Использование делегатов как классов и как функционалов на примере алгоритма сортировки

Аннотация

Данная статья описывает концепцию делегатов как классов и как функционалов, основные нотации данной технологии, также здесь приведены примеры использования делегатов в разных нотациях; коды реализованы средствами Microsoft Visual Studio 2010.

Полный текст

Прежде чем перейти непосредственно к описанию применения делегатов в различных алгоритмах, необходимо рассмотреть ряд вопросов, касающихся самой концепции программирования с использованием делегатов. Слово «делегат» (delegate) используется в C# для обозначения хорошо известного понятия. Делегат задает определение функционального типа (класса) данных. Экземплярами класса являются функции. Описание делегата в языке C# представляет собой описание еще одного частного случая класса. Каждый делегат описывает множество функций с заданной сигнатурой. Каждая функция (метод), сигнатура которого совпадает с сигнатурой делегата, может рассматриваться как экземпляр класса, заданного делегатом. Синтаксис объявления делегата имеет следующий вид: [<спецификатор доступа>] delegate <тип результата > <имя класса> (<список аргументов>); Этим объявлением класса задается функциональный тип - множество функций с заданной сигнатурой, у которых аргументы определяются списком, заданным в объявлении делегата, и тип возвращаемого значения определяется типом результата делегата. Для объявления делегата, как и у всякого класса, есть две возможности: · непосредственно в пространстве имен, наряду с объявлениями других классов, структур, интерфейсов; · внутри другого класса, наряду с объявлениями методов и свойств. Такое объявление рассматривается как объявление вложенного класса. Так же, как и интерфейсы C#, делегаты не задают реализации. Фактически между некоторыми классами и делегатом заключается контракт на реализацию делегата. Классы, согласные с контрактом, должны объявить у себя статические или динамические функции, сигнатура которых совпадает с сигнатурой делегата. Если контракт выполняется, то можно создать экземпляры делегата, присвоив им в качестве значений функции, удовлетворяющие контракту. Контракт является жестким: не допускается ситуация, при которой у делегата тип параметра - object, а у экземпляра соответствующий параметр имеет тип, согласованный с object, например, int. Рассмотрим пример объявления 3 делегатов, поместив два из них в пространство имен, третий вложим непосредственно в создаваемый нами класс. Ключевое слово ref используется для передачи аргументов по ссылке. В результате все изменения параметра в методе будут отражены в переменной при передаче элемента управления обратно в вызывающий метод. Для работы с параметром ref при определении метода, вызывающего этот параметр, должны явно использовать ключевое слово ref. using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; namespace delegates_0 { //объявление классов - делегатов 2 в пространстве имен delegate void Proc(ref int x); delegate void MesToPers(string s); class OwnDel { public delegate int Fun1(int x);// //объявление класса - делегата внутри класса int Plus1( int x){return(x+100);}//Plus1 int Minus1(int x){return(x-100);}//Minus1 void Plus(ref int x){x+= 100;} void Minus(ref int x){x-=100;} //поля класса public Proc p1; public Fun1 f1; char sign; //конструктор public OwnDel(char sign) { this.sign = sign; if (sign == '+') {p1 = new Proc(Plus); f1 = new Fun1(Plus1);} else {p1 = new Proc(Minus); f1 = new Fun1(Minus1);} } }//конец описания класс OwnDel class Program { static void Main(string[] args) { int account = 1000, account1 = 0; OwnDel oda = new OwnDel('+'); Console.WriteLine("account = {0}, account1 = {1}", account, account1); oda.p1(ref account); account1 = oda.f1(account); Console.WriteLine("account = {0}, account1 = {1}", account, account1); Console.ReadLine(); } } } Клиент класса OwnDel создает экземпляр класса oda, передавая конструктору знак той операции, которую он хотел бы выполнить над своими счетами - account и account1. Вызов p1 и f1, связанных к моменту вызова с закрытыми методами класса, приводит к выполнению нужных функций. Одно из наиболее важных применений делегатов связано с функциями высших порядков. Функцией высшего порядка называется такая функция (метод) класса, у которой один или несколько аргументов принадлежат к функциональному типу. Без этих функций в программировании обойтись довольно трудно. Классическим примером является функция вычисления интеграла, у которой один из аргументов задает подынтегральную функцию. Другим примером может служить функция, сортирующая объекты. Аргументом ее является функция Compare, сравнивающая два объекта. В зависимости от того, какая функция сравнения будет передана на вход функции сортировки, объекты будут сортироваться по-разному, например, по имени, или по ключу, или по нескольким полям. Вариантов может быть много, и они определяются классом, описывающим сортируемые объекты. using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; namespace delegates_01 { public class HighOrderIntegral { //delegate public delegate double SubIntegralFun(double x); public double EvalIntegral(double a, double b, double eps, SubIntegralFun sif) { int n = 4; double I0 = 0, I1 = I(a, b, n, sif); for (n = 8; n < Math.Pow(2.0, 15.0); n *= 2) { I0 = I1; I1 = I(a, b, n, sif); if (Math.Abs(I1 - I0) < eps) break; } if (Math.Abs(I1 - I0) < eps) Console.WriteLine("Требуемая точность достигнута! " + " eps = {0}, достигнутая точность ={1}, n= {2}", eps, Math.Abs(I1 - I0), n); else Console.WriteLine("Требуемая точность не достигнута! " + " eps = {0}, достигнутая точность ={1}, n= {2}", eps, Math.Abs(I1 - I0), n); return (I1); } private double I(double a, double b, int n, SubIntegralFun sif) { //Вычисляет частную сумму по методу трапеций double x = a, sum = sif(x) / 2, dx = (b - a) / n; for (int i = 2; i <= n; i++) { x += dx; sum += sif(x); } x = b; sum += sif(x) / 2; return (sum * dx); } }//class HighOrderIntegral class functions { //подынтегральные функции static public double sif1(double x) { int k = 1; int b = 2; return (double)(k * x + b); } static public double sif2(double x) { double a = 1.0; double b = 2.0; double c = 3.0; return (double)(a * x * x + b * x + c); } }//class functions class Program { static void Main(string[] args) { double myint1 = 0.0; HighOrderIntegral.SubIntegralFun hoisif1 = new HighOrderIntegral.SubIntegralFun(functions.sif1); HighOrderIntegral hoi = new HighOrderIntegral(); myint1 = hoi.EvalIntegral(2, 3, 0.1e-5, hoisif1); Console.WriteLine("Мой интеграл1 = {0}", myint1); HighOrderIntegral.SubIntegralFun hoisif2 = new HighOrderIntegral.SubIntegralFun(functions.sif2); myint1 = hoi.EvalIntegral(2, 3, 0.1e-5, hoisif2); Console.WriteLine("Мой интеграл2 = {0}", myint1); Console.ReadLine(); } } } Приведем некоторые пояснения: · Класс HighOrderIntegral предназначен для работы с функциями. В него вложено описание функционального класса - делегата SubIntegralFun, задающего класс функций с одним аргументом типа double, возвращающих значение этого же типа. · Метод EvalIntegral - основной метод класса, позволяет вычислять определенный интеграл. Этот метод есть функция высшего порядка, поскольку одним из его аргументов является подынтегральная функция, принадлежащая классу SubIntegralFun. · Для вычисления интеграла применяется классическая схема. Интервал интегрирования разбивается на n частей, и вычисляется частичная сумма по методу трапеций, представляющая приближенное значение интеграла. Затем n удваивается, и вычисляется новая сумма. Если разность двух приближений по модулю меньше заданной точности eps, то вычисление интеграла заканчивается, иначе процесс повторяется в цикле. Цикл завершается либо по достижении заданной точности, либо когда n достигнет некоторого предельного значения (в нашем случае - 215). · Вычисление частичной суммы интеграла по методу трапеций реализовано закрытой процедурой I. · В классе Functions описано несколько функций, удовлетворяющих контракту, который задан классом SubIntegralFun. Чаще всего создание экземпляров удобнее возложить на класс, создающий требуемые функции. Более того, в этом классе делегат можно объявить как свойство класса. Такой подход, во-первых, с пользователей класса снимает заботу создания делегатов, что требует некоторой квалификации, которой у пользователя может и не быть. Во-вторых, делегаты создаются динамически, в тот момент, когда они требуются. Это важно как при работе с функциями высших порядков, когда реализаций, например, подынтегральных функций, достаточно много, так и при работе с событиями класса, в основе которых лежат делегаты. Рассмотрим пример, демонстрирующий и поясняющий эту возможность при работе с функциями высших порядков. Спроектируем два класса: · класс объектов Person с полями: имя, идентификационный номер, зарплата. В этом классе определим различные реализации функции Compare, позволяющие сравнивать два объекта по имени, по номеру, по зарплате, по нескольким полям. Самое интересное, ради чего и строится данный пример: для каждой реализации Compare будет построена процедура-свойство, которая задает реализацию делегата, определенного в классе Persons; · класс Persons будет играть роль контейнера объектов Person. В этом классе определены операции над объектами. Среди операций нас, прежде всего, будет интересовать сортировка объектов, реализованная в виде функции высших порядков. Функциональный параметр будет задавать класс функций сравнения объектов, реализации которых находятся в классе Person. Делегат, определяющий класс функций сравнения, будет задан в классе Persons. Приведем полный код приложения. using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; namespace delegates2 { public class Person { //конструкторы public Person() { name = ""; id = 0; salary = 0.0; } public Person(string name) { this.name = name; } public Person(string name, int id, double salary) { this.name = name; this.id = id; this.salary = salary; } public Person(Person pers) { this.name = pers.name; this.id = pers.id; this.salary = pers.salary; } //методы public void ToPerson(string mes) { this.message = mes; Console.WriteLine("{0}, {1}", name, message); } //свойства private string name; private int id; private double salary; private string message; //доступ к свойствам public string Name { get { return (name); } set { name = value; } } public double Salary { get { return (salary); } set { salary = value; } } public int Id { get { return (id); } set { id = value; } } private static int CompareName(Person obj1, Person obj2) { return (string.Compare(obj1.name, obj2.name)); } private static int CompareId(Person obj1, Person obj2) { if (obj1.id > obj2.id) return (1); else return (-1); } private static int CompareSalary(Person obj1, Person obj2) { if (obj1.salary > obj2.salary) return (1); else if (obj1.salary < obj2.salary) return (-1); else return (0); } private static int CompareSalaryName(Person obj1, Person obj2) { if (obj1.salary > obj2.salary) return (1); else if (obj1.salary < obj2.salary) return (-1); else return (string.Compare(obj1.name, obj2.name)); } // реализация делегата CompareItems из класса Persons как свойства public static Persons.CompareItems SortByName { get { return (new Persons.CompareItems(CompareName)); } } public static Persons.CompareItems SortById { get { return (new Persons.CompareItems(CompareId)); } } public static Persons.CompareItems SortBySalary { get { return (new Persons.CompareItems(CompareSalary)); } } public static Persons.CompareItems SortBySalaryName { get { return (new Persons.CompareItems(CompareSalaryName)); } } }//class Person public class Persons {//контейнер объектов Person //делегат public delegate int CompareItems(Person obj1, Person obj2); private int freeItem = 0; const int n = 100; private Person[] persons = new Person[n]; public void AddPerson(Person pers) { if (freeItem < n) { Person p = new Person(pers); persons[freeItem++] = p; } else Console.WriteLine("Не могу добавить Person"); } public void LoadPersons() { //реально загрузка должна идти из базы данных AddPerson(new Person("Петров", 123, 750.0)); AddPerson(new Person("Петров", 128, 850.0)); AddPerson(new Person("Сидоров", 223, 750.0)); AddPerson(new Person("Орлов", 129, 800.0)); AddPerson(new Person("Соколов", 133, 1750.0)); AddPerson(new Person("Орлов", 119, 750.0)); AddPerson(new Person("Орлов", 120, 750.0)); }//LoadPersons public void PrintPersons() { for (int i = 0; i < freeItem; i++) { Console.WriteLine("{0,10} {1,5} {2,5}", persons[i].Name, persons[i].Id, persons[i].Salary); } }//PrintPersons // Определим метод сортировки записей с функциональным параметром, задающим тот или иной способ сравнения элементов: //сортировка public void SimpleSortPerson(CompareItems compare) { Person temp = new Person(); for (int i = 1; i < freeItem; i++) for (int j = freeItem - 1; j >= i; j--) if (compare(persons[j], persons[j - 1]) == -1) { temp = persons[j - 1]; persons[j - 1] = persons[j]; persons[j] = temp; } }//SimpleSortObject }//Persons class Program { static void Main() { Persons persons = new Persons(); persons.LoadPersons(); Console.WriteLine("Сортировка по имени: "); persons.SimpleSortPerson(Person.SortByName); persons.PrintPersons(); Console.WriteLine("Сортировка по идентификатору: "); persons.SimpleSortPerson(Person.SortById); persons.PrintPersons(); Console.WriteLine("Сортировка по зарплате: "); persons.SimpleSortPerson(Person.SortBySalary); persons.PrintPersons(); Console.WriteLine("Сортировка по зарплате и имени: "); persons.SimpleSortPerson(Person.SortBySalaryName); persons.PrintPersons(); Console.ReadLine(); } } } Таким образом, реализация делегатов дает широкие возможности в интеллектуализации методов, расширяя понятия шаблонных и полиморфных методов в парадигме объектно-ориентированного программирования.