Objektorientiertes Programmieren (C#)

Artikel
06/08/2023

C# ist eine objektorientierte Programmiersprache. Die vier Grundprinzipien der objektorientierten Programmierung sind:

Abstraktion: Modellierung der relevanten Attribute und Interaktionen von Entitäten als Klassen, um eine abstrakte Darstellung eines Systems zu definieren
Kapselung: Ausblenden des internen Zustands und der Funktionalität eines Objekts und ausschließliches Zulassen des Zugriffs über eine Reihe von öffentlichen Funktionen
Vererbung: Möglichkeit zum Erstellen neuer Abstraktionen basierend auf vorhandenen Abstraktionen
Polymorphie: Möglichkeit, geerbte Eigenschaften oder Methoden auf unterschiedliche Weise abstraktionsübergreifend zu implementieren

Im vorherigen Tutorial Einführung in Klassen wurden sowohl Abstraktion als auch Kapselung vorgestellt. Die BankAccount-Klasse hat eine Abstraktion für das Konzept eines Bankkontos bereitgestellt. Sie können ihre Implementierung ändern, ohne den Code zu beeinflussen, in dem die BankAccount-Klasse verwendet wurde. Sowohl die BankAccount- als auch die Transaction-Klasse bieten eine Kapselung der Komponenten, die zum Beschreiben dieser Konzepte im Code erforderlich sind.

In diesem Tutorial wird die Anwendung so erweitert, dass Vererbung und Polymorphie zum Hinzufügen neuer Features verwendet werden. Außerdem werden Sie der BankAccount-Klasse Features hinzufügen und dabei die Verfahren Abstraktion und Kapselung einsetzen, die Sie im vorherigen Tutorial kennengelernt haben.

Erstellen unterschiedlicher Kontotypen

Nach der Erstellung dieses Programms erhalten Sie Anforderungen zum Hinzufügen von Features. Dies funktioniert hervorragend, solange nur ein Bankkontotyp vorhanden ist. Im Laufe der Zeit ändern sich die Anforderungen, und entsprechende Kontotypen werden erforderlich:

Ein zinsbringendes Konto, auf dem sich am Ende jedes Monats Zinsen ansammeln.
Eine Kreditlinie, die einen negativen Saldo aufweisen kann, für die aber ggf. monatliche Zinskosten anfallen.
Ein Prepaid-Geschenkkartenkonto, in das einmal eingezahlt wird und von dem nur ausgezahlt werden kann. Dies kann zu Beginn jedes Monats einmal aufgefüllt werden.

All diese unterschiedlichen Konten ähneln der BankAccount-Klasse, die im vorherigen Tutorial definiert wurde. Sie können den betreffenden Code kopieren, die Klassen umbenennen und Änderungen vornehmen. Dieses Verfahren würde kurzfristig funktionieren, aber im Laufe der Zeit mehr Arbeit verursachen. Änderungen müssten über alle betroffenen Klassen kopiert werden.

Stattdessen können Sie neue Bankkontotypen erstellen, die Methoden und Daten von der BankAccount-Klasse erben, die im vorherigen Tutorial erstellt wurde. Diese neuen Klassen können die BankAccount-Klasse durch das spezifische Verhalten erweitern, das für den jeweiligen Typ erforderlich ist:

public class InterestEarningAccount : BankAccount
{
}

public class LineOfCreditAccount : BankAccount
{
}

public class GiftCardAccount : BankAccount
{
}

Jede dieser Klassen erbt das gemeinsame Verhalten von der gemeinsamen Basisklasse, der BankAccount-Klasse. Schreiben Sie die Implementierungen für neue und andere Funktionen in jede der abgeleiteten Klassen. Diese abgeleiteten Klassen verfügen bereits über das gesamte Verhalten, das in der BankAccount-Klasse definiert ist.

Es empfiehlt sich, jede neue Klasse in einer anderen Quelldatei zu erstellen. In Visual Studio können Sie mit der rechten Maustaste auf das Projekt klicken und Klasse hinzufügen auswählen, um eine neue Klasse in einer neuen Datei hinzuzufügen. Wählen Sie in Visual Studio Code die Option Datei und dann Neu aus, um eine neue Quelldatei zu erstellen. Benennen Sie in beiden Tools die Datei entsprechend dem Klassennamen um: InterestEarningAccount.cs, LineOfCreditAccount.cs und GiftCardAccount.cs.

Wenn Sie die Klassen wie im obigen Beispiel gezeigt erstellen, werden Sie feststellen, dass keine der abgeleiteten Klassen kompiliert wird. Ein Konstruktor ist für die Initialisierung eines Objekts verantwortlich. Der Konstruktor einer abgeleiteten Klasse muss die abgeleitete Klasse initialisieren und Anweisungen dazu bereitstellen, wie das in der abgeleiteten Klasse enthaltene Basisklassenobjekt zu initialisieren ist. Die ordnungsgemäße Initialisierung erfolgt normalerweise ohne zusätzlichen Code. Die BankAccount-Klasse deklariert einen öffentlichen Konstruktor mit der folgenden Signatur:

public BankAccount(string name, decimal initialBalance)

Der Compiler generiert keinen Standardkonstruktor, wenn Sie selbst einen Konstruktor definieren. Dies bedeutet, dass jede abgeleitete Klasse diesen Konstruktor explizit aufrufen muss. Sie deklarieren einen Konstruktor, der Argumente an den Basisklassenkonstruktor übergeben kann. Der folgende Code zeigt den Konstruktor für InterestEarningAccount:

public InterestEarningAccount(string name, decimal initialBalance) : base(name, initialBalance)
{
}

Die Parameter für diesen neuen Konstruktor entsprechen dem Parametertyp und den Namen des Basisklassenkonstruktors. Verwenden Sie die : base()-Syntax, um einen Aufruf an einen Basisklassenkonstruktor anzugeben. Einige Klassen definieren mehrere Konstruktoren, und mit dieser Syntax können Sie den aufzurufenden Basisklassenkonstruktor auswählen. Nachdem Sie die Konstruktoren aktualisiert haben, können Sie den Code für die einzelnen abgeleiteten Klassen entwickeln. Die Anforderungen für die neuen Klassen können wie folgt angegeben werden:

Ein zinsbringendes Konto:
- Erhält eine Gutschrift von 2 % des Saldos am Monatsende.
Eine Kreditlinie:
- Kann einen negativen Saldo aufweisen, aber als absoluter Wert die Kreditlinie nicht überschreiten.
- Es fallen monatlich Zinsgebühren an, wenn der Saldo am Monatsende nicht 0 ist.
- Für jede Abbuchung, die die Kreditlinie überschreitet, wird eine Gebühr erhoben.
Ein Geschenkkartenkonto:
- Kann einmal monatlich am letzten Tag des Monats mit einem angegebenen Betrag aufgefüllt werden.

Sie sehen, dass alle drei Kontotypen über eine Aktion verfügen, die am Ende jedes Monats stattfindet. Jeder Kontotyp führt jedoch unterschiedliche Aufgaben aus. Sie verwenden Polymorphie, um diesen Code zu implementieren. Erstellen Sie eine einzelne virtual-Methode in der BankAccount-Klasse:

public virtual void PerformMonthEndTransactions() { }

Der obige Code zeigt, wie Sie mit dem virtual-Schlüsselwort eine Methode in der Basisklasse deklarieren, für die eine abgeleitete Klasse eine andere Implementierung bereitstellen kann. Bei einer virtual-Methode handelt es sich um eine Methode, bei der jede abgeleitete Klasse eine Neuimplementierung auswählen kann. Die abgeleiteten Klassen verwenden das override-Schlüsselwort, um die neue Implementierung zu definieren. Dieser Vorgang wird normalerweise als „Überschreiben der Basisklassenimplementierung“ bezeichnet. Das virtual-Schlüsselwort gibt an, dass abgeleitete Klassen das Verhalten außer Kraft setzen können. Sie können auch abstract-Methoden deklarieren, bei denen abgeleitete Klassen das Verhalten außer Kraft setzen müssen. Die Basisklasse stellt keine Implementierung für eine abstract-Methode bereit. Als nächstes müssen Sie die Implementierung für zwei der neu erstellten Klassen definieren. Beginnen Sie mit dem InterestEarningAccount:

public override void PerformMonthEndTransactions()
{
    if (Balance > 500m)
    {
        decimal interest = Balance * 0.02m;
        MakeDeposit(interest, DateTime.Now, "apply monthly interest");
    }
}

Fügen Sie dem LineOfCreditAccount folgenden Code hinzu. Der Code negiert den Saldo, um eine positive Zinsgebühr zu berechnen, die vom Konto abgebucht wird:

public override void PerformMonthEndTransactions()
{
    if (Balance < 0)
    {
        // Negate the balance to get a positive interest charge:
        decimal interest = -Balance * 0.07m;
        MakeWithdrawal(interest, DateTime.Now, "Charge monthly interest");
    }
}

Für die GiftCardAccount-Klasse sind zwei Änderungen erforderlich, um die Funktion am Monatsende zu implementieren. Ändern Sie zunächst den Konstruktor so, dass er einen optionalen Betrag enthält, der monatlich hinzugefügt werden soll:

private readonly decimal _monthlyDeposit = 0m;

public GiftCardAccount(string name, decimal initialBalance, decimal monthlyDeposit = 0) : base(name, initialBalance)
    => _monthlyDeposit = monthlyDeposit;

Der Konstruktor stellt einen Standardwert für den monthlyDeposit-Wert bereit, sodass Aufrufer keine 0 eingeben müssen, wenn keine monatliche Einzahlung erfolgt. Überschreiben Sie als nächstes die PerformMonthEndTransactions-Methode, um die monatliche Einzahlung hinzuzufügen, falls sie im Konstruktor auf einen Wert ungleich 0 festgelegt wurde:

public override void PerformMonthEndTransactions()
{
    if (_monthlyDeposit != 0)
    {
        MakeDeposit(_monthlyDeposit, DateTime.Now, "Add monthly deposit");
    }
}

Durch die Überschreibung wird die im Konstruktor festgelegte monatliche Einzahlung angewendet. Fügen Sie der Main-Methode den folgenden Code hinzu, um diese Änderungen für das GiftCardAccount und das InterestEarningAccount zu testen:

var giftCard = new GiftCardAccount("gift card", 100, 50);
giftCard.MakeWithdrawal(20, DateTime.Now, "get expensive coffee");
giftCard.MakeWithdrawal(50, DateTime.Now, "buy groceries");
giftCard.PerformMonthEndTransactions();
// can make additional deposits:
giftCard.MakeDeposit(27.50m, DateTime.Now, "add some additional spending money");
Console.WriteLine(giftCard.GetAccountHistory());

var savings = new InterestEarningAccount("savings account", 10000);
savings.MakeDeposit(750, DateTime.Now, "save some money");
savings.MakeDeposit(1250, DateTime.Now, "Add more savings");
savings.MakeWithdrawal(250, DateTime.Now, "Needed to pay monthly bills");
savings.PerformMonthEndTransactions();
Console.WriteLine(savings.GetAccountHistory());

Überprüfen Sie die Ergebnisse. Fügen Sie jetzt einen ähnlichen Testcode für das LineOfCreditAccount hinzu:

var lineOfCredit = new LineOfCreditAccount("line of credit", 0);
// How much is too much to borrow?
lineOfCredit.MakeWithdrawal(1000m, DateTime.Now, "Take out monthly advance");
lineOfCredit.MakeDeposit(50m, DateTime.Now, "Pay back small amount");
lineOfCredit.MakeWithdrawal(5000m, DateTime.Now, "Emergency funds for repairs");
lineOfCredit.MakeDeposit(150m, DateTime.Now, "Partial restoration on repairs");
lineOfCredit.PerformMonthEndTransactions();
Console.WriteLine(lineOfCredit.GetAccountHistory());

Wenn Sie den vorangehenden Code hinzufügen und das Programm ausführen, wird in etwa folgender Fehler angezeigt:

Unhandled exception. System.ArgumentOutOfRangeException: Amount of deposit must be positive (Parameter 'amount')
   at OOProgramming.BankAccount.MakeDeposit(Decimal amount, DateTime date, String note) in BankAccount.cs:line 42
   at OOProgramming.BankAccount..ctor(String name, Decimal initialBalance) in BankAccount.cs:line 31
   at OOProgramming.LineOfCreditAccount..ctor(String name, Decimal initialBalance) in LineOfCreditAccount.cs:line 9
   at OOProgramming.Program.Main(String[] args) in Program.cs:line 29

Hinweis

Die tatsächliche Ausgabe enthält den vollständigen Pfad zum Ordner mit dem Projekt. Die Ordnernamen wurden zur Kürzung ausgelassen. Abhängig von Ihrem Codeformat können auch die Zeilennummern leicht abweichen.

Dieser Code verursacht einen Fehler, weil BankAccount von einem Anfangssaldo größer als 0 ausgeht. Eine weitere Annahme in der BankAccount-Klasse besteht darin, dass der Saldo nicht negativ sein kann. Stattdessen wird jede Abbuchung, die das Konto überzieht, abgelehnt. Beide Annahmen müssen geändert werden. Das Kreditlinienkonto beginnt bei 0 und weist im Allgemeinen einen negativen Saldo auf. Wenn ein Kunde zu viel Geld aufnimmt, fällt zudem eine Gebühr an. Die Transaktion wird akzeptiert, sie kostet lediglich mehr. Die erste Regel kann implementiert werden, indem Sie dem BankAccount-Konstruktor, der den Mindestsaldo angibt, ein optionales Argument hinzufügen. Der Standardwert ist 0. Die zweite Regel erfordert einen Mechanismus, der es abgeleiteten Klassen ermöglicht, den Standardalgorithmus zu ändern. In gewisser Hinsicht fragt die Basisklasse beim abgeleiteten Typ ab, was bei einer Überziehung geschehen soll. Das Standardverhalten besteht darin, die Transaktion durch Auslösen einer Ausnahme abzulehnen.

Fügen wir zuerst einen zweiten Konstruktor hinzu, der einen optionalen minimumBalance-Parameter enthält. Dieser neue Konstruktor führt alle Aktionen aus, die vom vorhandenen Konstruktor durchgeführt werden. Außerdem legt er die Eigenschaft des Mindestsaldos fest. Sie könnten den Text des vorhandenen Konstruktors kopieren, aber das bedeutet, dass Sie in Zukunft an zwei Orten Änderungen vornehmen müssen. Stattdessen können Sie die Konstruktorverkettung verwenden, sodass ein Konstruktor einen anderen aufruft. Der folgende Code zeigt die beiden Konstruktoren und das neue zusätzliche Feld:

private readonly decimal _minimumBalance;

public BankAccount(string name, decimal initialBalance) : this(name, initialBalance, 0) { }

public BankAccount(string name, decimal initialBalance, decimal minimumBalance)
{
    Number = s_accountNumberSeed.ToString();
    s_accountNumberSeed++;

    Owner = name;
    _minimumBalance = minimumBalance;
    if (initialBalance > 0)
        MakeDeposit(initialBalance, DateTime.Now, "Initial balance");
}

Der obige Code zeigt zwei neue Verfahren. Erstens ist das Feld minimumBalance als readonly markiert. Somit kann der Wert nach Erstellen des Objekts nicht mehr geändert werden. Nach dem Erstellen von BankAccount kann minimumBalance nicht mehr geändert werden. Zweitens verwendet der Konstruktor, der zwei Parameter akzeptiert, : this(name, initialBalance, 0) { } als Implementierung. Der : this()-Ausdruck ruft den anderen Konstruktor auf – den Konstruktor mit drei Parametern. Durch dieses Verfahren können Sie auch dann eine einzige Implementierung für die Initialisierung eines Objekts verwenden, wenn im Clientcode einer von vielen Konstruktoren ausgewählt werden kann.

Diese Implementierung ruft MakeDeposit nur dann auf, wenn der anfängliche Saldo größer als 0ist. Dadurch wird die Regel beibehalten, dass Einzahlungen positiv sein müssen, und dennoch ermöglicht, dass das Kreditkonto bei einem Saldo von 0 geöffnet bleibt.

Da die BankAccount-Klasse jetzt ein schreibgeschütztes Feld für den Mindestsaldo aufweist, besteht die letzte Änderung darin, den festen Code 0 in der MakeWithdrawal-Methode in minimumBalance zu ändern:

if (Balance - amount < _minimumBalance)

Nach Erweiterung der BankAccount-Klasse können Sie den LineOfCreditAccount-Konstruktor so ändern, dass er den neuen Basiskonstruktor aufruft, wie im folgenden Code gezeigt:

public LineOfCreditAccount(string name, decimal initialBalance, decimal creditLimit) : base(name, initialBalance, -creditLimit)
{
}

Beachten Sie, dass der LineOfCreditAccount-Konstruktor das Vorzeichen des Parameters creditLimit ändert, sodass er der Bedeutung des Parameters minimumBalance entspricht.

Verschiedene Regeln für Überziehung

Das letzte hinzuzufügende Feature ermöglicht es dem LineOfCreditAccount, für das Überziehen des Kreditlimits eine Gebühr zu erheben, statt die Transaktion abzulehnen.

Ein Verfahren besteht darin, eine virtuelle Funktion zu definieren, in der das erforderliche Verhalten implementiert wird. Die BankAccount-Klasse gestaltet die MakeWithdrawal-Methode in zwei Methoden um. Die neue Methode führt die angegebene Aktion aus, wenn der Saldo durch die Abbuchung unter den Mindestbetrag fällt. Die vorhandene MakeWithdrawal-Methode enthält den folgenden Code:

public void MakeWithdrawal(decimal amount, DateTime date, string note)
{
    if (amount <= 0)
    {
        throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(amount), "Amount of withdrawal must be positive");
    }
    if (Balance - amount < _minimumBalance)
    {
        throw new InvalidOperationException("Not sufficient funds for this withdrawal");
    }
    var withdrawal = new Transaction(-amount, date, note);
    _allTransactions.Add(withdrawal);
}

Ersetzen Sie den Code durch folgenden Code:

public void MakeWithdrawal(decimal amount, DateTime date, string note)
{
    if (amount <= 0)
    {
        throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(amount), "Amount of withdrawal must be positive");
    }
    Transaction? overdraftTransaction = CheckWithdrawalLimit(Balance - amount < _minimumBalance);
    Transaction? withdrawal = new(-amount, date, note);
    _allTransactions.Add(withdrawal);
    if (overdraftTransaction != null)
        _allTransactions.Add(overdraftTransaction);
}

protected virtual Transaction? CheckWithdrawalLimit(bool isOverdrawn)
{
    if (isOverdrawn)
    {
        throw new InvalidOperationException("Not sufficient funds for this withdrawal");
    }
    else
    {
        return default;
    }
}

Die hinzugefügte Methode ist protected, was bedeutet, dass sie nur von abgeleiteten Klassen aufgerufen werden kann. Diese Deklaration verhindert, dass die Methode von anderen Clients aufgerufen wird. Zudem ist sie virtual, damit abgeleitete Klassen das Verhalten ändern können. Der Rückgabetyp ist eine Transaction?. Die ?-Anmerkung gibt an, dass die Methode null zurückgeben darf. Fügen Sie im LineOfCreditAccount die folgende Implementierung hinzu, damit bei Überschreiten des Abbuchungslimits eine Gebühr erhoben wird:

protected override Transaction? CheckWithdrawalLimit(bool isOverdrawn) =>
    isOverdrawn
    ? new Transaction(-20, DateTime.Now, "Apply overdraft fee")
    : default;

Die Außerkraftsetzung gibt bei Überziehen des Kontos eine Gebührentransaktion zurück. Wenn die Abbuchung den Grenzwert nicht überschreitet, gibt die Methode eine null-Transaktion zurück. Dies bedeutet, dass keine Gebühren erhoben werden. Testen Sie diese Änderungen, indem Sie der Main-Methode in der Program-Klasse den folgenden Code hinzufügen:

var lineOfCredit = new LineOfCreditAccount("line of credit", 0, 2000);
// How much is too much to borrow?
lineOfCredit.MakeWithdrawal(1000m, DateTime.Now, "Take out monthly advance");
lineOfCredit.MakeDeposit(50m, DateTime.Now, "Pay back small amount");
lineOfCredit.MakeWithdrawal(5000m, DateTime.Now, "Emergency funds for repairs");
lineOfCredit.MakeDeposit(150m, DateTime.Now, "Partial restoration on repairs");
lineOfCredit.PerformMonthEndTransactions();
Console.WriteLine(lineOfCredit.GetAccountHistory());

Führen Sie das Programm aus, und überprüfen Sie die Ergebnisse.

Zusammenfassung

Wenn Sie nicht weiterkommen, sehen Sie sich die Quelle für dieses Tutorial in unserem GitHub-Repository an.

In diesem Tutorial wurden viele Verfahren vorgestellt, die bei der objektorientierten Programmierung verwendet werden:

Sie haben Abstraktion verwendet, als Sie Klassen für jeden der verschiedenen Kontotypen definiert haben. Diese Klassen beschreiben das Verhalten für den jeweiligen Kontotyp.
Sie haben Kapselung eingesetzt, als Sie in jeder Klasse viele Details als private festgelegt haben.
Sie haben Vererbung verwendet, als Sie die bereits in der BankAccount-Klasse erstellte Implementierung genutzt haben, um Code zu sparen.
Sie haben Polymorphie eingesetzt, indem Sie virtual-Methoden erstellt haben, die von abgeleiteten Klassen überschrieben werden können, um ein bestimmtes Verhalten für den jeweiligen Kontotyp zu erzielen.

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Verschiedene Regeln für Überziehung

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