[C# の簡単な説明] 第 5 章: 高度なオブジェクト指向プログラミング: インターフェイスと抽象クラス

オブジェクト指向プログラミング (OOP) は、ソフトウェア開発のプログラミングパラダイムであり、オブジェクトをプログラムの基本単位として使用し、カプセル化、継承、ポリモーフィズムなどの概念を通じてコードを編成および管理します。中心となる概念には、クラス、オブジェクト、カプセル化、継承、ポリモーフィズムが含まれます。
インターフェイスと抽象クラスは、オブジェクト指向プログラミングにおける 2 つの重要な概念です。これらはすべて高度に抽象的で拡張性があり、柔軟で保守可能なコードの設計と構築に役立ちます。インターフェイスは、オブジェクトの動作を記述する一連のメソッドとプロパティのコントラクトを定義します。これは、異なるクラスが同じ動作を共有できるようにする標準化された方法を提供し、コードの分離と置換可能性を実現します。
インターフェイスの重要性は、柔軟な設計と拡張機能を提供しながら、コードのモジュール化とコードの再利用を促進することにあります。
抽象クラスは、部分的な実装といくつかの抽象メンバーを持つクラスです。これは、具体的なクラスを派生するための基本的なフレームワークを提供します。抽象クラスの重要性は、クラス間で共通の動作と属性を定義し、派生クラスに抽象メソッドの実装を強制することで派生クラスの一貫性を保証することです。抽象クラスはテンプレートおよび基本クラスとして使用でき、コードを再利用および継承する機能を提供します。
インターフェイスと抽象クラスの役割は、抽象レベルの設計とコーディングを提供し、コードの柔軟性、拡張性、保守性を高めることです。コードのモジュール化と再利用を促進し、コードの結合を減らし、優れた設計とスケーラビリティも提供します。大規模なプロジェクトや複雑なシステムの開発にとって、インターフェイスと抽象クラスは、高品質のソフトウェアを構築するのに役立つ非常に重要なツールです。

1. インターフェース

1.1 インターフェースの定義と構文

インターフェイスは、オブジェクトの動作を記述するために使用される抽象型です。C# では、キーワードを使用してインターフェイスを定義できますinterface。インターフェイスでは、メソッド、プロパティ、イベント、およびインデクサーを定義できます。インターフェースの定義構文は次のとおりです。

public interface 接口名
{
    
    
    // 方法声明
    返回类型 方法名(参数列表);

    // 属性声明
    属性类型 属性名 {
    
     get; set; }

    // 事件声明
    event 事件类型 事件名;

    // 索引器声明
    索引器类型 this[索引参数] {
    
     get; set; }
}

このうち、インターフェイス名にはキャメルケースの命名方法が採用されており、メソッド、プロパティ、イベント、インデクサーの定義はクラス内のメンバー定義と同様ですが、実装コードは含まれません。インターフェイスのメンバーはデフォルトでに設定されpublic、アクセス修飾子は省略できます。
インターフェイスはメンバー宣言のみを定義し、特定の実装は含みません。インターフェイスを実装するクラスは、インターフェイスで宣言されたすべてのメンバーを実装し、インターフェイスの要件に従って対応する実装ロジックを提供する必要があります。複数のインターフェイス名をカンマで区切ることにより、クラスで複数のインターフェイスを実装できます。インターフェイスを定義すると、異なるクラスが同じ動作仕様を共有できるようになり、オブジェクトの動作を記述する標準化された方法が提供されます。インターフェイスを実装することにより、コードの分離が実現され、コードの置換可能性が向上すると同時に、柔軟な設計と拡張機能も提供されます。

1.2 インターフェースの特徴と機能

オブジェクト指向プログラミングでは、インターフェイスには次の特性と機能があります。

抽象化: インターフェイスは、メンバー宣言のみを定義し、特定の実装を含まない完全な抽象型です。インターフェイスを通じて、特定の実装の詳細を気にせずにオブジェクトの動作を記述することができます。
標準化と正規化: インターフェイスは、メソッド、プロパティ、イベント、インデクサーのセットのコントラクトを定義し、オブジェクトの動作を記述する標準化された方法を提供します。コードの一貫性と置き換え可能性を実現するために、インターフェイスを実装するクラスは、インターフェイスの仕様に従って対応する実装を提供する必要があります。
多重継承のシミュレーション: C# のクラスは単一の継承のみを継承できますが、クラスは複数のインターフェイスを実装できます。インターフェイスを通じて、多重継承の実装の効果をシミュレートできるため、クラスは複数のインターフェイスによって定義された動作を持つことができます。
コードの分離と置換可能: インターフェイスを通じて、抽象的な動作を具体的な実装から分離することができ、コードの分離とモジュール化を実現します。そうすれば、実装を置き換える必要がある場合、そのインターフェイスを使用する他のコードを変更することなく、インターフェイス仕様に準拠する新しい実装を提供するだけで済みます。
柔軟な設計と拡張機能: このインターフェイスは柔軟な設計と拡張機能を提供し、システムが変化する要件に適応できるようにします。インターフェイスを定義することにより、既存のクラス構造を変更せずに、拡張可能な一連の動作を定義できます。

ヒント: インターフェイスは、オブジェクトの動作を記述するための抽象レベルの設計とコーディングを提供します。標準化、正規化、分離、置換、拡張の特徴があり、柔軟で保守可能なコードの構築に役立つオブジェクト指向プログラミングの強力なツールを提供します。

1.3 インターフェースの実装とインターフェースの継承

C# ではインターフェイスの継承が使用され: 、サンプルコードは次のとおりです。

public interface IInterfaceA
{
    
    
    void MethodA();
}

public interface IInterfaceB : IInterfaceA
{
    
    
    void MethodB();
}

public class MyClass : IInterfaceB
{
    
    
    public void MethodA()
    {
    
    
        // 实现接口A中的方法
        Console.WriteLine("MethodA is implemented.");
    }

    public void MethodB()
    {
    
    
        // 实现接口B中的方法
        Console.WriteLine("MethodB is implemented.");
    }
}

上記の例では、IInterfaceBインターフェイスはIInterfaceAインターフェイスを継承し、MyClassクラスはIInterfaceBインターフェイスを実装し、対応するメソッド実装を提供します。インターフェイスの継承により、IInterfaceBインターフェイスにはIInterfaceAインターフェイス内で定義されたメソッドがあり、MyClassそれらはすべてクラスに実装されます。

1.4 複数のインターフェース実装、インターフェースの暗黙的実装と明示的実装

C# では、クラスは複数のインターフェイスを実装できます。これをマルチインターフェイス実装と呼びます。インターフェイスは、暗黙的と明示的な 2 つの方法で実装できます。

複数のインターフェースの実装:

public interface IInterfaceA
{
    
    
    void MethodA();
}

public interface IInterfaceB
{
    
    
    void MethodB();
}

public class MyClass : IInterfaceA, IInterfaceB
{
    
    
    public void MethodA()
    {
    
    
        // 实现接口 A 中的方法
        Console.WriteLine("MethodA is implemented.");
    }

    public void MethodB()
    {
    
    
        // 实现接口 B 中的方法
        Console.WriteLine("MethodB is implemented.");
    }
}

上記の例では、MyClassクラスはインターフェイスを実装しIInterfaceA、IInterfaceB対応するメソッド実装を提供します。複数のインターフェイスの実装を通じて、MyClassクラスは複数のインターフェイスによって定義された動作を持つことができます。

インターフェイスを暗黙的に実装します。

public interface IInterfaceA
{
    
    
    void Method();
}

public class MyClass : IInterfaceA
{
    
    
    public void Method()
    {
    
    
        // 实现接口中的方法
        Console.WriteLine("Method is implemented.");
    }
}

上記の例では、MyClassクラスは暗黙的にインターフェイスを実装しますIInterfaceA。暗黙的な実装とは、実装クラスのメソッドがインターフェイスのメソッドと同じ名前とシグネチャを持つことを意味します。使用する場合は、MyClassクラスのインスタンスをインターフェイス型の変数に代入し、インターフェイス経由でメソッドを呼び出すことができます。

インターフェースを明示的に実装します。

public interface IInterfaceA
{
    
    
    void Method();
}

public class MyClass : IInterfaceA
{
    
    
    void IInterfaceA.Method()
    {
    
    
        // 显式实现接口中的方法
        Console.WriteLine("Method is implemented.");
    }
}

上記の例では、MyClassクラスはインターフェイスを明示的に実装しますIInterfaceA。明示的な実装では、完全修飾インターフェイス名を使用してインターフェイスにメソッドを実装します。使用する場合、メソッドはインターフェイスタイプの変数を通じて呼び出す必要があります。
複数のインターフェイス実装、暗黙的実装、明示的実装を通じて、特定のニーズと設計に従ってインターフェイスを実装する適切な方法を選択し、さまざまなプログラミング要件を満たすことができます。

1.5 アプリケーションシナリオとインターフェースの利点

インターフェイスには、オブジェクト指向プログラミングにおける幅広いアプリケーションシナリオと利点があり、次のような側面があります。

コントラクトと仕様の定義: インターフェイスは、実装クラスが提供する必要があるメソッドとプロパティを指定して、一連の操作または関数のコントラクトを定義します。インターフェイスを通じて、クラスの動作と機能を明確に定義でき、実装クラスはインターフェイス仕様に従って、対応する機能を提供する必要があります。
ポリモーフィズムの実装: インターフェイスはポリモーフィズムの基礎を提供します。インターフェイスを通じて、異なるクラスが同じインターフェイスを持つことができるため、使用中にそれらを均一に扱うことができ、コードの柔軟性と拡張性が向上します。
結合度を減らす: インターフェイスを通じて、プログラムのさまざまなモジュールを分離できます。クラスが具体的な実装クラスではなくインターフェイスに依存している場合、コードの他の部分に影響を与えることなく実装クラスを簡単に置き換えることができます。
コンポーネント化およびモジュール化された開発のサポート: インターフェイスは、コンポーネント化およびモジュール化された開発の方法を提供します。インターフェイスを定義することで、異なるチームが実装クラスを並行して開発できるようになり、他のチームの特定の実装の詳細を気にすることなく、インターフェイスの仕様に従うだけで済みます。
コードの再利用性の向上: インターフェイスを通じて、共通の機能と動作を定義でき、複数のクラスが同じインターフェイスを実装し、インターフェイスで定義されたメソッドとプロパティを再利用できます。

2. 抽象クラス

2.1 抽象クラスの定義と構文

抽象クラスは、直接インスタンス化することはできませんが、他のクラスの基本クラスとしてのみ継承できる特別なクラスです。抽象クラスは、関連するクラスのグループの共通の動作とプロパティを定義するために使用されます。その中には実装を含めることができるものもありますが、特定の実装を提供せずにシグネチャのみを定義できるものもあります。abstractC# では、キーワードを使用して抽象クラスを定義する必要があり、その構文は次のとおりです。

public abstract class AbstractClass
{
    
    
    // 抽象方法
    public abstract void AbstractMethod();

    // 普通方法
    public void NormalMethod()
    {
    
    
        // 方法实现
    }
}

上の例では、AbstractClassは抽象クラスであり、抽象メソッドAbstractMethod()と通常のメソッドが含まれていますNormalMethod()。抽象メソッドには実装本体はなく、メソッドのシグネチャのみがあり、派生クラスで実装する必要があります。通常のメソッドには実装本体を含めることができ、デフォルトの動作を提供します。抽象クラスを定義すると、継承に基づいたコード再利用メカニズムを提供し、関連するクラスをまとめて、派生クラスに特定のメソッドを強制的に実装することができます。抽象クラスは、一般的な動作や属性を定義するためにオブジェクト指向プログラミングでよく使用され、他のクラスが特定のビジネスロジックを実装するための基本クラスとして機能します。

ヒント: 抽象クラス自体はインスタンス化できず、他のクラスの基本クラスとしてのみ使用できます。クラスが抽象クラスを継承する場合、クラス自体が抽象クラスでない限り、そのクラスは抽象クラス内のすべての抽象メソッドを実装する必要があります。

2.2 抽象クラスの特徴と機能

抽象クラスには次の特性と機能があります。

インスタンス化できません: 抽象クラスはオブジェクトを直接作成できません。他のクラスの基本クラスとしてのみ使用できます。これは、抽象クラスには抽象メソッドが含まれる可能性があり、抽象メソッドには具体的な実装がなく、派生クラスで実装する必要があるためです。
抽象メソッドを含む: 抽象クラスには抽象メソッドを含めることができます。つまり、実装のないメソッド宣言のみが存在します。抽象メソッドは、共通の動作と関数のセットを定義するために使用されますが、具体的な実装は派生クラスごとに異なる場合があります。
通常のメソッドを含めることができる: 抽象メソッドに加えて、抽象クラスには通常のメソッド実装も含めることができます。これらの通常のメソッドは、抽象クラスのデフォルトの動作を提供し、直接使用することも、派生クラスでオーバーライドすることもできます。
フィールドとプロパティを含めることができる: 抽象クラスには、オブジェクトの状態を保存およびアクセスするためのフィールドとプロパティを含めることができます。これらのフィールドとプロパティは、派生クラスで継承して使用できます。
共有の動作と属性を定義するために使用されます。抽象クラスは、関連するクラスのグループの共有の動作と属性を定義するために使用されます。抽象クラスを通じて、共通のロジックと関数を抽出してコードの重複を減らすことができます。
必須の派生クラスは抽象メソッドを実装します。派生クラスは抽象クラス内のすべての抽象メソッドを実装する必要があります。それ以外の場合は、派生クラスも抽象クラスとして宣言する必要があります。これにより、派生クラスが必要な動作と機能を備え、コンパイル時に検証されることが保証されます。

2.3 抽象クラスの継承と抽象メソッドの実装

クラスが抽象クラスから継承する場合、クラス自体も抽象クラスとして宣言されていない限り、抽象クラス内のすべての抽象メソッドを実装する必要があります。以下は、抽象クラスの継承と抽象メソッドの実装の例です。

public abstract class AbstractClass
{
    
    
    // 抽象方法
    public abstract void AbstractMethod();

    // 普通方法
    public void NormalMethod()
    {
    
    
        // 方法实现
    }
}

public class DerivedClass : AbstractClass
{
    
    
    // 实现抽象方法
    public override void AbstractMethod()
    {
    
    
        // 方法实现
    }
}

上記の例では、抽象クラスDerivedClassが継承されAbstractClass、その中の抽象メソッドが実装されますAbstractMethod()。overrideキーワードを使用すると、抽象クラスの抽象メソッドをオーバーライドし、具体的な実装を提供できます。抽象クラスを継承し、その中に抽象メソッドを実装することにより、派生クラスは抽象クラスで定義された動作と機能を具体化できます。これによりポリモーフィズムが可能になり、異なる派生クラスが共有抽象メソッドを異なる方法で実装できるようになります。これにより、オブジェクト指向プログラミングに柔軟性と拡張性が提供され、継承ベースのコードの再利用がサポートされます。

ヒント: 派生クラスが抽象クラス内のすべての抽象メソッドを実装していない場合は、派生クラスも抽象クラスとして宣言する必要があります。これにより、派生クラスが必要な動作と機能を備え、コンパイル時に検証されることが保証されます。

2.4 抽象クラスとインターフェースの違いと選択

抽象クラスと抽象インターフェイスは、オブジェクト指向プログラミングにおける 2 つの重要な概念ですが、いくつかの違いと異なる使用シナリオがあります。

定義方法: 抽象クラスは、abstractキーワードを使用して定義され、抽象メソッドと具象メソッドの実装を含めることができます。インターフェイスは、キーワードをinterface使用して定義されます。キーワードには、抽象メソッドとプロパティの宣言のみを含めることができ、実装を含めることはできません。
継承関係: クラスは抽象クラスを継承できますが、実装できるインターフェイスは 1 つだけです。C# は多重継承をサポートしておらず、インターフェイスは複数のクラスで実装できるためです。
機能制限: 抽象クラスにはフィールド、プロパティ、およびメソッド実装を含めることができ、非抽象メンバーを含めることができます。インターフェイスには抽象メンバーの宣言のみを含めることができ、実装は含めることはできません。
extends実装方法: クラスが抽象クラスを継承する場合はキーワードを使用する必要があり、クラスがインターフェイスを実装する場合はimplementsキーワードを使用する必要があります。
設計目的: 抽象クラスは、関連するクラスのグループの共有動作と属性を定義し、デフォルトの実装を提供し、派生クラスに抽象メソッドの実装を強制するために使用されます。インターフェイスは一連の動作規約を定義するために使用され、異なるクラスが同じ方法で対話できるようにし、インターフェイスを実装するクラスは異なる継承関係を持つことができます。

これらの違いに従って、特定のニーズに応じて抽象クラスまたはインターフェイスの使用を選択できます。

抽象クラスを使用する: 抽象クラスは、関連するクラスのグループの共有動作とプロパティを定義する必要があり、これらのクラス間に明確な継承関係がある場合に使用できます。抽象クラスは、コードの重複を減らし、継承を通じてコードを再利用できるデフォルトの実装を提供します。
インターフェイスの使用: 異なるクラスが同じ方法で対話できるようにする一連の動作のコントラクトを定義する必要がある場合は、インターフェイスを使用します。インターフェイスはオブジェクトの機能を記述する標準化された方法を提供し、インターフェイスを実装するクラスはさまざまな継承関係を持つことができるため、コードの柔軟性が向上します。

場合によっては、抽象クラスとインターフェイスの両方を使用することもできます。たとえば、抽象クラスを使用して共通の実装を提供したり、インターフェイスを使用して追加の動作コントラクトを定義したりできます。これにより、抽象クラスとインターフェイスの利点を組み合わせた、より柔軟で拡張可能な設計が可能になります。

2.5 アプリケーションシナリオと抽象クラスの利点

抽象クラスには、オブジェクト指向プログラミングにおける多くのアプリケーションシナリオと利点があります。以下に、一般的なアプリケーションシナリオと利点をいくつか示します。

共通の動作をカプセル化する: 抽象クラスは、共通の動作とプロパティを定義し、デフォルトの実装を提供できます。このように、派生クラスは抽象クラスを継承し、その中のメソッドを書き換えたり拡張したりすることで、コードの重複を減らし、コードの再利用とカプセル化を実現します。
抽象メソッドを定義する: 抽象クラスには、宣言のみを持ち、具体的な実装を持たない抽象メソッドを含めることができます。派生クラスが必要な動作と機能を確実に備えられるように、派生クラスはこれらの抽象メソッドを実装する必要があります。これにより、抽象クラスは、派生クラスの実装をガイドする一連の仕様、つまりコントラクトを定義できるようになります。
テンプレートメソッドを定義する: 抽象クラスはテンプレートメソッドを定義できます。テンプレートメソッドにはアルゴリズムのスケルトンが含まれますが、派生クラスが特定の実装の詳細を提供できるようになります。このように、抽象クラスはアルゴリズムの構造とシーケンスを定義でき、具体的な実装は派生クラスで柔軟にカスタマイズできます。
継承の実現：抽象クラスを派生クラスの基底クラスとして使用し、継承関係を通じてコードの継承を実現します。派生クラスは、抽象クラスのプロパティとメソッドを継承し、必要に応じてそれらを書き換えたり拡張したりすることで、派生クラスが抽象クラスで定義された動作や機能を持つことができます。
抽象型を提供する: 抽象クラスはそれ自体でインスタンス化できませんが、型参照として使用できます。これは、抽象クラスをパラメーター型、戻り値の型、またはコレクション型として使用して、具体的な派生クラスオブジェクトを参照できることを意味します。これによりポリモーフィズムが可能になり、オブジェクトを柔軟に使用できるようになります。

3. ベストプラクティスと注意事項

インターフェイスと抽象クラスを使用する場合のベストプラクティスと考慮事項をいくつか示します
。

単一責任の原則: インターフェイスと抽象クラスには、明確な責任と目的が必要です。大規模で複雑なインターフェイスや抽象クラスの定義を避け、理解しやすく維持しやすいように単一責任の原則を維持するようにしてください。
インターフェイス指向プログラミング: 特定の実装クラスではなく、インターフェイスまたは抽象クラスに対してプログラミングするようにしてください。これによりコードのスケーラビリティと柔軟性が向上し、モジュールの置き換えやコードの再利用が容易になります。
適切な命名規則: インターフェイスや抽象クラスに名前を付けるときは、適切な命名規則に従い、他の開発者が理解して使用できるように、明確で正確かつ説明的な名前を使用します。
拡張性を考慮する: インターフェイスと抽象クラスを定義するときは、将来の拡張のニーズを考慮する必要があります。後続のバージョンで変更および拡張できるように、柔軟で拡張可能なインターフェイスと抽象クラスを設計するようにしてください。

予防：

インターフェイスと抽象クラスの使用シナリオに注意してください。インターフェイスはオブジェクトの機能と動作を記述するのに適しており、抽象クラスは関連するクラスのグループの共有動作と属性を定義するのに適しています。特定のニーズに応じて、適切な抽象化方法を選択してください。
過度の継承を避ける: 過度の継承は、複雑で混乱を招くクラス階層を引き起こす可能性があります。継承関係を設計する際は、クラスの関係や機能を考慮し、過度な継承を避けてください。
多重継承とインターフェイス実装は注意して使用してください。多重継承とインターフェイス実装はコードの複雑さを増し、競合やあいまいさが生じやすくなります。多重継承とインターフェイス実装を使用する場合は、混乱や保守が難しい状況を避けるために、適切に設計され、明確に定義されていることを確認してください。
インターフェイスと抽象クラスのバージョン互換性を考慮します。インターフェイスまたは抽象クラスが公開され、他のコードで使用されたら、互換性を維持する必要があります。変更を加えるときは下位互換性を考慮し、既存のコードの互換性が損なわれないように注意してください。

インターフェイスや抽象クラスを使用する場合は、適切な設計原則とベストプラクティスに従う必要があります。インターフェイスと抽象クラスを合理的に定義して使用すると、コードのスケーラビリティ、保守性、読みやすさが向上し、コードがより柔軟で拡張しやすくなります。

4. まとめ

インターフェイスと抽象クラスは、ポリモーフィズムとコードの再利用のためのオブジェクト指向プログラミングにおける重要な概念です。インターフェイスはメソッドとプロパティのセットのコントラクトを定義しますが、抽象クラスは共有の動作とプロパティを一緒にカプセル化する方法を提供します。
オブジェクトのポリモーフィズムはインターフェイスを使用して実現できるため、異なるオブジェクトが同じ動作を行うことができ、コードの柔軟性とスケーラビリティが向上します。インターフェイスは、インターフェイス指向プログラミングの実装、コード結合の削減、モジュールの置換と拡張の促進にも役立ちます。
抽象クラスは、クラス階層内の動作と属性を共有し、抽象メソッドと具象メソッドを定義し、サブクラスが拡張および書き換えできるようにする方法を提供します。抽象クラスは、いくつかのデフォルト実装を提供し、繰り返しのコード記述を減らすためのテンプレートとしても使用できます。
インターフェイスと抽象クラスを使用する場合は、合理的な設計と明確な定義に注意し、単一責任の原則と適切な命名規則に従う必要があります。インターフェースや抽象クラスのバージョン互換性を考慮し、過度な継承や多重継承を避けてください。
つまり、インターフェイスと抽象クラスはオブジェクト指向プログラミングにおける重要なツールであり、コードの柔軟性、拡張性、保守性を実現するのに役立ちます。インターフェイスと抽象クラスを合理的に使用すると、コードの品質と読みやすさが向上し、プログラムの堅牢性と信頼性が向上します。