第六章继承与多态

6.1 继承基础

什么是继承

继承是面向对象编程的核心特性之一，允许一个类（子类/派生类）继承另一个类（父类/基类）的成员。

// 基类
public class Animal
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
 
    public void Eat()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 正在吃东西");
    }
 
    public void Sleep()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 正在睡觉");
    }
 
    public virtual void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine("动物发出声音");
    }
}
 
// 派生类
public class Dog : Animal
{
    public string Breed { get; set; }
 
    public void Fetch()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 正在捡球");
    }
 
    // 重写基类方法
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 说: 汪汪！");
    }
}
 
// 使用
Dog dog = new Dog { Name = "小黑", Age = 3, Breed = "金毛" };
dog.Eat();        // 继承自Animal
dog.Fetch();      // Dog自己的方法
dog.MakeSound();  // 调用重写的方法

构造函数继承

public class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
 
    public Person(string name, int age)
    {
        Name = name;
        Age = age;
    }
}
 
public class Employee : Person
{
    public string EmployeeId { get; set; }
    public decimal Salary { get; set; }
 
    // 调用基类构造函数
    public Employee(string name, int age, string employeeId, decimal salary) 
        : base(name, age)
    {
        EmployeeId = employeeId;
        Salary = salary;
    }
}
 
// 使用
Employee emp = new Employee("张三", 30, "E001", 5000);

6.2 方法重写（Override）

virtual和override

public class Shape
{
    public string Name { get; set; }
 
    // 虚方法：允许子类重写
    public virtual double CalculateArea()
    {
        return 0;
    }
 
    public virtual void Draw()
    {
        Console.WriteLine($"绘制{Name}");
    }
}
 
public class Circle : Shape
{
    public double Radius { get; set; }
 
    public Circle(double radius)
    {
        Name = "圆形";
        Radius = radius;
    }
 
    // 重写基类方法
    public override double CalculateArea()
    {
        return Math.PI * Radius * Radius;
    }
 
    public override void Draw()
    {
        base.Draw();  // 调用基类实现
        Console.WriteLine($"半径: {Radius}");
    }
}
 
public class Rectangle : Shape
{
    public double Width { get; set; }
    public double Height { get; set; }
 
    public Rectangle(double width, double height)
    {
        Name = "矩形";
        Width = width;
        Height = height;
    }
 
    public override double CalculateArea()
    {
        return Width * Height;
    }
}

sealed关键字

public class BaseClass
{
    public virtual void Method() { }
}
 
public class DerivedClass : BaseClass
{
    // 阻止进一步重写
    public sealed override void Method() { }
}
 
// 无法重写sealed方法
// public class FurtherDerived : DerivedClass
// {
//     public override void Method() { }  // 编译错误
// }

6.3 抽象类

抽象类和抽象方法

// 抽象类：不能被实例化
public abstract class Vehicle
{
    public string Brand { get; set; }
    public string Model { get; set; }
 
    // 普通方法
    public void Start()
    {
        Console.WriteLine($"{Brand} {Model} 启动");
    }
 
    // 抽象方法：必须在子类中实现
    public abstract void Drive();
 
    // 抽象属性
    public abstract int MaxSpeed { get; }
}
 
public class Car : Vehicle
{
    public int TrunkCapacity { get; set; }
 
    // 实现抽象方法
    public override void Drive()
    {
        Console.WriteLine("汽车在公路上行驶");
    }
 
    public override int MaxSpeed => 200;
}
 
public class Motorcycle : Vehicle
{
    public bool HasSidecar { get; set; }
 
    public override void Drive()
    {
        Console.WriteLine("摩托车灵活穿梭");
    }
 
    public override int MaxSpeed => 150;
}
 
// 使用
Vehicle myCar = new Car { Brand = "Toyota", Model = "Corolla" };
Vehicle myBike = new Motorcycle { Brand = "Honda", Model = "CBR" };
 
myCar.Drive();   // 输出: 汽车在公路上行驶
myBike.Drive();  // 输出: 摩托车灵活穿梭

6.4 接口

接口定义

接口定义一组行为规范，类可以实现多个接口。

// 定义接口
public interface IFlyable
{
    void Fly();
    int MaxAltitude { get; }
}
 
public interface ISwimmable
{
    void Swim();
    int MaxDepth { get; }
}
 
public interface IHuntable
{
    void Hunt();
}

实现接口

// 实现多个接口
public class Duck : Animal, IFlyable, ISwimmable
{
    public int MaxAltitude => 1000;
    public int MaxDepth => 5;
 
    public void Fly()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 在飞翔");
    }
 
    public void Swim()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 在游泳");
    }
 
    public override void MakeSound()
    {
        Console.WriteLine($"{Name} 说: 嘎嘎！");
    }
}
 
// 使用
Duck duck = new Duck { Name = "唐老鸭" };
duck.Fly();
duck.Swim();
duck.MakeSound();

显式接口实现

public interface IEnglish
{
    void Speak();
}
 
public interface IChinese
{
    void Speak();
}
 
public class BilingualPerson : IEnglish, IChinese
{
    // 显式实现接口
    void IEnglish.Speak()
    {
        Console.WriteLine("Hello!");
    }
 
    void IChinese.Speak()
    {
        Console.WriteLine("你好！");
    }
 
    // 默认实现
    public void Speak()
    {
        Console.WriteLine("Speaking...");
    }
}
 
// 使用
var person = new BilingualPerson();
person.Speak();  // 调用默认实现
 
IEnglish english = person;
english.Speak();  // 调用英语实现
 
IChinese chinese = person;
chinese.Speak();  // 调用中文实现

6.5 多态

编译时多态（重载）

public class Calculator
{
    // 方法重载
    public int Add(int a, int b) => a + b;
    public double Add(double a, double b) => a + b;
    public int Add(int a, int b, int c) => a + b + c;
    public string Add(string a, string b) => a + b;
}

运行时多态（重写）

public class PolymorphismDemo
{
    public static void Main()
    {
        // 使用基类引用指向派生类对象
        Shape shape1 = new Circle(5);
        Shape shape2 = new Rectangle(4, 6);
 
        // 运行时确定调用哪个方法
        Console.WriteLine($"形状1面积: {shape1.CalculateArea():F2}");
        Console.WriteLine($"形状2面积: {shape2.CalculateArea():F2}");
 
        // 数组多态
        Shape[] shapes = new Shape[]
        {
            new Circle(3),
            new Rectangle(4, 5),
            new Circle(2)
        };
 
        double totalArea = 0;
        foreach (Shape shape in shapes)
        {
            totalArea += shape.CalculateArea();
            shape.Draw();
            Console.WriteLine();
        }
        Console.WriteLine($"总面积: {totalArea:F2}");
    }
}

6.6 类型转换和判断

is运算符

Animal animal = new Dog { Name = "小黑" };
 
// 类型检查
if (animal is Dog)
{
    Dog dog = (Dog)animal;
    dog.Fetch();
}
 
// 模式匹配（C# 7+）
if (animal is Dog d)
{
    d.Fetch();
}
 
// null检查
if (animal is not null)
{
    Console.WriteLine("animal不为null");
}

as运算符

Animal animal = new Dog { Name = "小黑" };
 
// 安全类型转换
Dog dog = animal as Dog;
if (dog != null)
{
    dog.Fetch();
}
 
// 转换失败返回null
Cat cat = animal as Cat;  // cat为null

强制类型转换

Animal animal = new Dog { Name = "小黑" };
 
// 强制转换
Dog dog = (Dog)animal;  // 成功
 
// 转换失败抛出异常
// Cat cat = (Cat)animal;  // InvalidCastException

6.7 抽象类 vs 接口

特性	抽象类	接口
——	——–	——
实例化	不能	不能
实现	单继承	多实现
成员	可以有实现	C# 8+可以有默认实现
字段	可以有	不能有实例字段
构造函数	可以有	不能有
访问修饰符	可以指定	默认public
使用场景	“is-a”关系	“can-do”关系

// 抽象类示例 - "is-a"关系
public abstract class Bird : Animal
{
    public void LayEgg()
    {
        Console.WriteLine("下蛋");
    }
}
 
// 接口示例 - "can-do"关系
public interface ILogger
{
    void Log(string message);
}
 
public class FileLogger : ILogger
{
    public void Log(string message)
    {
        File.AppendAllText("log.txt", message + Environment.NewLine);
    }
}

6.8 实战：图形系统

// 可绘制接口
public interface IDrawable
{
    void Draw();
    ConsoleColor Color { get; set; }
}
 
// 抽象基类
public abstract class Shape : IDrawable
{
    public string Name { get; set; }
    public ConsoleColor Color { get; set; } = ConsoleColor.White;
 
    // 抽象方法
    public abstract double CalculateArea();
    public abstract double CalculatePerimeter();
 
    // 虚方法
    public virtual void Draw()
    {
        Console.ForegroundColor = Color;
        Console.WriteLine($"绘制{Name}");
        Console.WriteLine($"  面积: {CalculateArea():F2}");
        Console.WriteLine($"  周长: {CalculatePerimeter():F2}");
        Console.ResetColor();
    }
 
    // 具体方法
    public void PrintInfo()
    {
        Console.WriteLine($"形状: {Name}");
        Console.WriteLine($"颜色: {Color}");
    }
}
 
// 圆形
public class Circle : Shape
{
    public double Radius { get; set; }
 
    public Circle(double radius)
    {
        Name = "圆形";
        Radius = radius;
    }
 
    public override double CalculateArea() => Math.PI * Radius * Radius;
    public override double CalculatePerimeter() => 2 * Math.PI * Radius;
 
    public override void Draw()
    {
        base.Draw();
        Console.WriteLine($"  半径: {Radius}");
    }
}
 
// 矩形
public class Rectangle : Shape
{
    public double Width { get; set; }
    public double Height { get; set; }
 
    public Rectangle(double width, double height)
    {
        Name = "矩形";
        Width = width;
        Height = height;
    }
 
    public override double CalculateArea() => Width * Height;
    public override double CalculatePerimeter() => 2 * (Width + Height);
 
    public bool IsSquare => Width == Height;
 
    public override void Draw()
    {
        base.Draw();
        Console.WriteLine($"  宽: {Width}, 高: {Height}");
        if (IsSquare)
        {
            Console.WriteLine("  这是一个正方形!");
        }
    }
}
 
// 三角形
public class Triangle : Shape
{
    public double SideA { get; set; }
    public double SideB { get; set; }
    public double SideC { get; set; }
 
    public Triangle(double a, double b, double c)
    {
        Name = "三角形";
        SideA = a;
        SideB = b;
        SideC = c;
    }
 
    public override double CalculateArea()
    {
        // 海伦公式
        double s = CalculatePerimeter() / 2;
        return Math.Sqrt(s * (s - SideA) * (s - SideB) * (s - SideC));
    }
 
    public override double CalculatePerimeter() => SideA + SideB + SideC;
}
 
// 图形管理器
public class ShapeManager
{
    private List<Shape> shapes = new List<Shape>();
 
    public void AddShape(Shape shape)
    {
        shapes.Add(shape);
    }
 
    public void DrawAll()
    {
        Console.WriteLine("===== 绘制所有图形 =====");
        foreach (var shape in shapes)
        {
            shape.Draw();
            Console.WriteLine();
        }
    }
 
    public double GetTotalArea()
    {
        return shapes.Sum(s => s.CalculateArea());
    }
 
    public Shape FindLargest()
    {
        return shapes.OrderByDescending(s => s.CalculateArea()).FirstOrDefault();
    }
 
    public IEnumerable<T> GetShapesOfType<T>() where T : Shape
    {
        return shapes.OfType<T>();
    }
}
 
// 使用示例
public class ShapeDemo
{
    public static void Main()
    {
        var manager = new ShapeManager();
 
        manager.AddShape(new Circle(5) { Color = ConsoleColor.Red });
        manager.AddShape(new Rectangle(4, 6) { Color = ConsoleColor.Green });
        manager.AddShape(new Rectangle(5, 5) { Color = ConsoleColor.Blue });
        manager.AddShape(new Triangle(3, 4, 5) { Color = ConsoleColor.Yellow });
 
        manager.DrawAll();
 
        Console.WriteLine($"总面积: {manager.GetTotalArea():F2}");
 
        var largest = manager.FindLargest();
        Console.WriteLine($"最大图形: {largest.Name}");
 
        Console.WriteLine("\n所有矩形:");
        foreach (var rect in manager.GetShapesOfType<Rectangle>())
        {
            Console.WriteLine($"  - {rect.Width}x{rect.Height}");
        }
    }
}

练习题

基础练习

1. 动物类层次：创建动物类层次结构：

基类Animal（Name, Eat(), Sleep()）
派生类Mammal（有毛发）、Bird（有羽毛）、Fish（有鳞片）
每个派生类重写MakeSound()
创建至少两个具体动物类（如Dog、Eagle、Shark）

2. 员工管理系统扩展：在第五章员工类基础上：

创建Employee抽象基类
实现SalariedEmployee、HourlyEmployee、CommissionEmployee
每个类实现抽象的CalculatePay()方法
创建Employee数组，多态调用CalculatePay()

3. 接口实现：实现以下接口和类：

IPayable接口（有CalculatePayment()方法）
Invoice类实现IPayable
Employee类也实现IPayable
创建IPayable数组，统一处理不同类型的应付款项

进阶练习

4. 游戏角色系统：设计RPG游戏角色系统：

抽象基类Character（Name, Health, Attack(), Defend()）
派生类：Warrior、Mage、Archer
接口：ICanCastSpell、ICanStealth
实现不同角色的特殊能力
创建战斗系统，角色可以互相攻击

5. 插件系统：实现一个简单的插件架构：

IPlugin接口（Name, Version, Initialize(), Execute()）
多个具体插件实现
插件管理器动态加载和执行插件
支持插件配置

6. 绘图应用：扩展本章的图形系统：

添加更多形状（椭圆、多边形）
实现图层概念（Layer类包含多个Shape）
实现序列化和反序列化
添加撤销/重做功能

挑战练习

7. 动物园管理系统：设计完整的动物园管理程序：

Animal抽象基类
多种具体动物类
饲养员类（可以喂养特定类型的动物）
笼子/栖息地类
实现动物的饮食、健康、繁殖系统

8. 排序策略模式：实现多种排序算法：

ISortStrategy接口
BubbleSort、QuickSort、MergeSort等实现
允许运行时切换排序策略
性能比较

本章小结

本章学习了C#的继承与多态：

继承的语法和构造函数链
virtual和override实现方法重写
抽象类和抽象方法
接口的定义和实现
编译时多态（重载）和运行时多态（重写）
类型转换和判断
抽象类与接口的区别

这些是面向对象编程的核心概念，理解它们对设计良好的软件架构至关重要。

张叶安的小站

目录

第六章继承与多态

6.1 继承基础

什么是继承

构造函数继承

6.2 方法重写（Override）

virtual和override

sealed关键字

6.3 抽象类

抽象类和抽象方法

6.4 接口

接口定义

实现接口

显式接口实现

6.5 多态

编译时多态（重载）

运行时多态（重写）

6.6 类型转换和判断

is运算符

as运算符

强制类型转换

6.7 抽象类 vs 接口

6.8 实战：图形系统

练习题

基础练习

进阶练习

挑战练习

本章小结

目录

第六章 继承与多态

6.1 继承基础

什么是继承

构造函数继承

6.2 方法重写（Override）

virtual和override

sealed关键字

6.3 抽象类

抽象类和抽象方法

6.4 接口

接口定义

实现接口

显式接口实现

6.5 多态

编译时多态（重载）

运行时多态（重写）

6.6 类型转换和判断

is运算符

as运算符

强制类型转换

6.7 抽象类 vs 接口

6.8 实战：图形系统

练习题

基础练习

进阶练习

挑战练习

本章小结

第六章继承与多态