Читать онлайн «Основы объектно-ориентированного программирования». Страница 133

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.

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

На этом рисунке графические объекты представлены соответствующими геометрическими фигурами, а не обычными диаграммами объектов с набором их полей.

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.

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.

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:

[x]. p.perimeter: никаких проблем, поскольку perimeter определен для многоугольников;

[x]. p.vertices, p.translate (...), p.rotate (...) с корректными аргументами;

[x]. r.diagonal, r.side1, r.side2: эти три компонента объявлены на уровне RECTANGLE или QUADRANGLE;

[x]. r.vertices, r.translate (...), r.rotate (...): эти компоненты объявлены на уровне POLYGON или еще выше и поэтому применимы к прямоугольникам, наследующим все компоненты многоугольников;

[x]. 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.

Уже отмечалось, что не все подходы к построению ОО-ПО имеют статическую типизацию. Наиболее известным представителем языков с динамической типизацией является Smalltalk, в котором не действует статическое правило вызова, но допускается, чтобы вычисление аварийно завершалось в случае возникновения ошибки: "сообщение не понятно". В лекции, посвященной типизации, будет приведено сравнение разных подходов.

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: