Универсальность. Классы с родовыми параметрами

Список с возможностью поиска элементов по ключу

Ключевые идеи ограниченной универсальности, надеюсь, понятны. Давайте теперь рассмотрим пример построения подобного класса, где можно будет увидеть все детали. Возьмем классическую и саму по себе интересную задачу построения списка с курсором. Как и всякий контейнер данных, список следует сделать универсальным, допускающим хранение данных разного типа. С другой стороны, мы не хотим, чтобы в одном списке происходило смешение типов, - уж если там хранятся персоны, то чисел int в нем не должно быть. По этим причинам класс должен быть универсальным, имея в качестве параметра тип T, задающий тип хранимых данных. Мы потребуем также, чтобы данные хранились с их ключами. И поскольку не хочется заранее накладывать ограничения на тип ключей - они могут быть строковыми или числовыми, - тип хранимых ключей будет еще одним параметром нашего класса. Мы хотим определить над списком операцию поиска по ключу, значит, нам придется выполнять проверку ключей на равенство, поэтому универсальность типа ключей должна быть ограниченной, проще всего сделать этот тип наследником стандартного интерфейса IComparable.

Чтобы не затемнять ситуацию сложностью списка, рассмотрим достаточно простой односвязный список с курсором. Элементы этого списка будут принадлежать классу Node, два поля которого будут хранить ключ и сам элемент, а третье поле будет задавать указатель на следующий элемент списка. Очевидно, что этот класс должен быть универсальным классом. Вот как выглядит текст этого класса:

public class Node<K, T> where K:IComparable<K>
   {
      public Node()
      {
         next = null; key = default(K);
         item = default( T);
      }
      public K key;
      public T item;
      public Node<K, T> next;
   }

Класс Node имеет два родовых параметра, задающих тип ключей и тип элементов. Ограничение на тип ключей позволяет выполнять их сравнение. В конструкторе класса поля инициализируются значениями по умолчанию соответствующего типа.

Рассмотрим теперь организацию односвязного списка. Начнем с того, как устроены его данные:

public class OneLinkList<K, T>   where K : IComparable<K>
{
      protected Node<K, T> first, cursor;
}

Являясь клиентом универсального класса Node, наш класс сохраняет родовые параметры клиента и ограничения, накладываемые на них. Два поля класса - first и cursor - задают указатели на первый и текущий элементы списка. Операции над списком связываются с курсором, позволяя перемещать курсор по списку. Рассмотрим вначале набор операций, перемещающих курсор:

public void start()
      { cursor = first; }
public void forth()
      { if (cursor.next != null) cursor = cursor.next; }

Операция start передвигает курсор к началу списка, а forth - к следующему элементу справа от курсора. Операции finish и forth определены только для непустых списков. Конец списка является барьером, и курсор не переходит через барьер. Нарушая принципы ради краткости текста, я не привожу формальных спецификаций методов, записанных в тегах summary.

Основной операцией является операция добавления элемента с ключом в список. Возможны различные ее вариации, из которых рассмотрим только одну - новый элемент добавляется за текущим, отмеченным курсором. Вот текст этого метода:

public void add(K key, T item)
{
   Node<K, T> newnode = new Node<K, T>();
   if (first == null)
   {
      first = newnode; cursor = newnode;
      newnode.key = key; newnode.item = item;
   }
   else
   {
      newnode.next = cursor.next; cursor.next = newnode;
      newnode.key = key; newnode.item = item;
   }
}

Заметьте, аргументы метода имеют соответствующие родовые параметры, чем и обеспечивается универсальный характер списка. При добавлении элемента в список различаются два случая - добавление первого элемента и всех остальных.

Рассмотрим теперь операцию поиска элемента по ключу, реализация которой потребовала ограничения универсальности типа ключа K:

public bool findstart(K key)
{
   Node<K, T> temp = first;
   while (temp != null)
   {
      if (temp.key.CompareTo(key) == 0)
          {cursor = temp; return(true);}
      temp = temp.next;
   }
   return (false);
}

Искомые элементы разыскиваются во всем списке. Если элемент найден, то курсор устанавливается на найденном элементе и метод возвращает значение true. Если элемента с заданным ключом нет в списке, то позиция курсора не меняется, а метод возвращает значение false. В процессе поиска для каждого очередного элемента списка вызывается допускаемый ограничением метод CompareTo интерфейса IComparable. При отсутствии ограничений универсальности вызов этого метода или операции эквивалентности приводил бы к ошибке, обнаруживаемой на этапе компиляции.

Два метода класса являются запросами, позволяющими извлечь ключ и элемент списка, который отмечен курсором:

public K Key()
   {
      return (cursor.key);
   }
   public T Item()
   {
      return(cursor.item);
  }

Давайте рассмотрим теперь тестирующую процедуру - клиента нашего списка,- демонстрирующую работу со списками, в которых элементы и ключи имеют разные типы:

public void TestConstraint()
{
   OneLinkList<int, string> list1 = new OneLinkList<int, string>();
   list1.add(33, "thirty three"); list1.add(22, "twenty two");
   if(list1.findstart(33)) Console.WriteLine("33 - найдено!");
   else Console.WriteLine("33 - не найдено!");
   if (list1.findstart(22)) Console.WriteLine("22 - найдено!");
   else Console.WriteLine("22 - не найдено!");
   if (list1.findstart(44)) Console.WriteLine("44 - найдено!");
   else Console.WriteLine("44 - не найдено!");
   Person pers1 = new Person("Савлов", 25, 1500);
   Person pers2 = new Person("Павлов", 35, 2100);
   OneLinkList<string, Person> list2 = new OneLinkList< string, Person>();
   list2.add("Савл", pers1); list2.add( "Павел", pers2);
   if (list2.findstart("Павел")) Console.WriteLine("Павел - найдено!");
   else Console.WriteLine("Павел - не найдено!");
   if (list2.findstart("Савл")) Console.WriteLine("Савл - найдено!");
   else Console.WriteLine("Савл - не найдено!");
   if (list2.findstart("Иоанн")) Console.WriteLine("Иоанн - найдено!");
   else Console.WriteLine("Иоанн - не найдено!");
   Person pers3 = new Person("Иванов", 33, 3000);
   list2.add("Иоанн", pers3); list2.start();
   Person pers = list2.Item(); pers.PrintPerson();
   list2.findstart("Иоанн"); pers = list2.Item(); pers.PrintPerson();
}

Обратите внимание на строки, где создаются два списка:

OneLinkList<int, string> list1 = new OneLinkList<int, string>();
OneLinkList<string, Person> list2 = new OneLinkList< string, Person>();

У списка list1 ключи имеют тип int, у списка list2 - string. Заметьте, оба фактических типа, согласно обязательствам, реализуют интерфейс IComparable. У первого списка тип элементов - string, у второго - Person. Все работает прекрасно. Вот результаты вычислений по этой процедуре.

Рис. 8.4. Поиск в списке с ограниченной универсальностью

Как справиться с арифметикой

Представьте себе, что мы хотим иметь специализированный вариант нашего списка, элементы которого допускали бы операцию сложения, и одно из полей сохраняло бы сумму всех элементов, добавленных в список. Как задать соответствующее ограничение на класс?

Как уже говорилось, наличие ограничения операции, где можно было бы указать, что над элементами определена операция +, решало бы проблему. Но такого типа ограничений нет. Хуже того, нет и интерфейса INumeric, аналогичного IComparable, определяющего метод сложения Add. Так что нам не может помочь и ограничение наследования.

Вот один из возможных выходов, предлагаемых в такой ситуации. Стратегия следующая: определим абстрактный универсальный класс Calc с методами, выполняющими вычисления. Затем создадим конкретизированных потомков этого класса. В классе, задающем список с суммированием, введем поле класса Calc. При создании экземпляров класса будем передавать фактические типы ключа и элементов, а также соответствующий калькулятор, но уже не как тип, а как аргумент конструктора класса. Этот калькулятор, согласованный с типом элементов, и будет выполнять нужные вычисления. Давайте приступим к реализации этой стратегии. Начнем с определения класса Calc:

public abstract class Calc<T>
 {
   public abstract T Add(T a, T b);
   public abstract T Sub(T a, T b);
   public abstract T Mult(T a, T b);
   public abstract T Div(T a, T b);
}

Наш абстрактный универсальный класс определяет четыре арифметические операции. Давайте построим трех его конкретизированных потомков:

public class IntCalc : Calc<int>
{
  public override int Add(int a, int b) { return (a + b); }
  public override int Sub(int a, int b) { return (a - b); }
  public override int Mult(int a, int b) { return (a * b); }
  public override int Div(int a, int b) { return (a / b); }
}
 public class DoubleCalc : Calc<double>
{
  public override double Add(double a, double b) { return (a + b); }
  public override double Sub(double a, double b) { return (a - b); }
  public override double Mult(double a, double b) { return (a * b); }
  public override double Div(double a, double b) { return (a / b); }
}
public class StringCalc : Calc<string>
{
   public override string Add(string a, string b) { return (a + b); }
   public override string Sub(string a, string b) { return (a ); }
   public override string Mult(string a, string b) { return (a ); }
   public override string Div(string a, string b) { return (a); }
}

Здесь определяются три разных калькулятора: один - над целочисленными данными, другой - над данными с плавающей точкой, третий - над строковыми данными. В последнем случае определена, по сути, только операция сложения строк (конкатенации).

Теперь нам нужно ввести изменения в ранее созданный класс OneLinkList. Обратите внимание на важный технологический принцип работы с объектными системами. Пусть уже есть нормально работающий класс с нормально работающими клиентами класса. Не следует изменять этот класс.Он закрыт для изменений. Используйте наследование и открывайте класс потомок, в который и вносите изменения, учитывающие добавляемую специфику класса. Принцип "Закрыт - Открыт" является одним из важнейших принципов построения программных систем в объектном стиле.

В полном соответствии с этим принципом построим класс SumList - потомок класса OneLinkList. То, что родительский класс является универсальным, ничуть не мешает строить потомка класса, сохраняющего универсальный характер родителя.

public class SumList<K, T> : OneLinkList<K, T> where K : IComparable<K>
{
   Calc<T> calc;
   T sum;
   public SumList(Calc<T> calc)
   { this.calc = calc; sum = default(T); }

   public new void add(K key, T item)
   {
      Node<K, T> newnode = new Node<K, T>();
      if (first == null)
      {
        first = newnode; cursor = newnode;
        newnode.key = key; newnode.item = item;
        sum = calc.Add(sum, item);
      }
      else
      {
        newnode.next = cursor.next; cursor.next = newnode;
        newnode.key = key; newnode.item = item;
        sum = calc.Add(sum, item);
     }
   }
   public T Sum()
   {return (sum);   }
}//SumList

У класса добавилось поле sum, задающее сумму хранимых элементов, и поле calc - калькулятор, выполняющий вычисления. Метод add, объявленный в классе с модификатором new, скрывает родительский метод add, задавая собственную реализацию этого метода. Родительский метод можно было бы определить как виртуальный, переопределив его у потомка, но я не стал трогать код родительского класса. К классу добавился еще один запрос, возвращающий значение поля sum.

Проведем теперь эксперименты с новыми вариантами списков, допускающих суммирование элементов:

public void TestSum()
  {
      SumList<string, int> list1 = 
        new SumList<string, int>(new IntCalc());
      list1.add("Петр", 33); list1.add("Павел", 44);
      Console.WriteLine("sum= {0}", list1.Sum());
      SumList<string, double> list2 = 
         new SumList<string, double>(new DoubleCalc());
      list2.add("Петр", 33.33); list2.add("Павел", 44.44);
      Console.WriteLine("sum= {0}", list2.Sum());
      SumList<string, string> list3 = 
         new SumList<string, string>(new StringCalc());
      list3.add("Мама", " Мама мыла "); 
      list3.add("Маша", "Машу мылом!");
      Console.WriteLine("sum= {0}", list3.Sum());
  }

Обратите внимание на создание списков:

SumList<string, int> list1 = new SumList<string, int>(new IntCalc());
   SumList<string, double> list2 = new SumList<string, double>(new DoubleCalc());
   SumList<string, string> list3 = new SumList<string, string>(new StringCalc());

Как видите, конструктору объекта передается калькулятор, согласованный с типами данных, которые хранятся в списке. Приведу результаты вычислений, полученных при работе с этими списками.

Рис. 8.5. Списки с суммированием