باستدعاء operate().

ستتلقى خمسة مدخلات بهذا الترتيب: العلامة التجارية الأولى (String)، القدرة الكهربائية الأولى (int)، السعة بالكيلوجرام (int)، العلامة التجارية الثانية (String)، ومستوى الطاقة (int).

يجب أن يظهر مخرجك أربعة أسطر - لكل جهاز، سترى سطر معلوماته متبوعًا بسلوك التشغيل الخاص به. لاحظ كيف تسمح لك الفئة المجردة بمعاملة الأجهزة المختلفة بشكل موحد بينما يعمل كل منها بطريقته الفريدة!

ورقة مرجعية

يتم التصريح عن الفئة المجردة (abstract class) باستخدام الكلمة المفتاحية abstract ولا يمكن إنشاء كائنات منها مباشرة. وهي تعمل كمخطط للفئات الفرعية:

public abstract class Shape {
    protected String color;
    
    public Shape(String color) {
        this.color = color;
    }
    
    // طريقة مجردة - لا يوجد تنفيذ
    public abstract double getArea();
    
    // طريقة عادية - لها تنفيذ
    public String getColor() {
        return color;
    }
}

الطرق المجردة (Abstract methods) ليس لها جسم ويجب تنفيذها بواسطة الفئات الفرعية غير المجردة:

public class Circle extends Shape {
    private double radius;
    
    public Circle(String color, double radius) {
        super(color);
        this.radius = radius;
    }
    
    @Override
    public double getArea() {
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

يمكن استخدام الفئات المجردة كأنواع مرجعية لتعدد الأشكال (polymorphism):

Shape shape = new Circle("red", 5.0);
System.out.println(shape.getArea());  // يستدعي تنفيذ Circle

تعتبر الفئات المجردة مثالية عندما تشترك الفئات الفرعية في كود مشترك ولكن يجب عليها تنفيذ سلوكيات معينة بشكل مختلف.

جرّب بنفسك

import java.util.Scanner;

class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        
        // قراءة المدخلات
        String brand1 = scanner.nextLine();
        int wattage1 = scanner.nextInt();
        int capacity = scanner.nextInt();
        scanner.nextLine(); // استهلاك السطر الجديد
        String brand2 = scanner.nextLine();
        int power = scanner.nextInt();
        
        // TODO: إنشاء كائن WashingMachine باستخدام brand1 و wattage1 و capacity
        
        // TODO: إنشاء كائن Microwave باستخدام brand2 و wattage1 (أو القدرة المناسبة) و power
        
        // TODO: إنشاء مصفوفة من مراجع Appliance وتخزين كلا الكائنين
        
        // TODO: التكرار عبر المصفوفة ولكل جهاز:
        // - طباعة معلوماته باستخدام getInfo()
        // - استدعاء operate()
    }
}