オブジェクト指向プログラミング (C#)

[アーティクル]
06/08/2023

C# は、オブジェクト指向のプログラミング言語です。オブジェクト指向プログラミングには、次の 4 つの基本原則があります。

抽象化 関連する属性とエンティティの相互作用をクラスとしてモデル化し、システムの抽象表現を定義します。
カプセル化 オブジェクトの内部の状態と機能を非表示にして、公開されている一連の関数を通じてのみアクセスを許可します。
継承既存の抽象化に基づいて新しい抽象化を作成する機能。
ポリモーフィズム 複数の抽象化の間で、継承されたプロパティまたはメソッドをさまざまな方法で実装できます。

前のチュートリアルのクラスの概要では、"抽象化" と "カプセル化" の両方について説明しました。 BankAccount クラスによって、銀行口座の概念に対する抽象化が提供されました。その実装は、BankAccount クラスを使用したコードのいずれにも影響を与えずに変更できました。 BankAccount、Transaction クラスの両方で、これらの概念をコードで記述するために必要なコンポーネントのカプセル化が提供されます。

このチュートリアルでは、このアプリケーションを拡張し、"継承" と "ポリモーフィズム" を使用して新機能を追加します。また、前のチュートリアルで学習した "抽象化" と "カプセル化" の手法を活用して、BankAccount クラスに機能を追加します。

さまざまな種類の口座を作成する

このプログラムを構築した後、あなたは機能を追加するように要求されます。これは、銀行口座の種類が 1 つしかない場合に適しています。時間の経過と共に、ニーズが変化し、関連する口座の種類が要求されます。

月末ごとに利息がつく、利息つき口座。
残高が負の値になる可能性のある与信枠。ただし、残高がある場合は、毎月利息を請求されます。
前払いのギフトカード口座。1 回の預金で始まり、支払いのみが可能です。毎月初めに 1 回補充できます。

これらの各種口座はすべて、前のチュートリアルで定義した BankAccount クラスに似ています。そのコードをコピーし、クラスの名前を変更して、変更を加えることができます。この手法は短期的にはうまくいきますが、時間の経過と共に作業量が多くなります。あらゆる変更を、影響を受けるすべてのクラス間でコピーする必要があります。

代わりに、前のチュートリアルで作成した BankAccount クラスからメソッドとデータを継承する、新しい銀行口座の種類を作成できます。これらの新しいクラスでは、各種類に必要な特定の動作で BankAccount クラスを拡張できます。

public class InterestEarningAccount : BankAccount
{
}

public class LineOfCreditAccount : BankAccount
{
}

public class GiftCardAccount : BankAccount
{
}

これらの各クラスは、共有の "基底クラス" である BankAccount クラスから、共有の動作を "継承" します。その "派生クラス" ごとに、新しい異なる機能の実装を記述します。これらの派生クラスには、BankAccount クラスで定義されているすべての動作が既に備わっています。

新しいクラスは、それぞれ別のソースファイルに作成することをお勧めします。 Visual Studio では、プロジェクトを右クリックして [クラスの追加] を選択すると、新しいファイルに新しいクラスを追加できます。 Visual Studio Code では、 [ファイル] 、 [新規] の順に選択すると新しいソースファイルを作成できます。どちらのツールでも、クラスと一致するようにファイル名を指定します。InterestEarningAccount.cs、LineOfCreditAccount.cs、GiftCardAccount.cs です。

前述のサンプルのようなクラスを作成すると、どの派生クラスもコンパイルされないことがわかります。コンストラクターによって、オブジェクトの初期化が行われます。派生クラスのコンストラクターでは、派生クラスを初期化し、その派生クラスに含まれる基底クラスのオブジェクトを初期化する方法を指定する必要があります。通常、適切な初期化は追加のコードなしで行われます。 BankAccount クラスでは、次のシグネチャを持つ 1 つのパブリックコンストラクターが宣言されます。

public BankAccount(string name, decimal initialBalance)

コンストラクターを自分で定義した場合、コンパイラによって既定のコンストラクターが生成されることはありません。これは、各派生クラスで明示的にこのコンストラクターを呼び出す必要があることを意味します。基底クラスのコンストラクターに引数を渡すことができるコンストラクターを宣言します。次のコードは、InterestEarningAccount のコンストラクターを示しています。

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

この新しいコンストラクターのパラメーターは、基底クラスのコンストラクターのパラメーターと型と名前が一致しています。 : base() 構文を使用して、基底クラスのコンストラクターへの呼び出しを示すことができます。複数のコンストラクターを定義するクラスもあります。この構文を使用することで、呼び出す基底クラスのコンストラクターを選択できます。コンストラクターを更新したら、各派生クラスのコードを開発できます。新しいクラスの要件は、次のように記述できます。

利息つき口座:
- 月末の残高の 2% が振り込まれます。
与信枠:
- 残高を負の値にすることができますが、与信限度額よりも絶対値を大きくすることはできません。
- 月末の残高が 0 ではない場合は、毎月利息を請求されます。
- 与信限度額を超えた引き出しごとに手数料が発生します。
ギフトカード口座:
- 毎月 1 回、月の最終日に指定した金額を補充できます。

これら 3 種類の口座には、すべて月末ごとに実行されるアクションがあることがわかります。ただし、口座の種類ごとに異なるタスクが実行されます。このコードを実装するために、"ポリモーフィズム" を使用します。 BankAccount クラスで 1 つの virtual メソッドを作成します。

public virtual void PerformMonthEndTransactions() { }

前のコードでは、virtual キーワードを使用して、派生クラスで異なる実装を提供できる基底クラスのメソッドを宣言する方法を示しています。 virtual メソッドは、任意の派生クラスで再実装することを選択できるメソッドです。派生クラスでは、override キーワードを使用して新しい実装を定義します。通常、これは "基底クラスの実装のオーバーライド" と呼ばれます。 virtual キーワードによって、派生クラスで動作をオーバーライドする可能性があることを指定できます。また、派生クラスで動作をオーバーライドしなければならない abstract メソッドを宣言することもできます。基底クラスでは abstract メソッドの実装が提供されません。次に、作成した 2 つの新しいクラスの実装を定義する必要があります。まずは InterestEarningAccount です。

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

LineOfCreditAccount に次のコードを追加します。このコードでは、残高の符号を反転させて、口座から引き出される正の利息請求額を計算しています。

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");
    }
}

GiftCardAccount クラスには、月末の機能を実装するために 2 つの変更が必要です。最初に、毎月追加できる省略可能な金額を含めるようにコンストラクターを変更します。

private readonly decimal _monthlyDeposit = 0m;

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

このコンストラクターでは monthlyDeposit の値に対して既定値が指定されています。これにより、毎月の預金がない場合に呼び出し元は 0 を省略できます。次に、PerformMonthEndTransactions メソッドをオーバーライドして、毎月の預金がコンストラクターで 0 以外の値に設定されていた場合にそれを追加するようにします。

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

このオーバーライドにより、コンストラクターで設定された毎月の預金が適用されます。次のコードを Main メソッドに追加して、GiftCardAccount と InterestEarningAccount に対するこれらの変更内容をテストします。

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());

結果を確認しましょう。次に、LineOfCreditAccount に対して類似した一連のテストコードを追加します。

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());

上記のコードを追加してプログラムを実行すると、次のようなエラーが表示されます。

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

注意

実際の出力には、プロジェクトを含むフォルダーへの完全なパスが含まれています。簡潔にするため、フォルダー名は省略されています。また、コード形式によっては、行番号が若干異なる場合があります。

このコードが失敗したのは、BankAccount によって初期残高は 0 より大きいと仮定されているためです。 BankAccount クラスに織り込まれているもう 1 つの前提は、残高を負の値にすることはできないということです。代わりに、口座残高を超える引き出しは拒否されます。これらの前提はどちらも変更する必要があります。与信枠口座は 0 から始まり、通常は残高が負になります。また、顧客がお金を借りすぎた場合、手数料が発生します。そのトランザクションは承認されます。追加料金がかかるだけです。最初の規則は、最小残高を指定する省略可能な引数を BankAccount コンストラクターに追加することによって実装できます。既定では、 0です。 2 番目の規則には、派生クラスで既定のアルゴリズムを変更できるようにするメカニズムが必要です。ある意味では、基底クラスが派生型に、過剰な引き出しがあった場合にどうするかを "尋ね" ます。既定の動作では、例外をスローすることによってトランザクションを拒否します。

まず、省略可能な minimumBalance パラメーターを含む 2 番目のコンストラクターを追加しましょう。この新しいコンストラクターでは、既存のコンストラクターで実行されるすべてのアクションが実行されます。さらに、最小残高のプロパティも設定されます。既存のコンストラクターの本体をコピーすることもできますが、2 つの場所が将来変更されることになります。代わりに、"コンストラクターチェーン" を使用して、1 つのコンストラクターが別のコンストラクターを呼び出すようにすることができます。次のコードは、2 つのコンストラクターと新しい追加フィールドを示しています。

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");
}

上記のコードには、2 つの新しい手法が示されています。まず、minimumBalance フィールドは readonly としてマークされています。これは、オブジェクトを構築した後はこの値を変更できないことを意味します。 BankAccount の作成後に minimumBalance を変更することはできません。次に、2 つのパラメーターを受け取るコンストラクターでは、実装として : this(name, initialBalance, 0) { } が使用されています。 : this() 式によって、3 つのパラメーターを持つ別のコンストラクターを呼び出します。この手法を使用すると、オブジェクトを初期化するための実装を 1 つ用意して、クライアントコードでは多数のコンストラクターの中からいずれかを選択できるようにすることができます。

この実装では、初期残高が 0 よりも大きい場合にのみ MakeDeposit が呼び出されます。これにより、預金は正である必要があるという規則を守りつつ、残高 0 で与信枠口座を開設することができます。

これで BankAccount クラスに最小残高用の読み取り専用フィールドが設定されたので、最後の変更として、MakeWithdrawal メソッドのハードコーディングされた 0 を minimumBalance に変更します。

if (Balance - amount < _minimumBalance)

BankAccount クラスを拡張した後、次のコードに示すように、新しい基底コンストラクターを呼び出すように LineOfCreditAccount コンストラクターを変更できます。

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

LineOfCreditAccount コンストラクターでは、minimumBalance パラメーターの意味と一致するように、creditLimit パラメーターの符号が変更されることがわかります。

過剰な引き出しに対する異なる規則

追加する最後の機能により、LineOfCreditAccount で、与信限度額の超過に対してトランザクションを拒否するのではなく、手数料を請求できるようになります。

1 つの手法は、必要な動作を実装する仮想関数を定義することです。 BankAccount クラスでは、MakeWithdrawal メソッドが 2 つのメソッドにリファクターされます。新しいメソッドでは、引き出しによって残高が最小値を下回る場合に、指定されたアクションが実行されます。既存の MakeWithdrawal メソッドには、次のコードが含まれています。

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);
}

見つかったコードを次のコードと置き換えます。

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;
    }
}

追加されたメソッドは protected です。これは、派生クラスからのみ呼び出せることを意味します。この宣言によって、他のクライアントがこのメソッドを呼び出せなくなります。これは virtual でもあるため、派生クラスで動作を変更できます。戻り値の型は Transaction? です。 ? の注釈は、メソッドが null を返す可能性があることを示します。次の実装を LineOfCreditAccount に追加して、引き出しの限度額を超えたときに手数料を請求します。

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

このオーバーライドでは、残高が過剰に引き出された場合に手数料のトランザクションが返されます。引き出しが限度額を超えていない場合は、メソッドから null トランザクションが返されます。これは手数料が発生していないことを示します。 Program クラスの Main メソッドに次のコードを追加して、これらの変更をテストします。

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());

プログラムを実行し、結果を確認します。

まとめ

うまくいかない場合は、このチュートリアルのソースを GitHub リポジトリで確認できます。

このチュートリアルでは、オブジェクト指向プログラミングで使用される多くの手法を示しました。

異なる種類の口座ごとにクラスを定義したとき、"抽象化" を使用しました。これらのクラスによって、その種類の口座の動作が記述されました。
各クラスで多くの詳細情報を private にしたとき、"カプセル化" を使用しました。
BankAccount クラスに既に作成されている実装を活用してコードを節約したとき、"継承" を使用しました。
派生クラスでオーバーライドしてその口座の種類に固有の動作を作成できる virtual メソッドを作成したとき、"ポリモーフィズム" を使用しました。

オブジェクト指向プログラミング (C#)

さまざまな種類の口座を作成する

過剰な引き出しに対する異なる規則

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