C# - 继承

继承是面向对象编程（OOP）的基本支柱。它允许一个类继承另一个类（称为基类或父类）的字段和方法。继承的类称为派生类（或子类）。这种机制促进了代码的复用性，有助于建模现实世界中的“is-a”（是）关系，从而创建更具组织性和可维护性的应用程序。

通过使用继承，你可以创建一个定义通用功能的通用基类，然后创建更具体的派生类来添加或修改这些功能。例如，Car（汽车）是一种Vehicle（交通工具），而Bicycle（自行车）是一种Vehicle。Vehicle将是基类，而Car和Bicycle将是派生类。

基类和派生类

在 C# 中，一个类只能从一个基类继承（单继承），但可以实现多个接口。这种设计避免了与多重类继承相关的复杂性和歧义问题，例如“菱形问题”。

语法

创建派生类的语法很简单。你指定派生类名，后跟一个冒号（:），然后是基类名。

// 基类
public class BaseClass
{
    // 基类的成员
}

// 派生类
public class DerivedClass : BaseClass
{
    // 派生类的成员
}

继承示例

让我们使用现代 C# 属性和构造函数，对经典的 Shape（形状）和 Rectangle（矩形）示例进行现代化改造。属性提供了一种比公共字段或简单的 getter/setter 方法更灵活、更安全的数据暴露方式。

using System;

nnamespace InheritanceExample
{
    // 带属性的基类
    public class Shape
    {
        // 宽度和高度的自动实现属性
        public double Width { get; set; }
        public double Height { get; set; }

        public void DisplayDimensions()
        {
            Console.WriteLine($"Width: {Width}, Height: {Height}");
        }
    }

    // 派生类
    public class Rectangle : Shape
    {
        // Rectangle 特有的方法
        public double GetArea() => Width * Height;
    }

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var rect = new Rectangle();

            // 设置从 Shape 继承的属性
            rect.Width = 5.5;
            rect.Height = 3.0;

            rect.DisplayDimensions();

            // 调用派生类的方法
            Console.WriteLine($"Area: {rect.GetArea()}");
        }
    }
}

当上述代码被编译并执行时，会产生以下结果：

Width: 5.5, Height: 3.0
Area: 16.5

初始化基类构造函数

派生类构造函数必须调用其基类的构造函数。如果你不显式调用基类构造函数，编译器将尝试调用基类的默认（无参数）构造函数。要调用特定的基类构造函数，你需要在派生类的构造函数声明中使用 base 关键字。

示例

这是一个示例，展示了 Tabletop 类如何使用构造函数初始化其 Rectangle 基类。

using System;

namespace BaseInitialization
{
    public class Rectangle
    {
        public double Length { get; }
        public double Width { get; }

        // 基类构造函数
        public Rectangle(double length, double width)
        {
            Length = length;
            Width = width;
        }

        public double GetArea() => Length * Width;

        public virtual void Display()
        {
            Console.WriteLine($"Length: {Length}");
            Console.WriteLine($"Width: {Width}");
            Console.WriteLine($"Area: {GetArea()}");
        }
    }

    public class Tabletop : Rectangle
    {
        public decimal CostPerSquareUnit { get; set; }

        // 调用基类构造函数的派生类构造函数
        public Tabletop(double length, double width, decimal costPerSquareUnit) : base(length, width)
        {
            CostPerSquareUnit = costPerSquareUnit;
        }

        public decimal GetTotalCost() => (decimal)GetArea() * CostPerSquareUnit;

        // 覆写 Display 方法以添加更多信息
        public override void Display()
        {
            base.Display(); // 调用基类的 Display 方法
            Console.WriteLine($"Total Cost: {GetTotalCost():C}"); // :C 格式化为货币
        }
    }

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var table = new Tabletop(4.5, 7.5, 70m); // 'm' 后缀表示 decimal 类型
            table.Display();
        }
    }
}

当上述代码被编译并执行时，会产生以下结果：

Length: 4.5
Width: 7.5
Area: 33.75
Total Cost: $2,362.50

方法覆写

派生类可以提供其从基类继承的方法的自己的实现。要覆写一个方法，基类方法必须用 virtual、abstract 或 override 关键字标记。然后，派生类方法必须使用 override 关键字。

示例

这个示例演示了多态性，其中一个 Animal 变量可以持有 Dog 对象，并且调用 MakeSound() 会执行 Dog 类中被覆写的方法。

using System;

public class Animal
{
    public virtual void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("Some generic animal sound");
    }
}

public class Dog : Animal
{
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("Woof! Woof!");
    }
}

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

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        Animal myAnimal = new Animal();
        Animal myDog = new Dog(); // Dog 是一种 Animal
        Animal myCat = new Cat(); // Cat 是一种 Animal

        myAnimal.MakeSound();
        myDog.MakeSound();
        myCat.MakeSound();
    }
}

执行后，该程序会输出：

Some generic animal sound
Woof! Woof!
Meow

使用 `sealed` 阻止继承

你可以通过用 sealed 关键字标记一个类来阻止它被用作基类。这对于不打算被扩展的类很有用。例如，.NET 中的 string 类就是 sealed 的。

public sealed class FinalClass
{
    public void ShowMessage()
    {
        Console.WriteLine("This class cannot be inherited.");
    }
}

// 以下行会导致编译错误：
// public class AttemptToDerive : FinalClass { } // 错误: “AttemptToDerive”: 无法从密封类型“FinalClass”派生

通过接口实现多重继承

尽管 C# 不支持从多个类继承，但一个类可以实现多个接口。接口定义了一个契约——一组实现类必须提供的公共方法和属性。这允许你以安全灵活的方式实现多态性和代码复用。

最佳实践： 当你只需要定义一组能力契约时（例如 ISerializable、IComparable），优先考虑实现接口而非类继承。

示例

在这里，ElectricCar 类继承自 Vehicle，并且还实现了 IDrivable 和 IChargeable 接口，代表了一辆现代电动汽车。

using System;

// 可驾驶物品的接口
public interface IDrivable
{
    void Start();
    void Stop();
    void Drive();
}

// 可充电物品的接口
public interface IChargeable
{
    int BatteryLevel { get; }
    void Charge();
}

// 基类
public abstract class Vehicle
{
    public string Make { get; set; }
    public string Model { get; set; }
}

// 实现多个接口的派生类
public class ElectricCar : Vehicle, IDrivable, IChargeable
{
    public int BatteryLevel { get; private set; } = 50;

    public void Start()
    {
        Console.WriteLine("Electric car started silently.");
    }

    public void Stop()
    {
        Console.WriteLine("Regenerative braking engaged. Car stopped.");
    }

    public void Drive()
    {
        if (BatteryLevel > 0)
        {
            Console.WriteLine("Driving the car, whirring sound.");
            BatteryLevel -= 5;
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("Battery is empty!");
        }
    }

    public void Charge()
    {
        Console.WriteLine("Charging...");
        BatteryLevel = 100;
        Console.WriteLine("Battery fully charged.");
    }
}

public class Program
{
    public static void Main()
    {
        var myTesla = new ElectricCar { Make = "Tesla", Model = "Model Y" };
        myTesla.Start();
        myTesla.Drive();
        Console.WriteLine($"Current battery: {myTesla.BatteryLevel}%");
        myTesla.Charge();
        Console.WriteLine($"Current battery: {myTesla.BatteryLevel}%");
        myTesla.Stop();
    }
}

当上述代码被编译并执行时，会产生类似于以下的结果：

Electric car started silently.
Driving the car, whirring sound.
Current battery: 45%
Charging...
Battery fully charged.
Current battery: 100%
Regenerative braking engaged. Car stopped.

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基类和派生类

语法

继承示例

初始化基类构造函数

示例

方法覆写

示例

使用 sealed 阻止继承

通过接口实现多重继承

示例

使用 `sealed` 阻止继承