Введение в наследование

Типизация при наследовании

Замечательная гибкость, обеспечиваемая наследованием, не связана с потерей надежности, поскольку используется статическая проверка типов, гарантирующая во время компиляции отсутствие некорректных комбинаций типов во время выполнения.

Согласованность типов

Наследование согласовано с системой типов. Основные правила легко объяснить на приведенном выше примере. Предположим, что имеются следующие объявления:

p: POLYGON

r: RECTANGLE

Выделим в приведенной выше иерархии нужный фрагмент (рис. 14.6).

Тогда законны следующие выражения:

• p.perimeter: никаких проблем, поскольку perimeter определен для многоугольников;
• p.vertices, p.translate (...), p.rotate (...) с корректными аргументами;
• r.diagonal, r.side1, r.side2: эти три компонента объявлены на уровне RECTANGLE или QUADRANGLE ;
• r.vertices, r.translate (...), r.rotate (...): эти компоненты объявлены на уровне POLYGON или еще выше и поэтому применимы к прямоугольникам, наследующим все компоненты многоугольников;
• r.perimeter: то же, что и в предыдущем случае. Но у вызываемой здесь функции имеется новое определение в классе RECTANGLE, так что она отличается от функции с тем же именем из класса POLYGON.

Рис. 14.6. Фрагмент иерархии геометрических фигур

А следующие вызовы компонентов незаконны, так как эти компоненты недоступны на уровне многоугольника:

p.side1
p.side2
p.diagonal

Это рассмотрение основано на первом фундаментальном правиле типизации:

Правило Вызова Компонентов

Если тип сущности x основан на классе С, то в вызове компонента x.f сам компонент f должен быть определен в одном из предков С.

Напомним, что класс С является собственным предком. Фраза "тип сущности x основан на классе С " напоминает, что для классов, порожденных из родовых, тип может включать не только имя класса: LINKED_LIST [INTEGER]. Но базовый класс для типа - это LINKED_LIST, так что родовой параметр никак не участвует в нашем правиле.

Как и все другие правила корректности, рассматриваемые в этой книге, правило Вызова Компонентов является статическим, - его можно проверять на основе текста системы, а не по ходу ее выполнения. Компилятор (который, как правило, выполняет такую проверку) будет отвергать классы, содержащие некорректные вызовы компонентов. Если успешно реализовать проверку правил типизации, то не возникнет риск того, что скомпилированная система когда-либо во время выполнения применит некоторый компонент к объекту неподходящего типа.

Статическая типизация - это один из главных ресурсов ОО-технологии для достижения объявленной в 1-ой лекции цели - надежности ПО.

Пределы полиморфизма

Неограниченный полиморфизм был бы несовместим со статическим понятием типа. Допустимость полиморфных операций определяется наследственностью.

Все примеры полиморфных присваиваний, такие, как p := r и p := t, в качестве типа источника используют потомков класса-цели. Скажем, что в таком случае тип источника согласован с классом цели. Например, SQUARE согласован с RECTANGLE и с POLYGON, но не с TRIANGLE. Чтобы уточнить это понятие, дадим формальное определение:

Определение: согласованность

Тип U согласован с типом T, только если базовый класс для U является потомком базового класса для T ; при этом для универсально порожденных типов каждый фактический параметр U должен (по рекурсии) быть согласован с соответствующим формальным параметром T.

Почему недостаточно понятия потомка в этом определении? Причина снова в том, что допускается порождение из родовых классов, поэтому приходится различать типы и классы. Для каждого типа имеется базовый класс, который при отсутствии порождения совпадает с самим типом (например, POLYGON является базовым для себя). При этом для универсально порожденного класса базовым является универсальный класс с опущенными родовыми параметрами. Например, для класса LIST [POLYGON] базовым будет класс LIST. Вторая часть определения говорит о том, что B [Y] будет согласован с A [X], если B является потомком A, а Y - потомком X.

Заметим, что поскольку каждый класс является собственным потомком, то каждый тип согласован сам с собой.

При таком обобщении понятия потомка получаем второе важное правило типизации:

Правило согласования типов

Присоединение к источнику y цели x (т. е. присваивание x:=y или использование y в качестве фактического параметра в вызове процедуры с соответствующим формальным параметром x ) допустимо только тогда, когда тип y согласован с типом x.

Правило согласования типов выражает тот факт, что специальное можно присваивать общему, но не наоборот. Поэтому присваивание p := r допустимо, а r := p нет.

Экземпляры

С введением полиморфизма нам требуется уточнить терминологию, связанную с экземплярами. Содержательно, экземпляры класса - это объекты времени выполнения, построенные в соответствии с определением класса. Но сейчас в этом качестве нужно также рассматривать объекты, построенные для собственных потомков класса. Вот более точное определение:

Определение: прямой экземпляр, экземпляр

Прямой экземпляр класса C - это объект, созданный в соответствии с точным определением C с помощью команды создания create x ..., в которой цель x имеет тип C (или, рекурсивно, путем клонирования прямого экземпляра C ).

Экземпляр C - это прямой экземпляр потомка C.

Из последней части этого определения следует, что прямой экземпляр класса C является также экземпляром C, так как класс входит во множество своих потомков.

Таким образом, выполнение фрагмента:

p1, p2: POLYGON; r: RECTANGLE
...
create p1 ...; create r ...; p2 := r

создаст два экземпляра класса POLYGON, но лишь один прямой экземпляр (тот, который присоединен к p1 ). Другой объект, на который указывают p2 и r, является прямым экземпляром класса RECTANGLE, а следовательно, экземпляром обоих классов POLYGON и RECTANGLE.

Хотя понятия прямого экземпляра и экземпляра определены выше для классов, они естественно распространяются на любые типы (с базовым классом и возможными родовыми параметрами).

Полиморфизм означает, что элемент некоторого типа может присоединяться не только к прямым экземплярам этого типа, но и к другим его экземплярам. Можно считать, что роль правила согласования типов состоит в обеспечении следующего свойства:

Статико-динамическая согласованность типов

Сущность типа T может во время исполнения прикрепляться только к экземплярам класса T.

Статический тип, динамический тип

Название последнего свойства предполагает различение "статического типа" и "динамического типа". Тип, который используется при объявлении некоторого элемента, является статическим типом соответствующей ссылки. Если во время выполнения эта ссылка присоединяется к объекту некоторого типа, то этот тип становится динамическим типом этой ссылки.

Таким образом, при объявлении p: POLYGON статический тип ссылки, обозначенной p, есть POLYGON, после выполнения create p динамическим типом этой ссылки также является POLYGON, а после присваивания p := r, где r имеет тип RECTANGLE и не пусто, динамическим типом становится RECTANGLE.

Правило согласования типов утверждает, что динамический тип всегда должен соответствовать статическому типу.

Чтобы избежать путаницы напомним, что мы имеем дело с тремя уровнями: сущность - это некоторый идентификатор в тексте класса, во время выполнения ее значение является ссылкой (за исключением развернутого случая), ссылка может быть присоединена к объекту.

У объекта имеется только динамический тип, который он получил в момент создания. Этот тип во время жизни объекта не изменяется.

В каждый момент во время выполнения у ссылки имеется динамический тип, тип того объекта, к которому она сейчас присоединена (или специальный тип NONE, если эта ссылка пуста). Динамический тип может изменяться в результате операций переприсоединения.

Только у сущности имеются и статический, и динамический типы. Ее статический тип - это тип, с которым она была объявлена: если объявление имеет вид x: T, то этим типом будет T. Ее динамический тип в каждый момент выполнения - это тип значения этой ссылки, т.е. того объекта, к которому она присоединена.

Обоснованы ли ограничения?

Приведенные выше правила типизации могут иногда показаться слишком строгими. Например, второй оператор в обоих случаях статически отвергается:

1. p:= r; r := p

2. p := r; x := p.diagonal

В (1) запрещается присваивать многоугольник сущности-прямоугольнику, хотя во время выполнения так получилось, что этот многоугольник является прямоугольником (аналогично тому, как можно отказаться принять собаку из-за того, что на клетке написано "животное"). В (2) компонент diagonal оказался не применим к p несмотря на то, что во время выполнения он, фактически, присутствует.

Но более аккуратный анализ показывает, что наши правила вполне обоснованы. Если ссылка присоединяется к объекту, то лучше избежать будущих проблем, убедившись в том, что их типы согласованы. А если хочется применить некоторую операцию прямоугольника, то почему бы сразу не объявить цель прямоугольником?

На практике, случаи вида (1) и (2) маловероятны. Присваивания типа p:= r обычно встречаются внутри некоторых управляющих структур, которые зависят от условий, определяемых во время выполнения, например, от ввода данных пользователем. Более реалистичная полиморфная схема может выглядеть так:

create r.make (...); ...
screen.display_icons                -- Вывод значков для разных многоугольников
screen.wait_for_mouse_click        -- Ожидание щелчка кнопкой мыши
x := screen.mouse_position          -- Определение места нажатия кнопки
chosen_icon := screen.icon_where_is (x)    -- Определение значка,
                           -- на котором находится указатель мыши
if chosen_icon = rectangle_icon then
   p := r
elseif ...
    p := "Многоугольник другого типа" ...
end
... Использование p, например, p.display, p.rotate, ...

В последней строке p может обозначать любой многоугольник, поэтому можно к нему применять только общие компоненты из класса POLYGON. Понятно, что операции, подходящие для прямоугольников, такие как diagonal, должны применяться только к r (например, в первом предложении if ). Если придется использовать p в операторах, следующих за оператором if, то к нему могут применяться лишь операции, применимые ко всем видам многоугольников.

В другом типичном случае p просто является формальным параметром процедуры:

some_routine (p: POLYGON) is ...

и можно выполнять вызов some_routine (r), корректный в соответствии с правилом согласования типов. Но при написании процедуры об этом вызове еще ничего не известно. На самом деле, вызов some_routine (t) для t типа TRIANGLE или любого другого потомка класса POLYGON будет также корректен, таким образом, можно считать, что p представляет некоторый вид многоугольников - любой из их видов. Тогда вполне разумно, что к p применимы только компоненты класса POLYGON.

Таким образом, в случае, когда невозможно предсказать точный тип присоединяемого объекта, полиморфные сущности (такие как p ) весьма полезны.

Может ли быть польза от неведения?

Поскольку введенные только что понятия играют важную роль в последующем, стоит еще раз повторить несколько последних положений. (На самом деле, в этом коротком пункте не будет ничего нового, но он поможет лучше понять основные концепции и подготовит к введению новых понятий).

Если вы все еще испытываете неудобство от невозможности написать p.diagonal после присваивания p :=r (в случае (2)), то вы не одиноки. Это шокирует многих людей, когда они впервые сталкиваются с этими понятиями. Мы знаем, что p - это прямоугольник, почему же у нас нет доступа к его диагонали? По той причине, что это было бы бесполезно. После полиморфного присваивания, как показано на следующем фрагменте из предыдущего рисунка, один и тот же объект типа RECTANGLE имеет два имени: имя многоугольника p и прямоугольника r.

Рис. 14.7. После полиморфного присваивания

В таком случае, поскольку известно, что объект O2 является прямоугольником и доступен через имя прямоугольника r, зачем пытаться использовать доступ к его диагонали посредством операции p.diagonal? Это не имеет смысла, так как можно просто написать r.diagonal, использовав официальное имя прямоугольника и сняв все сомнения в правомерности применения его операций. Использование имени многоугольника p, которое может с тем же успехом обозначать треугольник, ничего не дает и приводит к неопределенности.

Действительно, полиморфизм теряет информацию: когда в результате присваивания p :=r появляется возможность ссылаться на прямоугольник O2 через имя многоугольника p, то теряется нечто важное - возможность использовать специфические компоненты прямоугольника. В чем тогда польза? В данном случае - ни в чем. Как уже отмечалось, интерес возникает, когда заранее неизвестно, каков будет вид многоугольника p после выполнения команды if some_condition then p:= r else p := something_else ... или когда p является формальным аргументом процедуры и неизвестно, каков будет тип фактического аргумента. Но в этих случаях было бы некорректно и опасно применять к p что-либо кроме компонентов класса POLYGON.

Когда хочется задать тип принудительно

В некоторых случаях нужно выполнить присваивание, не соответствующее структуре наследования, и допустить, что при этом в качестве результата не обязательно будет получен объект. Такого, обычно, не бывает, когда ОО-метод применяется к объектам, внутренним для некоторой программы. Но можно, например, получить по сети объект с его объявленным типом, и поскольку нет возможности контролировать источник происхождения этого объекта, то объявления статических типов ничего не гарантируют и прежде, чем использовать объект, необходимо проверить его тип.

В таких случаях требуется новый механизм - попытка присваивания, который позволит писать команду вида r ?= p (где ?= обозначает символ попытки присваивания, в отличие от := для обычного присваивания), означающую "выполнить присваивание, если тип объекта соответствует r, а иначе сделать r пустым". Но мы пока не готовы понять, как такая команда сочетается с ОО-методом, поэтому вернемся к этому вопросу в следующих лекциях. (А до того, считайте, что вы ничего об этом не читали).

Полиморфное создание

Введение наследования и полиморфизма приводит к небольшому расширению механизма создания объектов, который позволит непосредственно создавать объекты типов-потомков.

Напомним, что команды создания (процедуры-конструкторы) имеют один из следующих видов:

create x
create x.make (...)

где вторая форма подразумевает и требует, чтобы базовый класс для типа T, приписанного x, содержал предложение creation, в котором make указана как одна из процедур-конструкторов. (Разумеется, процедура создания может иметь любое имя, - make рекомендуется по умолчанию). Результатом выполнения первой команды является создание нового объекта типа T, его инициализация значениями, заданными по умолчанию, и его присоединение к x. А при выполнении второй инструкции для создания и инициализации объекта будет вызываться make с заданными аргументами.

Предположим, что у T имеется собственный потомок U. Мы можем захотеть использовать x полиморфно и присоединить сразу к прямому экземпляру U, а не к экземпляру T. Возможное решение использует локальную сущность типа U.

some_routine (...) is
   local
      u_temp: U
   do
      ...; create u_temp.make (...); x := u_temp; ...
   end

Это работает, но чересчур громоздко, особенно в контексте многозначного выбора, когда захочется присоединить x к экземпляру одного из нескольких возможных типов наследников. Локальные сущности ( u_temp в нашем примере) играют только временную роль, их объявления и присваивания загромождают текст программы. Поэтому нужны специальные варианты конструкторов:

create {U} x
create {U} x.make (...)

Результат должен быть тот же, что и у конструкторов create, приведенных выше, но создаваемый объект должен являться прямым экземпляром U, а не T. Этот вариант должен удовлетворять очевидному ограничению: тип U должен быть согласован с типом T, а во второй форме make должна быть определена как процедура создания в классе, базовом для U, и если этот класс имеет одну или несколько процедур создания, то применима лишь вторая форма. Заметим, что здесь не важно, имеет ли сам класс T процедуры создания, - все зависит только от U.

Типичное применение связано с созданием экземпляра одного из нескольких возможных типов:

f: FIGURE
...
"Вывести значки фигур"
if chosen_icon = rectangle_icon then
   create {RECTANGLE} f
elseif chosen_icon = circle_icon then
   create {CIRCLE} f
else
   ...
end

Этот новый вид конструкторов объектов приводит к введению понятия тип при создании, обозначающего тип создаваемого объекта в момент его создания конструктором:

Для формы с неявным типом create x ... тип при создании есть тип x.

Для формы с явным типом create {U} x ... тип при создании есть U.