Текст книги "C# 4.0: полное руководство"
Автор книги: Герберт Шилдт
Жанр:
Программирование
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 83 страниц)
В C# допускается, чтобы метод вызывал самого себя. Этот процесс называется рекурсией, а метод, вызывающий самого себя, – рекурсивным. Вообще, рекурсия представляет собой процесс, в ходе которого нечто определяет самое себя. В этом отношении она чем-то напоминает циклическое определение. Рекурсивный метод отличается главным образом тем, что он содержит оператор, в котором этот метод вызывает самого себя. Рекурсия является эффективным механизмом управления программой.
Классическим примером рекурсии служит вычисление факториала числа. Факториал числа N представляет собой произведение всех целых чисел от 1 до N. Например, факториал числа 3 равен 1х2x3, или 6. В приведенном ниже примере программы демонстрируется рекурсивный способ вычисления факториала числа. Для сравнения в эту программу включен также нерекурсивный вариант вычисления факториала числа.
// Простой пример рекурсии.
using System;
class Factorial {
// Это рекурсивный метод.
public int FactR(int n) {
int result;
if (n == 1) return 1;
result = FactR(n – 1) * n;
return result;
}
// Это итерационный метод.
public int FactI(int n) {
int t, result;
result = 1;
for (t = 1; t <= n; t++) result *= t;
return result;
}
}
class Recursion {
static void Main() {
Factorial f = new Factorial();
Console.WriteLine(«Факториалы, рассчитанные рекурсивным методом.»);
Console.WriteLine("Факториал числа 3 равен " + f.FactR(3));
Console.WriteLine("Факториал числа 4 равен " + f.FactR(4));
Console.WriteLine("Факториал числа 5 равен " + f.FactR(5));
Console.WriteLine();
Console.WriteLine(«Факториалы, рассчитанные итерационным методом.»);
Console.WriteLine("Факториал числа 3 равен " + f.FactR(3));
Console.WriteLine("Факториал числа 4 равен " + f.FactR(4));
Console.WriteLine("Факториал числа 5 равен " + f.FactR(5));
}
}
При выполнении этой программы получается следующий результат.
Факториалы, рассчитанные рекурсивным методом.
Факториал числа 3 равен 6
Факториал числа 4 равен 24
Факториал числа 5 равен 120
Факториалы, рассчитанные итерационным методом.
Факториал числа 3 равен 6
Факториал числа 4 равен 24
Факториал числа 5 равен 120
Принцип действия нерекурсивного метода FactI() вполне очевиден. В нем используется цикл, в котором числа, начиная с 1, последовательно умножаются друг на друга, постепенно образуя произведение, дающее факториал.
А рекурсивный метод FactR() действует по более сложному принципу. Если метод FactR() вызывается с аргументом 1, то он возвращает значение 1. В противном случае он возвращает произведение FactR(n-1)*n. Для вычисления этого произведения метод FactR() вызывается с аргументом n-1. Этот процесс повторяется до тех пор, пока значение аргумента n не станет равным 1, после чего из предыдущих вызовов данного метода начнут возвращаться полученные значения. Например, когда вычисляется факториал числа 2, то при первом вызове метода FactR() происходит второй его вызов с аргументом 1. Из этого вызова возвращается значение 1, которое затем умножается на 2 (первоначальное значение аргумента n). В итоге возвращается результат 2, равный факториалу числа 2 (1x2). Было бы любопытно ввести в метод FactR() операторы, содержащие вызовы метода WriteLine(), чтобы наглядно показать уровень рекурсии при каждом вызове метода FactR(), а также вывести промежуточные результаты вычисления факториала заданного числа.
Когда метод вызывает самого себя, в системном стеке распределяется память для новых локальных переменных и параметров, и код метода выполняется с этими новыми переменными и параметрами с самого начала. При рекурсивном вызове метода не создается его новая копия, а лишь используются его новые аргументы. А при возврате из каждого рекурсивного вызова старые локальные переменные и параметры извлекаются из стека, и выполнение возобновляется с точки вызова в методе. Рекурсивные методы можно сравнить по принципу действия с постепенно сжимающейся и затем распрямляющейся пружиной.
Ниже приведен еще один пример рекурсии для вывода символьной строки в обратном порядке. Эта строка задается в качестве аргумента рекурсивного метода DisplayRev().
// Вывести символьную строку в обратном порядке, используя рекурсию.
using System;
class RevStr {
// Вывести символьную строку в обратном порядке.
public void DisplayRev(string str) {
if (str.Length > 0)
DisplayRev(str.Substring(1, str.Length – 1));
else
return;
Console.Write(str[0]);
}
}
class RevStrDemo {
static void Main() {
string s = «Это тест»;
RevStr rsOb = new RevStr();
Console.WriteLine("Исходная строка: " + s);
Console.Write("Перевернутая строка: ");
rsOb.DisplayRev(s);
Console.WriteLine();
}
}
Вот к какому результату приводит выполнение этого кода.
Исходная строка: Это тест
Перевернутая строка: тсет отЭ
Всякий раз, когда вызывается метод DisplayRev(), в нем происходит проверка длины символьной строки, представленной аргументом str. Если длина строки не равна нулю, то метод DisplayRev() вызывается рекурсивно с новой строкой, которая меньше исходной строки на один символ. Этот процесс повторяется до тех пор, пока данному методу не будет передана строка нулевой длины. После этого начнется раскручиваться в обратном порядке механизм всех рекурсивных вызовов метода DisplayRev(). При возврате из каждого такого вызова выводится первый символ строки, представленной аргументом stг, а в итоге вся строка выводится в обратном порядке.
Рекурсивные варианты многих процедур могут выполняться немного медленнее, чем их итерационные эквиваленты из-за дополнительных затрат системных ресурсов на неоднократные вызовы метода. Если же таких вызовов окажется слишком много, то в конечном итоге может быть переполнен системный стек. А поскольку параметры и локальные переменные рекурсивного метода хранятся в системном стеке и при каждом новом вызове этого метода создается их новая копия, то в какой-то момент стек может оказаться исчерпанным. В этом случае возникает исключительная ситуация, и общеязыковая исполняющая среда (CLR) генерирует соответствующее исключение. Но беспокоиться об этом придется лишь в том случае, если рекурсивная процедура выполняется неправильно.
Главное преимущество рекурсии заключается в том, что она позволяет реализовать некоторые алгоритмы яснее и проще, чем итерационным способом. Например, алгоритм быстрой сортировки довольно трудно реализовать итерационным способом. А некоторые задачи, например искусственного интеллекта, очевидно, требуют именно рекурсивного решения.
При написании рекурсивных методов следует непременно указать в соответствующем месте условный оператор, например if, чтобы организовать возврат из метода без рекурсии. В противном случае возврата из вызванного однажды рекурсивного метода может вообще не произойти. Подобного рода ошибка весьма характерна для реализации рекурсии в практике программирования. В этом случае рекомендуется пользоваться операторами, содержащими вызовы метода WriteLine(), чтобы следить за происходящим в рекурсивном методе и прервать его выполнение, если в нем обнаружится ошибка.
Иногда требуется определить такой член класса, который будет использоваться независимо от всех остальных объектов этого класса. Как правило, доступ к члену класса организуется посредством объекта этого класса, но в то же время можно создать член класса для самостоятельного применения без ссылки на конкретный экземпляр объекта. Для того чтобы создать такой член класса, достаточно указать в самом начале его объявления ключевое слово static. Если член класса объявляется как static, то он становится доступным до создания любых объектов своего класса и без ссылки на какой-нибудь объект. С помощью ключевого слова static можно объявлять как переменные, так и методы. Наиболее характерным примером члена типа static служит метод Main(), который объявляется таковым потому, что он должен вызываться операционной системой в самом начале выполняемой программы.
Для того чтобы воспользоваться членом типа static за пределами класса, достаточно указать имя этого класса с оператором-точкой. Но создавать объект для этого не нужно. В действительности член типа static оказывается доступным не по ссылке на объект, а по имени своего класса. Так, если требуется присвоить значение 10 переменной count типа static, являющейся членом класса Timer, то для этой цели можно воспользоваться следующей строкой кода.
Timer.count = 10;
Эта форма записи подобна той, что используется для доступа к обычным переменным экземпляра посредством объекта, но в ней указывается имя класса, а не объекта. Аналогичным образом можно вызвать метод типа static, используя имя класса и оператор-точку. ,
Переменные, объявляемые как static, по существу, являются глобальными. Когда же объекты, объявляются в своем классе, то копия переменной типа static не создается. Вместо этого все экземпляры класса совместно пользуются одной и той же переменной типа static. Такая переменная инициализируется перед ее применением в классе. Когда же ее инициализатор не указан явно, то она инициализируется нулевым значением, если относится к числовому типу данных, пустым значением, если относится к ссылочному типу, или же логическим значением false, если относится к типу bool. Таким образом, переменные типа static всегда имеют какое-то значение.
Метод типа static отличается от обычного метода тем, что его можно вызывать по имени его класса, не создавая экземпляр объекта этого класса. Пример такого вызова уже приводился ранее. Это был метод Sqrt() типа static, относящийся к классу System.Math из стандартной библиотеки классов С#.
Ниже приведен пример программы, в которой объявляются переменная и метод типа static.
// Использовать модификатор static.
using System;
class StaticDemo {
// Переменная типа static.
public static int Val = 100;
// Метод типа static.
public static int ValDiv2() {
return Val/2;
}
}
class SDemo {
static void Main() {
Console.WriteLine("Исходное значение переменной " +
"StaticDemo.Val равно " + StaticDemo.Val);
StaticDemo.Val = 8;
Console.WriteLine(«Текущее значение переменной» +
"StaticDemo.Val равно " + StaticDemo.Val);
Console.WriteLine("StaticDemo.ValDiv2(): "
+ StaticDemo.ValDiv2());
}
}
Выполнение этой программы приводит к следующему результату.
Исходное значение переменной StaticDemo.Val равно 100
Текущее значение переменной StaticDemo.Val равно 8
StaticDemo.ValDiv2(): 4
Как следует из приведенного выше результата, переменная типа static инициализируется до создания любого объекта ее класса.
На применение методов типа static накладывается ряд следующих ограничений.
• В методе типа static должна отсутствовать ссылка this, поскольку такой метод не выполняется относительно какого-либо объекта.
• В методе типа static допускается непосредственный вызов только других методов типа static, но не метода экземпляра из того самого же класса. Дело в том, что методы экземпляра оперируют конкретными объектами, а метод типа static не вызывается для объекта. Следовательно, у такого метода отсутствуют объекты, которыми он мог бы оперировать.
• Аналогичные ограничения накладываются на данные типа static. Для метода типа static непосредственно доступными оказываются только другие данные типа static, определенные в его классе. Он, в частности, не может оперировать переменной экземпляра своего класса, поскольку у него отсутствуют объекты, которыми он мог бы оперировать.
Ниже приведен пример класса, в котором недопустим метод ValDivDenom() типа static.
class StaticError {
public int Denom =3; // обычная переменная экземпляра
public static int Val = 1024; // статическая переменная
/* Ошибка! Непосредственный доступ к нестатической переменной из статического метода недопустим. */
static int ValDivDenom() {
return Val/Denom; // не подлежит компиляции!
}
}
В данном примере кода Denom является обычной переменной, которая недоступна из метода типа static. Но в то же время в этом методе можно воспользоваться переменной Val, поскольку она объявлена как static.
Аналогичная ошибка возникает при попытке вызвать нестатический метод из статического метода того же самого класса, как в приведенном ниже примере.
using System;
class AnotherStaticError {
// Нестатический метод.
void NonStaticMeth() {
Console.WriteLine(«В методе NonStaticMeth().»);
}
/* Ошибка! Непосредственный вызов нестатического метода из статического метода недопустим. */
static void staticMeth() {
NonStaticMeth(); // не подлежит компиляции!
}
}
В данном случае попытка вызвать нестатический метод (т.е. метод экземпляра) из статического метода приводит к ошибке во время компиляции.
Следует особо подчеркнуть, что из метода типа static нельзя вызывать методы экземпляра и получать доступ к переменным экземпляра его класса, как это обычно делается посредством объектов данного класса. И объясняется это тем, что без указания конкретного объекта переменная или метод экземпляра оказываются недоступными. Например, приведенный ниже фрагмент кода считается совершенно верным.
class MyClass {
// Нестатический метод.
void NonStaticMeth() {
Console.WriteLine(«В методе NonStaticMeth().»);
}
/* Нестатический метод может быть вызван из статического метода по ссылке на объект. */
public static void staticMeth(MyClass ob) {
ob.NonStaticMeth(); // все верно!
}
}
В данном примере метод NonStaticMeth() вызывается из метода staticMeth() по ссылке на объект ob типа MyClass.
Поля типа static не зависят от конкретного объекта, и поэтому они удобны для хранения информации, применимой ко всему классу. Ниже приведен пример программы, демонстрирующей подобную ситуацию. В этой программе поле типа static служит для хранения количества существующих объектов.
// Использовать поле типа static для подсчета
// экземпляров существующих объектов.
using System;
class CountInst {
static int count = 0;
// Инкрементировать подсчет, когда создается объект.
public CountInst() {
count++;
}
// Декрементировать подсчет, когда уничтожается объект.
~CountInst() { count–;
}
public static int GetCount() {
return count;
}
}
class CountDemo {
static void Main() {
CountInst ob;
for(int i=0; i < 10; i++) {
ob = new CountInst();
Console.WriteLine("Текущий подсчет: " + CountInst.GetCount());
}
}
}
Выполнение этой программы приводит к следующему результату.
Текущий подсчет: 1
Текущий подсчет: 2
Текущий подсчет: 3
Текущий подсчет: 4
Текущий подсчет: 5
Текущий подсчет: 6
Текущий подсчет: 7
Текущий подсчет: 8
Текущий подсчет: 9
Текущий подсчет: 10
Всякий раз, когда создается объект типа Countlnst, инкрементируется поле count типа static. Но всякий раз, когда такой объект утилизируется, поле count декрементируется. Следовательно, поле count всегда содержит количество существующих в настоящий момент объектов. И это становится возможным только благодаря использованию поля типа static. Аналогичный подсчет нельзя организовать с помощью переменной экземпляра, поскольку он имеет отношение ко всему классу, а не только к конкретному экземпляру объекта этого класса.
Ниже приведен еще один пример применения статических членов класса. Ранее в этой главе было показано, как объекты создаются с помощью фабрики класса. В том примере фабрика была нестатическим методом, а это означало, что фабричный метод можно было вызывать только по ссылке на объект, который нужно было предварительно создать. Но фабрику класса лучше реализовать как метод типа static, что даст возможность вызывать этот фабричный метод, не создавая ненужный объект. Именно это улучшение и отражено в приведенном ниже измененном примере программы, реализующей фабрику класса.
// Использовать статическую фабрику класса.
using System;
class MyClass {
int a, b;
// Создать фабрику для класса MyClass.
static public MyClass Factory(int i, int j) {
MyClass t = new MyClass();
t.a = i;
t.b = j;
return t; // возвратить объект
}
public void Show() {
Console.WriteLine("а и b: " + a + " " + b);
}
}
class MakeObjects {
static void Main() {
int i, j;
// Сформировать объекты, используя фабрику.
for(i=0, j = 10; i < 10; i++, j –) {
MyClass ob = MyClass.Factory(i, j); // создать объект
ob.Show();
}
Console.WriteLine();
}
}
В этом варианте программы фабричный метод Factory() вызывается по имени его класса в следующей строке кода.
MyClass ob = MyClass.Factory(i, j); // создать объект
Теперь нет необходимости создавать объект класса MyClass, перед тем как пользоваться фабрикой этого класса.
Статические конструкторы
Конструктор можно также объявить как static. Статический конструктор, как правило, используется для инициализации компонентов, применяемых ко всему классу, а не к отдельному экземпляру объекта этого класса. Поэтому члены класса инициализируются статическим конструктором до создания каких-либо объектов этого класса. Ниже приведен простой пример применения статического конструктора.
// Применить статический конструктор.
using System;
class Cons {
public static int alpha;
public int beta;
// Статический конструктор.
static Cons() {
alpha = 99;
Console.WriteLine(«В статическом конструкторе.»);
}
// Конструктор экземпляра.
public Cons() {
beta = 100;
Console.WriteLine(«В конструкторе экземпляра.»);
}
}
class ConsDemo {
static void Main() {
Cons ob = new Cons();
Console.WriteLine("Cons.alpha: " + Cons.alpha);
Console.WriteLine("ob.beta: " + ob.beta);
}
}
При выполнении этого кода получается следующий результат.
В статическом конструкторе.
В конструкторе экземпляра.
Cons.alpha: 99
ob.beta: 100
Обратите внимание на то, что конструктор типа static вызывается автоматически, когда класс загружается впервые, причем до конструктора экземпляра. Из этого можно сделать более общий вывод: статический конструктор должен выполняться до любого конструктора экземпляра. Более того, у статических конструкторов отсутствуют модификаторы доступа – они пользуются доступом по умолчанию, а следовательно, их нельзя вызывать из программы.
Класс можно объявлять как static. Статический класс обладает двумя основными свойствами. Во-первых, объекты статического класса создавать нельзя. И во-вторых, статический класс должен содержать только статические члены. Статический класс создается по приведенной ниже форме объявления класса, видоизмененной с помощью ключевого слова static.
static class имя_класса { // ...
В таком классе все члены должны быть объявлены как static. Ведь если класс становится статическим, то это совсем не означает, что статическими становятся и все его члены.
Статические классы применяются главным образом в двух случаях. Во-первых, статический класс требуется при создании метода расширения. Методы расширения связаны в основном с языком LINQ и поэтому подробнее рассматриваются в главе 19. И во-вторых, статический класс служит для хранения совокупности связанных друг с другом статических методов. Именно это его применение и рассматривается ниже.
В приведенном ниже примере программы класс NumericFn типа static служит для хранения ряда статических методов, оперирующих числовым значением. А поскольку все члены класса NumericFn объявлены как static, то этот класс также объявлен как static, чтобы исключить получение экземпляров его объектов. Таким образом, класс NumericFn выполняет организационную роль, предоставляя удобные средства для группирования логически связанных методов.
// Продемонстрировать применение статического класса.
using System;
static class NumericFn {
// Возвратить обратное числовое значение.
static public double Reciprocal(double num) {
return 1/num;
}
// Возвратить дробную часть числового значения.
static public double FracPart(double num) {
return num – (int) num;
}
// Возвратить логическое значение true, если числовое
// значение переменной num окажется четным.
static public bool IsEven(double num) {
return (num % 2) == 0 ? true : false;
}
// Возвратить логическое значение true, если числовое
// значение переменной num окажется нечетным,
static public bool IsOdd(double num) {
return !IsEven(num);
}
}
class StaticClassDemo {
static void Main() {
Console.WriteLine("Обратная величина числа 5 равна " +
NumericFn.Reciprocal(5.0) ) ;
Console.WriteLine("Дробная часть числа 4.234 равна " +
NumericFn.FracPart(4.234));
if(NumericFn.IsEven(10))
Console.WriteLine(«10 – четное число.»);
if(NumericFn.IsOdd(5))
Console.WriteLine(«5 – нечетное число.»);
// Далее следует попытка создать экземпляр объекта класса NumericFn,
// что может стать причиной появления ошибки.
// NumericFn ob = new NumericFn(); // Ошибка!
}
}
Вот к какому результату приводит выполнение этой программы.
Обратная величина числа 5 равна 0.2
Дробная часть числа 4.234 равна 0.234
10 – четное число.
5 – нечетное число.
Обратите внимание на то, что последняя строка приведенной выше программы закомментирована. Класс NumericFn является статическим, и поэтому любая попытка создать объект этого класса может привести к ошибке во время компиляции. Ошибкой будет также считаться попытка сделать нестатическим член класса NumericFn.
И последнее замечание: несмотря на то, что для статического класса не допускается наличие конструктора экземпляра, у него может быть статический конструктор.
