Введение в наследование

Полиморфизм

Иерархии наследования позволяют достаточно гибко работать с объектами, сохраняя надежность статической типизации. Поддерживающие их методы: полиморфизм и динамическое связывание - одни из самых фундаментальных аспектов архитектуры ПО, обсуждаемой в этой книге. Начнем с полиморфизма.

Полиморфное присоединение

"Полиморфизм" означает способность обладать несколькими формами. В ОО-разработке несколькими формами обладают сущности (элементы структур данных), способные во время выполнения присоединяться к объектам разных типов, что контролируется статическими объявлениями.

Предположим, что для структуры наследования на рисунке вверху объявлены следующие сущности:

p: POLYGON; r: RECTANGLE; t: TRIANGLE

Тогда допустимы следующие присваивания:

p := r
p := t

Эти команды присваивают в качестве значения сущности, обозначающей многоугольник, сущность, обозначающую прямоугольник в первом случае, и сущность, обозначающую треугольник - во втором.

Такие присваивания, в которых тип источника (правой части) отличен от типа цели (левой части), называются полиморфными присваиваниями. Сущность, входящая в полиморфное присваивание слева (в примере это p ), является полиморфной сущностью.

До введения наследования все присваивания были мономорфными (не полиморфными): можно было присваивать точку точке, книгу книге, счет счету. С появлением полиморфизма возможных действий становится больше.

Приведенные в примере полиморфные присваивания легитимны, поскольку структура наследования позволяет рассматривать экземпляр класса RECTANGLE или TRIANGLE как экземпляр класса POLYGON. Мы говорим, что в таком случае тип источника согласован с типом цели. В обратном направлении присваивание недопустимо, т.е. некорректно писать r := p. Вскоре это важное правило будет рассмотрено более подробно.

Кроме присваивания, полиморфизм имеет место и при передаче аргументов, например в вызовах вида f (r) или f (t) при условии объявлении компонента f в виде:

f (p: POLYGON) is do ... end

Напомним, что присваивание и передача аргументов имеют одинаковую семантику, и оба называются присоединением (attachment). Когда источник и цель имеют разные типы, можно говорить о полиморфном (polymorphic) присоединении.

Что на самом деле происходит при полиморфном присоединении?

Все сущности, встречающиеся в предыдущих примерах полиморфных присваиваний, имеют тип ссылок: возможными значениями p, r и t являются не объекты, а ссылки на объекты. Поэтому результатом присваивания p := r является просто новое присоединение ссылки.

Рис. 14.3. Полиморфное присоединение ссылки

Несмотря на название, не следует представлять полиморфизм как некоторую трансмутацию объектов во время выполнения программы. Будучи один раз создан, объект никогда не изменяет свой тип. Так могут поступать только ссылки, которые могут указывать на объекты разных типов. Отсюда также следует, что за полиморфизм не нужно платить потерей эффективности, перенаправление ссылки - очень быстрая операция, ее стоимость не зависит от включенных в эту операцию объектов.

Полиморфные присоединения допускаются только для целей типа ссылки, но, ни в коем случае, для расширенных типов. Поскольку у класса-потомка могут быть новые атрибуты, то соответствующие ему экземпляры могут иметь больше полей. На рис. 14.3 видно, что объект класса RECTANGLE больше, чем объект класса POLYGON. Такая разница в размерах объектов не приводит к проблемам, если все, что заново присоединяется, имеет тип ссылки. Но если p - не ссылка, а имеет развернутый тип (например, объявлена как expanded POLYGON ), то значением p является непосредственно некоторый объект, и всякое присваивание p будет менять содержимое этого объекта. В этом случае никакой полиморфизм невозможен.

Полиморфные структуры данных

Рассмотрим массив многоугольников:

poly_arr: ARRAY [POLYGON]

Когда некоторое значение x присваивается элементу этого массива, как в вызове

poly_arr.put (x, some_index)

(для некоторого допустимого значения индекса some_index ), то спецификация класса ARRAY указывает, что тип присваиваемого значения должен быть согласован с типом фактического родового параметра:

class ARRAY [G] creation
   ...
feature - Изменение элемента
   put (v: G; i: INTEGER) is
         -- Присвоить v элементу с индексом i
   ...
end

Так как тип формального аргумента v, соответствующего x, в классе определен как G, а фактический родовой параметр, соответствующий G в вызове poly_arr, - это POLYGON, то тип x должен быть согласован с ним. Как мы видели, для этого x не обязан иметь тип POLYGON, подойдет любой потомок типа POLYGON.

Поэтому, если границы массива равны 1 и 4, то можно объявить некоторые сущности:

p: POLYGON; r: RECTANGLE; s: SQUARE; t: TRIANGLE

и, создав соответствующие объекты, можно выполнить операции

poly_arr.put (p, 1)
poly_arr.put (r, 2)
poly_arr.put (s, 3)
poly_arr.put (t, 4)

которые присвоят элементам массива ссылки на объекты различных типов.

Рис. 14.4. Полиморфный массив

Такие структуры данных, содержащие объекты разных типов, имеющих общего предка, называются полиморфными структурами данных. Далее будут рассмотрены многочисленные примеры таких структур. Массивы - это только одна из возможностей, полиморфными могут быть любые структуры контейнеров: списки, стеки и т.п.

Полиморфные структуры данных реализуют цель, сформулированную в начале лекции: объединение порождения и наследования для достижения максимальной гибкости и надежности. Имеет смысл напомнить рис. 10.1, иллюстрирующий эту мысль:

Рис. 14.5. Измерения обобщения

Типы, которые на рис. 10.1 неформально назывались SET_OF_BOOKS и т. п., заменены типами, выведенными из родового универсального типа, - SET [BOOK].

Такая комбинация универсальности и наследования является весьма сильным средством. Оно позволяет описывать структуру объектов с нужной степенью общности. Например,

LIST [RECTANGLE]: может содержать квадраты, но не треугольники.

LIST [POLYGON]: может содержать квадраты, прямоугольники, треугольники, но не круги.

LIST [FIGURE]: может содержать экземпляры любого типа из иерархии FIGURE, но не книги или банковские счета.

LIST [ANY]: может содержать объекты любого типа.

В последнем случае использован класс ANY, который условимся считать предком любого класса (он будет подробнее рассмотрен далее).

Варьируя место класса, выбираемого в качестве фактического родового параметра, в иерархии, можно точно установить границы типов объектов, допустимых в определяемом контейнере.