[C# を簡単に説明] 第 4 章: オブジェクト指向プログラミングの基礎: カプセル化、継承、ポリモーフィズム

カプセル化、継承、およびポリモーフィズムは、柔軟で拡張可能で保守可能なソフトウェアシステムを構築するために重要なオブジェクト指向プログラミングの中核概念です。
カプセル化 (Encapsulation) は、データと関連する操作をクラスにカプセル化することで内部実装の詳細を隠し、外部と対話するためのパブリックインターフェイスを提供します。カプセル化は、コードを理解し、使用しやすくする適切な抽象化を提供しながら、データの整合性とセキュリティを保護するのに役立ちます。カプセル化はコードのモジュール化とチーム開発もサポートし、各モジュールを独立して開発およびテストできるため、コードの保守性と再利用性が向上します。
継承 (Inheritance) を使用すると、クラスが別のクラスのプロパティとメソッドを継承して、コードの再利用と拡張を実現できます。継承によりコードの階層構造が提供されるため、関連するクラスをまとめて編成でき、継承を通じてコードの共有と統一インターフェイスを実現できます。継承では、サブクラス内の親クラスのメソッドを書き換えて、さまざまなオブジェクトのさまざまな動作を実現することにより、ポリモーフィズムもサポートできます。
ポリモーフィズム (ポリモーフィズム) を使用すると、同じ操作で異なるオブジェクトに対して異なる動作を生成できます。ポリモーフィズムは柔軟性と拡張性を提供し、型ごとに異なるコードを明示的に記述することなく、コードで複数の型のオブジェクトを処理できるようにします。ポリモーフィズムは、メソッドの書き換え、メソッドのオーバーロード、インターフェイスの使用によって実現でき、コードの可読性と保守性を向上させながら、コードの柔軟性と拡張性を高めることができます。

ヒント: カプセル化、継承、ポリモーフィズムはオブジェクト指向プログラミングの中核概念であり、より柔軟でスケーラブルで保守可能なソフトウェアシステムを構築するのに役立ちます。コードを設計および実装する場合、これらの概念を合理的に適用すると、コードの品質、再利用性、拡張性が向上し、変化する要件に対応できます。

1. 包装

1.1 カプセル化の概念と目的

カプセル化は、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あり、データと関連する操作をクラスにカプセル化し、内部実装の詳細を隠し、他のオブジェクトが対話するために必要なパブリックインターフェイスのみを公開することを指します。カプセル化の目的は、データの整合性とセキュリティを保護し、明確な抽象インターフェイスを提供して、コードの理解、使用、保守を容易にすることです。
カプセル化の主な目的は次のとおりです。

データの隠蔽: データをプライベートメンバーとして宣言すると、クラスのパブリックメソッドのみがデータへのアクセスと変更を許可されます。これにより、データへの直接アクセスや変更が防止され、データの一貫性とセキュリティが保護されます。
抽象化の実装: カプセル化により、複雑なデータと操作を抽象化し、他のオブジェクトが使用できるシンプルなパブリックインターフェイスを提供します。カプセル化では内部実装の詳細を隠すことで複雑なロジックを隠すことができるため、ユーザーは内部実装を気にせずにオブジェクトの動作のみに注意を払う必要があります。
コードの再利用: カプセル化では、関連するデータと操作のグループをクラスにカプセル化することができ、コードの再利用を実現できます。このクラスのインスタンスを作成することで、他のオブジェクトも同じ機能と動作を得ることができ、同様のコードの重複を避けることができます。
保守性の向上: カプセル化を通じて、オブジェクトの状態と動作をまとめて整理し、優れた抽象インターフェイスを提供できます。このようにして、後続のコード保守プロセスで、他の部分に影響を与えることなく、オブジェクトの機能をより便利に変更および拡張できます。

ヒント: カプセル化は、オブジェクト指向プログラミングの重要な原則です。データと操作を一緒にカプセル化することで、データを非表示にして抽象化し、コードのセキュリティ、再利用性、保守性を向上させることができます。カプセル化を合理的に適用すると、コードの信頼性と可読性が向上すると同時に、コードの結合が減少するため、プログラムの柔軟性と拡張性が高まります。

1.2 データ隠蔽の重要性と利点

データ隠蔽は、オブジェクト指向プログラミングにおけるカプセル化の中心的な概念の 1 つであり、その重要性と利点は次の側面に反映されます。

データの整合性とセキュリティを保護する:データをクラス内に隠し、パブリックインターフェイス経由でのみデータへのアクセスと変更を許可することで、データの悪用や破壊を防ぐことができます。このアクセス制御メカニズムにより、適切な状況下でデータが正しく操作されることが保証され、データの整合性とセキュリティが向上します。
モジュール化と分離の実現:データ隠蔽はモジュール設計の実現に役立ち、クラス内の実装の詳細を隠し、限られたパブリックインターフェイスのみを提供します。このように、クラスを利用する際には、パブリックインターフェースの使い方だけを意識すればよく、クラス間の分離を実現する内部実装は意識する必要がありません。
インターフェイスを簡素化し、コードの可読性を向上します。データの隠蔽により、複雑な内部実装の詳細をカプセル化し、外部ユーザーに簡潔で明確なインターフェイスを提供できます。このように、ユーザーはインターフェイスの呼び出しメソッドとパラメーターにのみ注意を払う必要があり、特定の実装について気にする必要がないため、コードの読みやすさと理解が向上します。
コードの再利用とメンテナンスを促進します。データの隠蔽により、関連するデータと操作をクラスにカプセル化し、独立したモジュールを形成できます。このようにして、他のコードはクラスのインスタンスを作成することでこのモジュールの機能を再利用できます。同時に、関数を変更または拡張する必要がある場合、外部ユーザーに影響を与えることなく、クラスの内部実装のみを変更する必要があるため、コードの保守性と再利用性が向上します。
ソフトウェアの信頼性と安定性の向上:データの隠蔽により、データへの直接アクセスが減り、クラスのパブリックインターフェイスを通じてデータが操作されるため、エラーの可能性が減ります。これにより、ソフトウェアの信頼性が向上し、データの不正な変更や改ざんが防止され、ソフトウェアの安定性が向上します。

ヒント: データ隠蔽は重要なプログラミング原則であり、データの整合性とセキュリティを保護し、モジュール化と分離を実現し、インターフェイスを簡素化しコードの可読性を向上させ、コードの再利用とメンテナンスを促進し、ソフトウェアのパフォーマンスの信頼性と安定性を向上させることができます。データ隠蔽を適切に適用することで、コードの保守性、再利用性、拡張性が向上し、より高品質なソフトウェアシステムを構築できます。

1.3 アクセス修飾子とカプセル化レベルの概要

オブジェクト指向プログラミングでは、アクセス修飾子は、クラスのメンバー (プロパティ、メソッド、フィールドなど) の外部コードへの可視性とアクセスを制御するために使用されます。C# では、次のアクセス修飾子が提供されます。

public: public アクセス修飾子。メンバーが表示され、任意のコードからアクセスできることを示します。パブリックメンバーには、クラス、サブクラス、およびその他のコードのインスタンスからアクセスできます。
private:プライベートアクセス修飾子。メンバーが定義されているクラス内でのみメンバーにアクセスできることを示します。プライベートメンバーは外部コードからは見えず、クラス内でのみ使用できます。
protected: protected アクセス修飾子。メンバーが、それが定義されているクラスおよびそのクラスのサブクラスに表示され、アクセス可能であることを示します。保護されたメンバーは他のコードからは見えません。
external:内部アクセス修飾子。メンバーが表示され、同じアセンブリ内のコードにアクセスできることを示します。アセンブリは、単一のプロジェクトまたは複数のプロジェクトで構成される関連コードファイルのコレクションです。
protected external: protected 内部アクセス修飾子は、メンバーが表示され、同じアセンブリ内のコードおよびクラスのサブクラスにアクセスできることを示します。

これらのアクセス修飾子をクラスのメンバーに適用すると、必要に応じてメンバーのアクセスレベルを制限できます。適切なアクセス修飾子を選択することで、外部コードに対するクラスのメンバーの可視性を制御し、カプセル化の概念を実現できます。
カプセル化レベルは、クラス内外のメンバーの可視性を指します。カプセル化レベルに応じて、メンバーは次のカテゴリに分類できます。

パブリックメンバー (パブリック):これらのメンバーは、クラスの内部コードと外部コードの両方に表示され、アクセスできます。
プライベートメンバー (プライベート):これらのメンバーは、定義されているクラス内でのみ表示およびアクセスでき、外部コードからは表示されません。
保護されたメンバー:これらのメンバーは、それが定義されているクラスおよびそのクラスのサブクラス内で表示およびアクセスできますが、他のコードからは表示されません。
内部メンバー (内部):これらのメンバーは、同じアセンブリ内のコードから表示およびアクセスできますが、他のアセンブリ内のコードからは表示されません。
保護された内部メンバー:これらのメンバーは、同じアセンブリ内のコードおよびクラスのサブクラスから表示され、アクセスできます。

適切なアクセス修飾子とカプセル化レベルを選択することで、クラスのメンバーへのアクセス制御を実現し、データの整合性とセキュリティを保護し、外部コードが使用する適切なインターフェイスを提供できます。これにより、カプセル化の目的が達成され、クラスの内部詳細が隠蔽され、コードの保守性と再利用性が向上します。

1.4 属性の定義と使用

プロパティは、クラス内のフィールドにアクセスして操作する方法であり、クラスのメンバーをカプセル化してデータへのアクセスと変更を制御できるようにします。プロパティは、実際のデータの詳細を隠しながら、クラスのデータにアクセスして操作するための、より柔軟で安全な方法を提供します。
C# では、属性の定義と使用には次の側面が含まれます。

プロパティの定義:プロパティは通常 2 つのアクセサーで構成され、1 つはプロパティの値を取得するため (get アクセサー)、もう 1 つはプロパティの値を設定するため (set アクセサー) です。getおよびキーワードを使用してsetプロパティのアクセサーを定義し、そこにプロパティの読み取りと割り当てのロジックを実装できます。
プロパティの構文:プロパティの構文はの形式で访问修饰符数据类型属性名称 { get; set; }、アクセス修飾子はpublic、privateなどになります。 datatype はプロパティのデータ型を指定し、 propertyname はプロパティを識別する名前です。
属性のアクセスと割り当て:属性を使用する場合、フィールドにアクセスするのと同じように、ドット.演算子を使用して属性の値を取得および設定できます。たとえば、对象.属性名称属性の値を取得したり、对象.属性名称 = 值属性の値を設定したりできます。
自動プロパティ:プロパティの読み取りと割り当てのロジックが比較的単純な場合は、自動プロパティを使用してコードを簡素化できます。自動プロパティは簡素化された構文形式を使用するため、アクセサーを明示的に定義する必要はありません。コンパイラーはプロパティのデフォルトアクセサーを自動的に生成します。
読み取り専用プロパティ:読み取り専用プロパティgetには、プロパティの値に読み取り専用でアクセスするためのアクセサーのみが含まれます。読み取り専用プロパティは宣言時に初期化され、変更できません。

属性を使用すると、より適切なカプセル化とアクセス制御が提供され、クラスユーザーがクラスデータを取得および変更することが容易になると同時に、実際のデータ実装の詳細が隠蔽され、コードのセキュリティと保守性が向上します。属性では属性値の検証と制限を実装することもできるため、データの制御と管理が強化されます。

1.5 メソッドの定義と使用

メソッドは、特定のアクションまたは特定のタスクを実行する実行可能なコードブロックです。オブジェクト指向プログラミングでは、メソッドは、必要に応じて呼び出しおよび実行できる一連の関連操作をカプセル化するクラスのメンバーです。
C# では、メソッドの定義と使用には次の側面が含まれます。

メソッド定義:メソッドの定義には、メソッドのアクセス修飾子、戻り値の型、メソッド名、パラメータリスト、およびメソッド本体が含まれます。アクセス修飾子はメソッドのアクセス権を決定し、戻り値の型はメソッドが返すデータ型を指定し、メソッド名はメソッドを識別する名前で、パラメータリストはメソッドが受け入れるパラメータを指定します。
メソッドの構文:メソッドの文法形式はです访问修饰符返回类型方法名称(参数列表) { 方法体 }。アクセス修飾子はpublic、privateなどです。戻り値の型はメソッドによって返されるデータ型を指定します。メソッド名はメソッドを識別する名前です。パラメータはリストには、メソッドによって受け入れられるパラメータが含まれます。
メソッド呼び出し:メソッドを使用する場合、メソッド名とパラメーターリストを使用してメソッドを呼び出し、メソッドの戻り値 (存在する場合) を取得できます。メソッドの呼び出しは、メソッドがインスタンスメソッドであるか静的メソッドであるかに応じて、オブジェクト名またはクラス名によって行うことができます。
メソッドパラメーターの受け渡し:メソッドはパラメーターを受け入れることができ、パラメーターはメソッドにデータを渡すために使用されます。パラメーターは値型または参照型にすることができ、値または参照によって渡すことができます。
メソッドの戻り値:メソッドは値を返すことができ、戻り値の型はメソッドの戻り値の型と一致する必要があります。ステートメントを使用してreturn呼び出し元に結果を返します。
メソッドのオーバーロード:クラス内では、名前は同じだがパラメーターリストが異なる複数のメソッドを定義できます。これをメソッドのオーバーロードと呼びます。メソッドのオーバーロードでは、さまざまなパラメーターの型と数に基づいてさまざまなロジックを実行できます。

ヒント: メソッドを使用すると、コードのモジュール化と再利用を実現し、複雑なロジックを複数の小さなメソッドに分割し、コードの可読性と保守性を向上させることができます。このメソッドはパラメータと戻り値を受け入れ、データの転送と処理を実現し、より柔軟な機能を提供することもできます。メソッドのオーバーロードにより、さまざまな要件に応じて同じメソッド名を使用できるため、コードの柔軟性とスケーラビリティが向上します。

2. 継承

2.1 継承の概念と実装

継承は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あり、これにより、クラスが別のクラスから派生して、継承されたクラスのプロパティとメソッドを取得できるようになります。classC# では、キーワードの後のコロンによって継承が行われます:。継承の概念は、次のコード例で説明できます。

class Animal // 基类 Animal
{
    
    
    public string Name {
    
     get; set; }

    public void Eat()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Animal is eating.");
    }
}

class Dog : Animal // 派生类 Dog 继承自 Animal
{
    
    
    public void Bark()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Dog is barking.");
    }
}

上の例では、基本クラスAnimalと派生クラスを定義しましたDog。派生クラスはDogコロンによって:基本クラスとして指定されますAnimal。これは、DogクラスがAnimalクラスのプロパティとメソッドを継承することを意味します。継承を通じて、派生クラスはプロパティやメソッド
などの基本クラスのパブリックメンバーを取得できます。さらに、派生クラスは、メソッドなどの独自の一意のプロパティやメソッドを追加することもできます。継承を通じて、コードの再利用と拡張を実現できます。基本クラスのプロパティとメソッドは、書き換えることなく派生クラスで直接使用できます。派生クラスは基本クラスに基づいて新しい関数を追加できるため、コードがより柔軟で拡張可能になります。NameEat()Bark()

ヒント: C# は多重継承をサポートしていません。クラスは 1 つの基本クラスからのみ継承できます。ただし、複数のインターフェイスの機能をそのインターフェイスを通じて実装して、多重継承と同様の効果を達成することができます。

2.2 単一継承と多重継承の違い

単一継承と複数継承は、オブジェクト指向プログラミングにおける 2 つの異なる継承方法であり、それらの間にはいくつかの違いがあります。
単一継承とは、クラスが 1 つの基本クラスからのみ継承できることを意味します。単一継承では、派生クラスは直接基本クラスを 1 つだけ持つことができます。この制限により、クラス階層がより単純かつ明確になります。単一継承は、コードの複雑さとメンテナンスのコストを軽減するのに役立ちます。C# は単一継承言語であり、クラスは 1 つの基本クラスからのみ継承できますが、複数のインターフェイスを実装できます。
多重継承とは、クラスが複数の基本クラスから継承できることを意味します。多重継承では、派生クラスは複数の直接基本クラスを持つことができます。クラスは複数の異なる基本クラスのプロパティとメソッドを継承できるため、多重継承によりコードの柔軟性と再利用性がある程度向上します。ただし、多重継承は、名前の競合や意味の曖昧さなど、いくつかの問題も引き起こします。これらの問題を回避するために、一部のプログラミング言語 (C# など) は多重継承をサポートしないことを選択しますが、インターフェイスを通じて多重継承と同様の機能を実装します。
要約すると、単一継承は C# の主要な継承メソッドであり、シンプルで明確なクラス階層を提供します。多重継承により、場合によっては柔軟性と再利用性が向上しますが、コードが複雑になり、潜在的な問題も増加します。C#では多重継承と同様の効果をインターフェースを通じて実現することができ、多重継承に起因する問題を回避することができます。

2.3 継承のメリットと適用シナリオ

継承には、オブジェクト指向プログラミングにおける多くの利点と応用シナリオがあります。

コードの再利用: 継承により、サブクラスが親クラスのプロパティとメソッドを継承できるようになり、コードの再利用が実現します。サブクラスは、同じコードを書き直すことなく親クラスのメンバーを直接使用できるため、コードの再利用性と効率が向上します。
継承階層: 継承は階層の作成をサポートし、派生クラスの継承関係を通じて、秩序あるクラス階層を形成できます。この階層により、コードがより明確になり、編成と保守が容易になります。
ポリモーフィズム: 継承はポリモーフィズムの基礎です。継承を通じて、サブクラスは親クラスのメソッドをオーバーライドしたり、独自のメソッドを追加したりすることで、ポリモーフィズムを実現できます。ポリモーフィズムにより、同じメソッドが異なるオブジェクトに対して異なる動作を行うことが可能になり、コードの柔軟性とスケーラビリティが向上します。
拡張とカスタマイズ: 継承を通じて、既存のクラスに基づいて拡張とカスタマイズを行うことができます。サブクラスは、特定のニーズに合わせて新しいプロパティやメソッドを追加したり、親クラスの動作を変更したりできます。この柔軟性により、継承はソフトウェア開発において大きな応用価値を持ちます。

継承されたアプリケーションシナリオには次の側面が含まれますが、これらに限定されません。

汎用性と特殊化: 継承を通じて、一般的な親クラスを作成し、さまざまなニーズを満たす特定のサブクラスを派生できます。たとえば、汎用の「Animal」クラスを作成してから、「Dog」や「Cat」などの特定のサブクラスを派生できます。
拡張とカスタマイズ: 継承を通じて、特定のニーズに合わせて既存のクラスを拡張およびカスタマイズできます。たとえば、基本的なフォームクラスを作成し、「メインフォーム」、「ダイアログフォーム」などの特定のサブクラスを派生して、さまざまなタイプのフォームをカスタマイズできます。
インターフェイスと実装: インターフェイスを継承することにより、一連の共有動作仕様を定義し、これらのインターフェイスを具象クラスに実装できます。これにより、多重継承と同様の効果が得られ、柔軟性とコードの再利用性が向上します。

ヒント: 継承は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あり、コードの再利用、階層、ポリモーフィズム、およびスケーラビリティを通じて柔軟性とスケーラビリティを提供し、ソフトウェア開発をより効率的で保守しやすくします。適切なシナリオでは、継承を合理的に使用すると、コードの品質と再利用性が向上します。

3、ポリモーフィズム

3.1 ポリモーフィズムの概念と特徴

ポリモーフィズムは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あり、異なるオブジェクトに対して異なる動作を示す同じメソッドを指します。ポリモーフィズムにより、特定のオブジェクトの種類に注意を払うことなく、統一されたインターフェイスを使用してさまざまな種類のオブジェクトを処理できるようになり、コードの柔軟性とスケーラビリティが向上します。ポリモーフィズムの特徴は次のとおりです。

メソッドの書き換え: ポリモーフィズムは継承の概念に基づいており、サブクラスは親クラスのメソッドを書き換えることができるため、メソッドの特定の実装を変更できます。このメソッドが呼び出されると、実際のオブジェクトの型に応じて、対応するサブクラスのメソッドが実行されます。
同じメソッドの異なるパフォーマンス: ポリモーフィズムにより、同じメソッドを異なるオブジェクトで呼び出すことができますが、各オブジェクトの具体的な実装は異なる場合があります。これにより、コードはオブジェクトの種類に応じて異なる動作を実行できるようになり、柔軟性と拡張性が向上します。
実行時の決定: ポリモーフィズムの特定の動作は、コンパイル時ではなく実行時に動的に決定されます。これは、コンパイラはコンパイル時にオブジェクトのどのメソッドが呼び出されているかを認識しませんが、プログラムの実行時に実際のオブジェクトの型に応じて動的バインディングを実行することを意味します。
コードの再利用: ポリモーフィズムにより、共通のインターフェイスを通じてさまざまな種類のオブジェクトを処理できるようになり、コードの再利用が実現します。共通のメソッドまたはクラスを作成し、ポリモーフィズムを使用してさまざまな種類のオブジェクトを処理し、コードの重複を減らすことができます。
拡張性: 継承とポリモーフィズムを通じて、既存のクラスに基づいて新しいサブクラスを作成したり、メソッドを書き換えたり追加したりして元の機能を拡張できます。この拡張性により、プログラムの保守と拡張が容易になります。

3.2 ポリモーフィズムを実現する方法

メソッドのオーバーライドオブジェクト
指向プログラミングでは、メソッドのオーバーライドを通じてポリモーフィズムを実現できます。メソッドのオーバーライドとは、サブクラスが親クラスのメソッドを書き換えて、メソッドの特定の実装を変更することを意味します。メソッドの書き換えにより、同じメソッドを異なるオブジェクトで呼び出すことができますが、各オブジェクトの具体的な実装は異なる場合があるため、多態性が実現されます。
以下は、メソッドのオーバーライドを通じてポリモーフィズムを実現する方法を示すサンプルコードです。
```
class Animal
{
      
      
    public virtual void MakeSound()                                        
    {
      
      
        Console.WriteLine("The animal makes a sound");
    }
}

class Dog : Animal
{
      
      
    public override void MakeSound()
    {
      
      
        Console.WriteLine("The dog barks");
    }
}

class Cat : Animal
{
      
      
    public override void MakeSound()
    {
      
      
        Console.WriteLine("The cat meows");
    }
}

class Program
{
      
      
    static void Main(string[] args)
    {
      
      
        Animal animal1 = new Animal();
        Animal animal2 = new Dog();
        Animal animal3 = new Cat();

        animal1.MakeSound();  // Output: "The animal makes a sound"
        animal2.MakeSound();  // Output: "The dog barks"
        animal3.MakeSound();  // Output: "The cat meows"
    }
}
```
上記の例では、Animalclass は基本クラス、DogclassCatはAnimalclass を継承するサブクラスです。これらはすべてMakeSoundメソッドをオーバーライドして、それぞれ異なるサウンドを出力します。このメソッドでは、クラスのインスタンスMainが作成されるほか、2 つのサブクラスおよびのインスタンスも作成されます。これらのメソッドを呼び出すと、さまざまな出力結果、つまりさまざまなオブジェクトの特定の実装を確認できます。ここでは、メソッドの書き換えを通じて、異なるオブジェクト上での同じメソッドの多態性が実現されます。実際のオブジェクトのタイプに応じて、対応するサブクラスのメソッドが呼び出され、それによって異なるオブジェクトの異なる動作が実現されます。これはポリモーフィズムの実装です。Animalanimal1animal2animal3MakeSound
メソッドのオーバーロードオブジェクト
指向プログラミングでは、メソッドのオーバーロードはポリモーフィズムを実現するもう 1 つの方法です。メソッドのオーバーロードとは、同じクラス内に同じ名前で異なるパラメーターリストを持つ複数のメソッドを定義することを指します。以下は、メソッドのオーバーロードを通じてポリモーフィズムを実現する方法を示すサンプルコードです。
```
class Calculator 
{
      
      
    public int Add(int num1, int num2)
    {
      
      
        return num1 + num2;
    }

    public double Add(double num1, double num2)
    {
      
      
        return num1 + num2;
    }
}

class Program
{
      
      
    static void Main(string[] args)
    {
      
      
        Calculator calculator = new Calculator();

        int result1 = calculator.Add(10, 5);
        Console.WriteLine("Result 1: " + result1);  // Output: 15

        double result2 = calculator.Add(3.14, 2.71);
        Console.WriteLine("Result 2: " + result2);  // Output: 5.85
    }
}
```
上記の例では、Calculatorクラスは 2 つのAddメソッドを定義しており、1 つは 2 つの整数パラメータを受け入れ、もう 1 つは 2 つの double 型パラメータを受け入れます。2 つのメソッドの名前は同じですが、パラメーターリストが異なります。これはメソッドのオーバーロードです。メソッド内で、クラスのインスタンスMainが作成されます。メソッドを呼び出してさまざまなタイプのパラメーターを渡すことで、さまざまな出力結果を確認できます。メソッドのオーバーロードを通じて、パラメーターの型に応じて、呼び出す対応するメソッドを選択できます。このようにして、名前は同じでパラメータリストが異なる複数のメソッドが同じクラス内に定義され、ポリモーフィズムが実現されます。実際のパラメータのタイプに応じて、対応するメソッドが呼び出され、異なる動作が実現されます。これは、メソッドのオーバーロードによってポリモーフィズムを実現する 1 つの方法です。CalculatorcalculatorAdd

インターフェイスと抽象クラス
インターフェイスは、具体的な実装を含まずにメソッドとプロパティのセットの仕様を定義することによってポリモーフィズムを実現する方法です。クラスは 1 つ以上の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の具体的な実装を提供できます。以下は、インターフェイスを使用してポリモーフィズムを実装するサンプルコードです。

// 定义一个接口
public interface IShape 
{
      
      
    double CalculateArea();
}

// 实现接口的类
public class Circle : IShape
{
      
      
    private double radius;

    public Circle(double radius)
    {
      
      
        this.radius = radius;
    }

    public double CalculateArea()
    {
      
      
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

public class Rectangle : IShape
{
      
      
    private double width;
    private double height;

    public Rectangle(double width, double height)
    {
      
      
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public double CalculateArea()
    {
      
      
        return width * height;
    }
}

// 使用接口实现多态性
public class Program
{
      
      
    static void Main(string[] args)
    {
      
      
        // 创建不同的形状对象
        IShape circle = new Circle(5);
        IShape rectangle = new Rectangle(4, 6);

        // 调用统一的接口方法
        double circleArea = circle.CalculateArea();
        double rectangleArea = rectangle.CalculateArea();

        Console.WriteLine("Circle Area: " + circleArea);
        Console.WriteLine("Rectangle Area: " + rectangleArea);
    }
}

上の例では、メソッドの定義をIShape含むインターフェイスを定義しました。次に、とのクラスCalculateAreaを作成しました。これらのクラスは、それぞれインターフェイスを実装し、メソッドの具体的な実装を提供します。クラスのメソッドでは、とのインスタンスを作成し、インターフェース変数を介してそれらのメソッドを呼び出すことでポリモーフィズムを実現します。抽象クラスはポリモーフィズムを実現する方法でもあり、抽象メソッドと具象メソッドを含めることができます。抽象クラス自体はインスタンス化できませんが、そのサブクラスを継承することでポリモーフィズムを実現できます。以下は、抽象クラスを使用してポリモーフィズムを実装するサンプルコードです。CircleRectangleIShapeCalculateAreaProgramMainCircleRectangleCalculateArea

// 定义一个抽象类
public abstract class Shape 
{
      
      
    public abstract double CalculateArea();
}

// 继承抽象类的子类
public class Circle : Shape
{
      
      
    private double radius;

    public Circle(double radius)
    {
      
      
        this.radius = radius;
    }

    public override double CalculateArea()
    {
      
      
        return Math.PI * radius * radius;
    }
}

public class Rectangle : Shape
{
      
      
    private double width;
    private double height;

    public Rectangle(double width, double height)
    {
      
      
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    public override double CalculateArea()
    {
      
      
        return width * height;
    }
}

// 使用抽象类实现多态性
public class Program
{
      
      
    static void Main(string[] args)
    {
      
      
        // 创建不同的形状对象
        Shape circle = new Circle(5);
        Shape rectangle = new Rectangle(4, 6);

        //

 调用统一的抽象方法
        double circleArea = circle.CalculateArea();
        double rectangleArea = rectangle.CalculateArea();

        Console.WriteLine("Circle Area: " + circleArea);
        Console.WriteLine("Rectangle Area: " + rectangleArea);
    }
}

Shape上の例では、抽象メソッドを含む抽象クラスを定義しましたCalculateArea。次にCircle、とRectangleクラスを作成しました。これらはどちらもShape抽象クラスから継承し、CalculateAreaメソッドの具体的な実装を提供します。Programクラスのメソッドでは、とのインスタンスMainを作成し、抽象クラス変数を介してそれらのメソッドを呼び出すことでポリモーフィズムを実現します。インターフェイスと抽象クラスはどちらもポリモーフィズムを実現する効果的な方法であり、特定のニーズに応じてコードを設計および実装するための適切な方法を選択できます。CircleRectangleCalculateArea

3.3 ポリモーフィズムの利点と適用シナリオ

ポリモーフィズムには、オブジェクト指向プログラミングにおける重要な利点と幅広いアプリケーションシナリオがあり、主に次の側面に反映されます。

柔軟性と拡張性: ポリモーフィズムにより、基本クラスまたはインターフェイス型の変数を使用してサブクラスまたは実装クラスのオブジェクトを参照できるようになり、コードがより柔軟で拡張可能になります。ポリモーフィズムにより、既存のコードを変更せずに新しいサブクラスや実装クラスを簡単に追加でき、これらのオブジェクトは基本クラスやインターフェイス型の参照を通じて操作できます。
コードの再利用: ポリモーフィズムを使用すると、各サブクラスや実装クラスで同じコードを繰り返し記述することなく、基本クラスやインターフェイスで共通の操作を定義できます。これにより、コードの再利用性が向上し、コードの冗長性が軽減されます。
コードロジックの簡素化: ポリモーフィズムを通じて、オブジェクトの具体的な型をインターフェイスまたは基本クラスの背後に隠すことができるため、コードロジックが簡素化されます。オブジェクトの特定の種類ではなく、オブジェクトの動作とメソッドだけに注目する必要があります。
置換可能性とテスト可能性: ポリモーフィズムにより、オブジェクトを基本クラスまたはインターフェイスのインスタンスとして扱うことができるため、コードの置換とテストが容易になります。あるサブクラスまたは実装クラスのオブジェクトを別のオブジェクトに簡単に置き換えることができます。ただし、両方が同じインターフェイスを実装しているか、同じ基本クラスを継承していることを確認してください。
抽象化指向プログラミング: ポリモーフィズムは、抽象化指向プログラミングのアイデア、つまり、オブジェクトの特定の実装の詳細に焦点を当てるのではなく、オブジェクトの動作と機能に焦点を当てることを奨励します。これにより、コードの可読性と保守性が向上します。

アプリケーションシナリオ:

デザインパターンでは、ポリモーフィズムはファクトリパターン、ストラテジパターン、オブザーバーパターンなどの多くのデザインパターンの基礎です。
GUI プログラミングでは、ポリモーフィズムを使用してユーザー対話とイベント処理を処理できます。
データベース操作では、ポリモーフィズムを使用してさまざまなタイプのデータオブジェクトを処理できます。
フレームワークとライブラリの開発では、ポリモーフィズムにより拡張およびカスタマイズされたインターフェイスを提供できます。

4. カプセル化、継承、多態性の例

4.1 クラスのプロパティとメソッドをカプセル化する方法

カプセル化はオブジェクト指向プログラミングの中核概念の 1 つで、クラスのプロパティとメソッドをカプセル化し、内部実装の詳細を隠し、外部アクセスと操作に必要なインターフェイスのみを公開します。以下に、クラスプロパティとメソッドをカプセル化する一般的な方法とサンプルコードを示します。
クラスプロパティのカプセル化:

プライベートフィールドとパブリックプロパティを使用します。

public class Person 
{
      
      
    private string name; // 私有字段

    public string Name // 公共属性
    {
      
      
        get {
      
       return name; }
        set {
      
       name = value; }
    }
}

自動プロパティを使用します。

public class Person 
{
      
      
    public string Name {
      
       get; set; } // 自动属性
}

カプセル化クラスメソッド:

パブリックメソッドを使用します。

public class Calculator   
{
      
      
    public int Add(int a, int b)
    {
      
      
        return a + b;
    }
}

プライベートメソッドとパブリックメソッドの使用:

public class Calculator  
{
      
      
    private int Multiply(int a, int b)
    {
      
      
        return a * b;
    }

    public int Calculate(int a, int b)
    {
      
      
        int result = Multiply(a, b); // 调用私有方法
        return result;
    }
}

クラスのプロパティとメソッドをカプセル化する利点は次のとおりです。

データの隠蔽とセキュリティ: カプセル化により、クラスの内部実装の詳細を隠蔽し、必要なインターフェイスのみを公開できるため、データのセキュリティと信頼性が向上します。
コードの再利用と保守性: カプセル化により、共通関数をメソッドにカプセル化し、必要に応じて再利用できるため、コードの繰り返し記述が減り、コードの保守性と可読性が向上します。
インターフェイスの均一性: カプセル化により、統一されたインターフェイスを定義できるため、クラスのユーザーは、インターフェイスによって提供される関数の使用方法のみに注意を払う必要があり、特定の実装の詳細を気にする必要がなく、結合が軽減されます。コードの。

4.2 継承の使用と継承チェーンの構築

継承は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あり、クラス (サブクラス) が別のクラス (親クラス) のプロパティとメソッドを継承し、独自の関数を追加できるようになります。以下に、継承の基本的な使用法と継承チェーンの構築方法、および対応するサンプルコードを示します
。

親クラスを定義します。

public class Vehicle  
{
      
      
    public void Start()
    {
      
      
        Console.WriteLine("Vehicle starts.");
    }

    public void Stop()
    {
      
      
        Console.WriteLine("Vehicle stops.");
    }
}

サブクラスを定義し、親クラスを継承します。

public class Car : Vehicle
{
      
      
    public void Accelerate()
    {
      
      
        Console.WriteLine("Car accelerates.");
    }

    public void Brake()
    {
      
      
        Console.WriteLine("Car brakes.");
    }
}

サブクラスオブジェクトを作成し、親クラスとサブクラスのメソッドを呼び出します。

Car car = new Car(); 
car.Start(); // 调用父类的方法
car.Accelerate(); // 调用子类的方法
car.Stop(); // 调用父类的方法

継承チェーンの構築:
継承では、マルチレベルの継承関係を形成し、サブクラスが親クラスのプロパティとメソッドを継承し、下位レベルのサブクラスに渡すことができるように継承チェーンを構築できます。例えば：

public class Animal
{
    
    
    public void Eat()  
    {
    
    
        Console.WriteLine("Animal eats.");
    }
}

public class Mammal : Animal
{
    
    
    public void Walk()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Mammal walks.");
    }
}

public class Dog : Mammal
{
    
    
    public void Bark()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Dog barks.");
    }
}

上記のコードでは、DogクラスはMammalクラスから継承し、MammalクラスはAnimalクラスから継承し、継承チェーンを形成します。したがって、DogクラスはMammalクラスAnimal内のメソッドおよびクラスにアクセスでき、マルチレベル継承の効果が得られます。

継承の利点と適用シナリオは次のとおりです。

コードの再利用: 継承を通じて、サブクラスは親クラスのプロパティとメソッドを再利用できるため、同様のコードを繰り返し記述することがなくなり、コードの再利用性が向上します。
拡張機能: サブクラスは、親クラスの継承に基づいて独自の追加機能を追加し、機能の拡張とカスタマイズを実現できます。
ポリモーフィズム: 継承を通じてポリモーフィズムを実現できます。つまり、同じメソッドが異なるサブクラスに異なる実装を持ち、より柔軟で拡張可能なプログラミングメソッドが提供されます。

4.3 多態性の応用

ポリモーフィズムはオブジェクト指向プログラミングの重要な概念であり、基本クラス型の変数を使用して派生クラスのオブジェクトを参照し、実際のオブジェクト型に応じて対応するメソッドを呼び出すことができます。ポリモーフィズムの適用には、主にメソッドの書き換えとインターフェイスの使用が含まれます。
メソッドのオーバーライド:
メソッドのオーバーライドとは、親クラスの既存のメソッドを派生クラスで再実装することを指します。メソッドのオーバーライドにより、派生クラスのニーズに応じてメソッドの実装を変更し、派生クラスの特定のニーズを満たすことができます。メソッドをオーバーライドするには、メソッド名、パラメータリスト、戻り値の型がすべて親クラスのメソッドと同じである必要があります。
サンプルコードは次のとおりです。

public class Shape  
{
    
    
    public virtual void Draw()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Drawing a shape.");
    }
}

public class Circle : Shape
{
    
    
    public override void Draw()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Drawing a circle.");
    }
}

public class Rectangle : Shape
{
    
    
    public override void Draw()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Drawing a rectangle.");
    }
}

// 使用多态性调用方法
Shape shape = new Circle();
shape.Draw(); // 调用 Circle 类中的 Draw 方法

shape = new Rectangle();
shape.Draw(); // 调用 Rectangle 类中的 Draw 方法

上記のコードでは、Shapeクラスは仮想メソッドを定義しDraw()、派生クラスはCircleそれぞれRectangleこのメソッドをオーバーライドします。基底クラス型の変数を用いて派生クラスのオブジェクトを参照することで、Draw()実際のオブジェクト型に応じて対応するメソッドを呼び出すことができ、ポリモーフィズムが実現します。
インターフェイスの使用:
インターフェイスは、メソッド、プロパティ、およびイベントのセットを定義し、機能または動作を表すプロトコルです。クラスは 1 つ以上のインターフェイスを実装し、インターフェイスによって定義されたすべてのメンバーに実装を提供できます。インターフェイスにより、複数のクラス間での共有と一貫した動作が可能になります。
サンプルコードは次のとおりです。

public interface IPlayable  
{
    
    
    void Play();
}

public class VideoPlayer : IPlayable
{
    
    
    public void Play()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Playing video.");
    }
}

public class AudioPlayer : IPlayable
{
    
    
    public void Play()
    {
    
    
        Console.WriteLine("Playing audio.");
    }
}

// 使用多态性调用接口方法
IPlayable player = new VideoPlayer();
player.Play(); // 调用 VideoPlayer 类中实现的 Play 方法

player = new AudioPlayer();
player.Play(); // 调用 AudioPlayer 类中实现的 Play 方法

上記のコードでは、IPlayableこれはインターフェイスであり、VideoPlayerクラスAudioPlayerはこのインターフェイスをそれぞれ実装します。インターフェイス型の変数を宣言すると、インターフェイスを実装する任意のクラスのオブジェクトを参照し、インターフェイスで定義されたメソッドを呼び出すことができます。これにより、特定のオブジェクトの種類を意識することなく、これらのオブジェクトを統一的に操作することができ、ポリモーフィズムが実現されます。
ポリモーフィズムを適用すると、コードの柔軟性、拡張性、保守性が向上します。メソッドの書き換えとインターフェイスの使用により、継承と実装に基づいて異なるオブジェクトの統一された操作が実現され、コードの再利用性と拡張性が向上します。同時に、ポリモーフィズムによってコードの理解と保守が容易になり、コードの繰り返しや論理的判断が減ります。

5. 予防措置とベストプラクティス

カプセル化、継承、およびポリモーフィズムを使用する場合、開発者が高品質のオブジェクト指向コードを作成するのに役立つ考慮事項とベストプラクティスがいくつかあります。

パッケージ化に関する考慮事項とベストプラクティス:
- データをカプセル化するときは、プライベートフィールドとパブリックプロパティを使用してデータへのアクセスを制御します。
- 可能な限り、フィールドを読み取り専用にするか、読み取り専用属性を使用して、データが誤って変更されるのを防ぎます。
- カプセル化の原則に従い、関連するデータと動作を同じクラスにカプセル化して、コードの可読性と保守性を向上させます。
- 過剰なカプセル化を避け、必要なデータとメソッドのみをカプセル化して、過度に複雑なコード構造を避けます。
継承に関する注意事項とベストプラクティス:
- 継承を使用してクラス間の共有と再利用を実現しますが、深すぎる継承や複雑すぎる継承を避けるために適度な継承の原則に従ってください。
- クラスの単一責任原則を考慮し、継承関係が現実世界のオブジェクトの関係と一致することを確認します。
- 具象クラスからの継承のみに依存するのではなく、抽象クラスまたは抽象インターフェイスを使用して共有動作を定義します。
- 複雑さや不必要な結合を避けるために、多重継承は慎重に使用してください。
ポリモーフィズムに関する注意事項とベストプラクティス:
- インターフェイスはより緩やかな結合とより高い柔軟性を提供するため、ポリモーフィズムにはインターフェイスが推奨されます。
- さまざまな型のより多くのオブジェクトを受け取るために、メソッドのパラメーターまたは戻り値の型として抽象クラスまたはインターフェイスを使用してみてください。
- メソッドをオーバーライドするときは、基本クラスのメソッドの規約に従い、派生クラスに適切な実装を提供するようにしてください。
- ポリモーフィズムを壊さないように、基本クラスで具体的な実装メソッドを使用することは避けてください。
一般的な考慮事項とベストプラクティス:
- 単一責任原則、オープンクローズ原則、リスコフ置換原則などのオブジェクト指向設計原則に従います。
- 過度に複雑で厳格な継承関係を避けるために、継承ではなく合成を使用するようにしてください。
- コードをクリーンで読みやすい状態に保ち、過剰な設計や複雑な階層を避けます。
- 適切な名前とコメントを使用して、コードの理解性と保守性を向上させます。
- デザインパターンとベストプラクティスを適用して、一般的なオブジェクト指向プログラミングの問題を解決します。

6. まとめ

オブジェクト指向プログラミングでは、カプセル化、継承、ポリモーフィズムが 3 つの中心的な概念であり、ソフトウェアシステムの設計と実装において重要な役割を果たします。
カプセル化とは、データと動作をクラスにカプセル化することであり、パブリックインターフェイスを定義し、内部実装の詳細を隠すことで、データアクセスの制御と保護を提供し、コードの保守性とセキュリティを強化します。
継承により、既存のクラスに基づいて新しいクラスを作成し、親クラスのプロパティとメソッドを継承することでコードの再利用と拡張を実現できます。継承を通じて、クラス間の階層関係を確立し、サブクラスに新しい関数を追加したり、親クラスの動作をオーバーライドしたりできます。
ポリモーフィズムにより、統一されたインターフェイスを使用してさまざまなタイプのオブジェクトを処理できるようになり、コードの柔軟性とスケーラビリティが実現します。ポリモーフィズムを通じて、実行時にオブジェクトの実際の型を判断し、オブジェクトの型に応じて対応するメソッドを呼び出すことができます。
カプセル化、継承、ポリモーフィズムを組み合わせることで、オブジェクト指向プログラミングは高度にモジュール化され、柔軟性があり、保守しやすくなります。これらを合理的に使用すると、コードの可読性、拡張性、再利用性が向上し、コードの複雑さと結合が軽減されます。
カプセル化、継承、ポリモーフィズムを使用する場合は、コードの品質と保守性を確保するために、単一責任原則、オープンクローズ原則、リスコフ置換原則などのいくつかのベストプラクティスと設計原則に従う必要があります。。