Наследование (программирование)

Наследование (англ. inheritance) — концепция объектно-ориентированного программирования, согласно которой абстрактный тип данных может наследовать данные и функциональность некоторого существующего типа, способствуя повторному использованию компонентов программного обеспечения.

Терминология

В объектно-ориентированном программировании, начиная с Simula 67, абстрактные типы данных называются классами.

Суперкласс (англ. super class), родительский класс (англ. parent class), предок, родитель или надкласс — класс, производящий наследование в подклассах, т. е. класс, от которого наследуются другие классы. Суперклассом может быть подкласс, базовый класс, абстрактный класс и интерфейс.

Подкласс (англ. subclass), производный класс (англ. derived class), дочерний класс (англ. child class), класс потомок, класс наследник или класс-реализатор — класс, наследуемый от суперкласса или интерфейса, т. е. класс определённый через наследование от другого класса или нескольких таких классов. Подклассом может быть суперкласс.

Базовый класс (англ. base class) — это класс, находящийся на вершине иерархии наследования классов и в основании дерева подклассов, т. е. не являющийся подклассом и не имеющий наследований от других суперклассов или интерфейсов. Базовым классом может быть абстрактный класс и интерфейс. Любой не базовый класс является подклассом.

Интерфейс (англ. interface) — это структура, определяющая чистый интерфейс класса, состоящий из абстрактных методов. Интерфейсы участвуют в иерархии наследований классов и интерфейсов.

Суперинтерфейс (англ. super interface) или интерфейс-предок — это аналог суперкласса в иерархии наследований, т. е. это интерфейс производящий наследование в подклассах и подинтерфейсах.

Интерфейс-потомок, интерфейс-наследник или производный интерфейс (англ. derived interface) — это аналог подкласса в иерархии наследований интерфейсов, т. е. это интерфейс наследуемый от одного или нескольких суперинтерфейсов.

Базовый интерфейс — это аналог базового класса в иерархии наследований интерфейсов, т. е. это интерфейс, находящийся на вершине иерархии наследования.

Иерархия наследования или иерархия классов — дерево, элементами которого являются классы и интерфейсы.

Применение

Наследование является механизмом повторного использования кода (англ. code reuse) и способствует независимому расширению программного обеспечения через открытые классы (англ. public classes) и интерфейсы (англ. interfaces). Установка отношения наследования между классами порождает иерархию классов (англ. class hierarchy).

Наследование и полиморфизм подтипов

Часто наследование отождествляют с полиморфизмом подтипов (англ. subtyping):

Концептуально, полиморфизм подтипов устанавливает отношение: «является» (англ. is-a relationship), — тем самым имитируя семантическое отношение наследования;
В свою очередь наследование в большей степени относится к повторному использованию кода, то есть определяет синтаксическое отношение.

Несмотря на приведённое выше замечание, наследование является широко используемым механизмом установки отношения «является» (англ. is-a relationship). Некоторые языки программирования согласуют наследование и полиморфизм подтипов (в основном, это относится к языкам со статической типизацией: C++, C#, Java и Scala) — в то время как другие разделяют вышеописанные концепции.

Наследование, — даже в языках программирования, которые поддерживают применение наследования как механизма, обеспечивающего полиморфизм подтипов, — не гарантирует поведенческий полиморфизм подтипов; смотри: «Принцип подстановки» Барбары Лисков.

Типы наследования

«Простое» наследование

«Простое» наследование, иногда называемое одиночным наследованием, описывает родство между двумя классами: один из которых наследует второму. Из одного класса могут выводиться многие классы, но даже в этом случае подобный вид взаимосвязи остается «простым» наследованием.

Абстрактные классы и создание объектов

Для некоторых языков программирования справедлива следующая концепция.

Существуют «абстрактные» классы (объявляемые таковыми произвольно или из-за приписанных им абстрактных методов); их можно описывать имеющими поля и методы. Создание же объектов (экземпляров) означает конкретизацию, применимую лишь к неабстрактным классам (в том числе, к неабстрактным наследникам абстрактных), — представителями которых, по итогу, будут созданные объекты.

Пример: Пусть базовый класс «Сотрудник ВУЗа», — от которого наследуются классы «Аспирант» и «Профессор», — абстрактный. Общие поля и функции классов (например, поле «Год рождения») могут быть описаны в базовом классе. И в программе будут созданы объекты только производных классов: «Аспирант» и «Профессор»; обычно нет смысла создавать объекты базовых классов.

Множественное наследование

При множественном наследовании у класса может быть более одного предка. В этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого подхода в большей гибкости.

Множественное наследование реализовано в C++. Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить Python и Eiffel. Множественное наследование поддерживается в языке UML.

Множественное наследование — потенциальный источник ошибок, которые могут возникнуть из-за наличия одинаковых имён методов в предках. В языках, которые позиционируются как наследники C++ (Java, C# и другие), от множественного наследования было решено отказаться в пользу интерфейсов. Практически всегда можно обойтись без использования данного механизма. Однако, если такая необходимость всё-таки возникла, то для разрешения конфликтов использования наследованных методов с одинаковыми именами возможно, например, применить операцию расширения видимости — «::» — для вызова конкретного метода конкретного родителя.

Попытка решения проблемы наличия одинаковых имён методов в предках была предпринята в языке Eiffel, в котором при описании нового класса необходимо явно указывать импортируемые члены каждого из наследуемых классов и их именование в дочернем классе.

Большинство современных объектно-ориентированных языков программирования (C#, Java, Delphi и другие) поддерживают возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм позволяет во многом заменить множественное наследование — методы интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при наследовании функциональности одинаковых методов различных классов-предков.

Единый базовый класс

В ряде языков программирования, все классы, — явно или неявно, — наследуются от некоего базового класса. Smalltalk был одним из первых языков, в которых использовалась эта концепция. К таким языкам также относятся: Objective-C (класс NSObject), Perl (UNIVERSAL), Eiffel (ANY), Java (java.lang.Object), C# (System.Object), Delphi (TObject), Scala (Any).

Наследование в языках программирования

C++

Наследование в C++:

class A {}; // Базовый класс

class B : public A {}; // Public-наследование
class C : protected A {}; // Protected-наследование
class Z : private A {}; // Private-наследование

В C++ существует три типа наследования: public, protected, private. Спецификаторы доступа членов базового класса меняются в потомках следующим образом:

Если класс объявлен как базовый для другого класса со спецификатором доступа …
- … public:
  - public-члены базового класса — доступны как public-члены производного класса;
  - protected-члены базового класса — доступны как protected-члены производного класса;
- … protected:
  - public- и protected-члены базового класса — доступны как protected-члены производного класса;
- … private:
  - public- и protected-члены базового класса — доступны как private-члены производного класса.

Одним из основных преимуществ public-наследования является то, что указатель на классы-наследники может быть неявно преобразован в указатель на базовый класс, то есть для примера выше можно написать:

A* a = new B();

Эта интересная особенность открывает возможность динамической идентификации типа (RTTI).

Delphi (Object Pascal)

Для использования механизма наследования в Delphi необходимо в объявлении класса в скобках class указать класс предок:

Предок:

TAncestor = class
private
protected
public
  // Виртуальная процедура
  procedure VirtualProcedure; virtual; abstract; 
  procedure StaticProcedure;
end;

Наследник:

TDescendant = class(TAncestor)
private
protected
public
  // Перекрытие виртуальной процедуры
  procedure VirtualProcedure; override;
  procedure StaticProcedure;
end;

Абсолютно все классы в Delphi являются потомками класса TObject. Если класс-предок не указан, то подразумевается, что новый класс является прямым потомком класса TObject.

Множественное наследование в Delphi изначально принципиально не поддерживается, однако для тех, кому без этого не обойтись всё же имеются такие возможности, например, за счёт использования классов-помощников (Сlass Helpers).

Python

Python поддерживает как одиночное, так и множественное наследование. При доступе к атрибуту, просмотр производных классов происходит в порядке разрешения метода (англ. method resolution order, MRO)^[1].

class Ancestor1(object):   # Предок-1
    def m1(self): pass
class Ancestor2(object):   # Предок-2
    def m1(self): pass
class Descendant(Ancestor1, Ancestor2):   # Наследник
    def m2(self): pass

d = Descendant()           # Инстанциация
print d.__class__.__mro__  # Порядок разрешения метода:

(<class '__main__.Descendant'>, <class '__main__.Ancestor1'>, <class '__main__.Ancestor2'>, <type 'object'>)

С версии Python 2.2 в языке сосуществуют «классические» классы и «новые» классы. Последние являются наследниками object. «Классические» классы будут поддерживаться вплоть до версии 2.6, но удалены из языка в Python 3.0.

Множественное наследование применяется в Python, в частности, для введения в основной класс классов-примесей (англ. mix-in).

PHP

Для использования механизма наследования в PHP необходимо в объявлении класса после имени объявляемого класса-наследника указать слово extends и имя класса-предка:

class Descendant extends Ancestor {
}

В случае перекрытия классом-наследником методов предка, доступ к методам предка можно получить с использованием ключевого слова parent:

class A {
  function example() {
    echo "Вызван метод A::example().<br />\n";
  }
}

class B extends A {
  function example() {
    echo "Вызван метод B::example().<br />\n";
    parent::example();
  }
}

Можно предотвратить перекрытие классом-наследником методов предка; для этого необходимо указать ключевое слово final:

class A {
  final function example() {
    echo "Вызван метод A::example().<br />\n";
  }
}

class B extends A {
  function example() { //вызовет ошибку
    parent::example(); //и никогда не выполнится
  }
}

Чтобы при наследовании обратиться к конструктору родительского класса, необходимо дочернему классу в конструкторе указать parent::__construct();^[2]

Objective-C

@interface A : NSObject 
- (void) example;
@end

@implementation
- (void) example
{
    NSLog(@"Class A");
}
@end

@interface B : A
- (void) example;
@end

@implementation
- (void) example
{
    NSLog(@"Class B");
}
@end

В интерфейсе объявляют методы, которые будут видны снаружи класса (public).

Внутренние методы можно реализовывать без интерфейса. Для объявления дополнительных свойств, пользуются interface-extension в файле реализации.

Все методы в Objective-C виртуальные.

Java

Пример наследования от одного класса и двух интерфейсов:

        public class A { }
        public interface I1 { }
        public interface I2 { }
        public class B extends A implements I1, I2 { }

Директива final в объявлении класса делает наследование от него невозможным.

C#

Пример наследования от одного класса и двух интерфейсов:

        public class A { }
        public interface I1 { }
        public interface I2 { }
        public class B : A, I1, I2 { }

Наследование от типизированных классов можно осуществлять, указав фиксированный тип, либо путём переноса переменной типа в наследуемый класс:

        public class A<T>
        { }
        public class B : A<int>
        { }
        public class B2<T> : A<T>
        { }

Допустимо также наследование вложенных классов от классов, их содержащих:

    class A // default class A is internal, not public class B can not be public

    {
        class B : A { }
    }

Директива sealed в объявлении класса делает наследование от него невозможным.^[3]

Ruby

class Parent

  def public_method
    "Public method"
  end

  private

    def private_method
      "Private method"
    end

end

class Child < Parent

  def public_method
    "Redefined public method"
  end

  def call_private_method
    "Ancestor's private method: " + private_method
  end

end

Класс Parent является предком для класса Child, у которого переопределён метод public_method.

child = Child.new
child.public_method #=> "Redefined public method"
child.call_private_method #=> "Ancestor's private method: Private method"

Приватные методы предка можно вызывать из наследников.

JavaScript

class Parent {
  constructor(data) {
    this.data = data;
  }
  
  publicMethod() {
    return 'Public Method';
  }
}

class Child extends Parent {
  getData() {
    return `Data: ${this.data}`;
  }

  publicMethod() {
    return 'Redefined public method';
  }
}

const test = new Child('test');

test.getData(); // => 'Data: test'
test.publicMethod(); // => 'Redefined public method'
test.data; // => 'test'

Класс Parent является предком для класса Child, у которого переопределен метод publicMethod.

В JavaScript используется прототипное наследование.

Конструкторы и деструкторы

В C++ конструкторы при наследовании вызываются последовательно от самого раннего предка до самого позднего потомка, а деструкторы наоборот — от самого позднего потомка до самого раннего предка.

class First
{
public:
    First()  { cout << ">>First constructor" << endl; }
    ~First() { cout << ">>First destructor" << endl; }
};

class Second: public First
{
public:
    Second()  { cout << ">Second constructor" << endl; }
    ~Second() { cout << ">Second destructor" << endl; }
};

class Third: public Second
{
public:
    Third()  { cout << "Third constructor" << endl; }
    ~Third() { cout << "Third destructor" << endl; }
};

// выполнение кода
Third *th = new Third();
delete th;

// результат вывода
/*
>>First constructor
>Second constructor
Third constructor

Third destructor
>Second destructor
>>First destructor
*/

Ссылки

Примечания

↑ о порядке разрешения метода в Python
↑ Что такое объектно-ориентированное программирование (неопр.). wh-db.com (30 июня 2015).

[1] о порядке разрешения метода в Python

[2] Что такое объектно-ориентированное программирование (неопр.). wh-db.com (30 июня 2015).

[3] C# Language Specification Version 4.0, Copyright © Microsoft Corporation 1999—2010

[1]

[2]

[3]