Что такое полиморфизм в программировании

Что такое полиморфизм в программировании

Полиморфи́зм (в языках программирования) — возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию.

Язык программирования поддерживает полиморфизм, если классы с одинаковой спецификацией могут иметь различную реализацию — например, реализация класса может быть изменена в процессе наследования[1].

Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество реализаций».

Полиморфизм — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с абстракцией, инкапсуляцией и наследованием).

Полиморфизм позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в систему, которую могут называть по-разному — интерфейс, класс. Общность имеет внешнее и внутреннее выражение:

внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именем методов и типами аргументов и их количеством);

внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы. Возможность приписывать разную функциональность одному методу (функции, операции) называется перегрузкой метода (перегрузкой функций, перегрузкой операций).

Класс геометрических фигур (эллипс, многоугольник) может иметь методы для геометрических трансформаций (смещение, поворот, масштабирование).

Класс потоков имеет методы для последовательной передачи данных. Потоком может быть информация, вводимая пользователем с терминала, обмен данными по компьютерной сети, файл (если требуется последовательная обработка данных, например, при разборе исходных текстов программ).

В объектно-ориентированных языках

В объектно-ориентированных языках класс является абстрактным типом данных.[Прим. 1] Полиморфизм реализуется с помощью наследования классов и виртуальных функций. Класс-потомок наследует сигнатуры методов класса-родителя, а реализация, в результате переопределения метода, этих методов может быть другой, соответствующей специфике класса-потомка. Другие функции могут работать с объектом как с экземпляром класса-родителя, но если при этом объект на самом деле является экземпляром класса-потомка, то во время исполнения будет вызван метод, переопределенный в классе-потомке. Это называется поздним связыванием. [Примером использования может служить обработка массива, содержащего экземпляры как класса-родителя, так и класса-потомка: очевидно, что такой массив может быть объявлен только как массив типа класса-родителя и у объектов массива могут вызываться только методы этого класса, но если в классе-потомке какие-то методы были переопределены, то в режиме исполнения для экземпляров этого класса будут вызваны именно они, а не методы класса-родителя.]

Класс-потомок сам может быть родителем. Это позволяет строить сложные схемы наследования — древовидные или сетевидные.

Абстрактные (или чисто виртуальные) методы не имеют реализации вообще (на самом деле некоторые языки, например C++, допускают реализацию абстрактных методов в родительском классе). Они специально предназначены для наследования. Их реализация должна быть определена в классах-потомках.

Класс может наследовать функциональность от нескольких классов. Это называется множественным наследованием. Множественное наследование создаёт известную проблему (в C++), когда класс наследуется от нескольких классов-посредников, которые в свою очередь наследуются от одного класса (так называемая «Проблема ромба»): если метод общего предка был переопределён в посредниках, неизвестно, какую реализацию метода должен наследовать общий потомок. Решается эта проблема путём отказа от множественного наследования для классов и разрешением множественного наследования для полностью абстрактных классов (то есть интерфейсов) (C#, Delphi, Java), либо через виртуальное наследование (C++).

В функциональных языках

Полиморфизм в функциональных языках будет рассмотрен на примере языка Haskell.

В Haskell существует два вида полиморфизма — параметрический (чистый) и специальный, (на основе классов[Прим. 2]). Специальный называют еще ad hoc (от лат. ad hoc — специально). Их можно отличить следующим образом:

Все языки OOP, включая С++, основаны на трёх основополагающих концепциях, называемых инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием. Рассмотрим эти концепции.

1. Инкапсуляция

Инкапсуляция (encapsulation) — это механизм, который объединяет данные и код, манипулирующий зтими данными, а также защищает и то, и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. В объектно-ориентированном программировании код и данные могут быть объединены вместе; в этом случае говорят, что создаётся так называемый "чёрный ящик". Когда коды и данные объединяются таким способом, создаётся объект (object). Другими словами, объект — это то, что поддерживает инкапсуляцию.

Внутри объекта коды и данные могут быть закрытыми (private). Закрытые коды или данные доступны только для других частей этого объекта. Таким образом, закрытые коды и данные недоступны для тех частей программы, которые существуют вне объекта. Если коды и данные являются открытыми, то, несмотря на то, что они заданы внутри объекта, они доступны и для других частей программы. Характерной является ситуация, когда открытая часть объекта используется для того, чтобы обеспечить контролируемый интерфейс закрытых элементов объекта.

Читайте также:  Не открывается кран горячей воды

На самом деле объект является переменной определённого пользователем типа. Может показаться странным, что объект, который объединяет коды и данные, можно рассматривать как переменную. Однако применительно к объектно-ориентированному программированию это именно так. Каждый элемент данных такого типа является составной переменной.

2. Полиморфизм

Полиморфизм (polymorphism) (от греческого polymorphos) — это свойство, которое позволяет одно и то же имя использовать для решения двух или более схожих, но технически разных задач. Целью полиморфизма, применительно к объектно-ориентированному программированию, является использование одного имени для задания общих для класса действий. Выполнение каждого конкретного действия будет определяться типом данных. Например для языка Си, в котором полиморфизм поддерживается недостаточно, нахождение абсолютной величины числа требует трёх различных функций: abs(), labs() и fabs(). Эти функции подсчитывают и возвращают абсолютную величину целых, длинных целых и чисел с плавающей точкой соответственно. В С++ каждая из этих функций может быть названа abs(). Тип данных, который используется при вызове функции, определяет, какая конкретная версия функции действительно выполняется. В С++ можно использовать одно имя функции для множества различных действий. Это называется перегрузкой функций (function overloading).

В более общем смысле, концепцией полиморфизма является идея "один интерфейс, множество методов". Это означает, что можно создать общий интерфейс для группы близких по смыслу действий. Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает мнижать сложность программ, разрешая использование того же интерфейса для задания единого класса действий. Выбор же конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор. Вам, как программисту, не нужно делать этот выбор самому. Нужно только помнить и использовать общий интерфейс. Пример из предыдущего абзаца показывает, как, имея три имени для функции определения абсолютной величины числа вместо одного, обычная задача становится более сложной, чем это действительно необходимо.

Полиморфизм может применяться также и к операторам. Фактически во всех языках программирования ограниченно применяется полиморфизм, например, в арифметических операторах. Так, в Си, символ + используется для складывания целых, длинных целых, символьных переменных и чисел с плавающей точкой. В этом случае компилятор автоматически определяет, какой тип арифметики требуется. В С++ вы можете применить эту концепцию и к другим, заданным вами, типам данных. Такой тип полиморфизма называется перегрузкой операторов (operator overloading).

Ключевым в понимании полиморфизма является то, что он позволяет вам манипулировать объектами различной степени сложности путём создания общего для них стандартного интерфейса для реализации похожих действий.

3. Наследовние

Наследование (inheritance) — это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него. Наследование является важным, поскольку оно позволяет поддерживать концепцию иерархии классов (hierarchical classification). Применение иерархии классов делает управляемыми большие потоки информации. Например, подумайте об описании жилого дома. Дом — это часть общего класса, называемого строением. С другой стороны, строение — это часть более общего класса — конструкции, который является частью ещё более общего класса объектов, который можно назвать созданием рук человека. В каждом случае порождённый класс наследует все, связанные с родителем, качества и добавляет к ним свои собственные определяющие характеристики. Без использования иерархии классов, для каждого объекта пришлось бы задать все характеристики, которые бы исчерпывающи его определяли. Однако при использовании наследования можно описать объект путём определения того общего класса (или классов), к которому он относится, с теми специальными чертами, которые делают объект уникальным. Наследование играет очень важную роль в OOP.

Класс геометрических фигур (эллипс, многоугольник) может иметь методы для геометрических трансформаций (смещение, поворот, масштабирование).

Читайте также:  Можно ли обновлять пиратский виндовс

Класс потоков имеет методы для последовательной передачи данных. Потоком может быть информация, вводимая пользователем с терминала, обмен данными по компьютерной сети, файл (если требуется последовательная обработка данных, например, при разборе исходных текстов программ).

В объектно-ориентированных языках

В объектно-ориентированных языках класс является абстрактным типом данных. [Прим. 1] Полиморфизм реализуется с помощью наследования классов и виртуальных функций. Класс-потомок наследует сигнатуры методов класса-родителя, а реализация, в результате переопределения метода, этих методов может быть другой, соответствующей специфике класса-потомка. Другие функции могут работать с объектом как с экземпляром класса-родителя, но если при этом объект на самом деле является экземпляром класса-потомка, то во время исполнения будет вызван метод, переопределенный в классе-потомке. Это называется поздним связыванием. [Примером использования может служить обработка массива, содержащего экземпляры как класса-родителя, так и класса-потомка: очевидно, что такой массив может быть объявлен только как массив типа класса-родителя и у объектов массива могут вызываться только методы этого класса, но если в классе-потомке какие-то методы были переопределены, то в режиме исполнения для экземпляров этого класса будут вызваны именно они, а не методы класса-родителя.]

Класс-потомок сам может быть родителем. Это позволяет строить сложные схемы наследования — древовидные или сетевидные.

Абстрактные (или чисто виртуальные) методы не имеют реализации вообще (на самом деле некоторые языки, например C++, допускают реализацию абстрактных методов в родительском классе). Они специально предназначены для наследования. Их реализация должна быть определена в классах-потомках.

Класс может наследовать функциональность от нескольких классов. Это называется множественным наследованием. Множественное наследование создаёт известную проблему (в C++), когда класс наследуется от нескольких классов-посредников, которые в свою очередь наследуются от одного класса (так называемая «Проблема ромба»): если метод общего предка был переопределён в посредниках, неизвестно, какую реализацию метода должен наследовать общий потомок. Решается эта проблема путём отказа от множественного наследования для классов и разрешением множественного наследования для полностью абстрактных классов (то есть интерфейсов) (C#, Delphi, Java), либо через виртуальное наследование (C++).

В функциональных языках

Полиморфизм в функциональных языках будет рассмотрен на примере языка Haskell.

В Haskell существует два вида полиморфизма — параметрический (чистый) и специальный, (на основе классов [Прим. 2] ). Специальный называют еще ad hoc (от лат. ad hoc — специально). Их можно отличить следующим образом:

Параметрический полиморфизм

В случае параметрического полиморфизма функция реализована для всех классов одинаково, и, таким образом, реализована вообще для произвольного типа данных. Например, функция сортировки одинакова для данных любого типа, если функция сравнения данных задана отдельно. См. также Метапрограммирование.

Специальный полиморфизм

Специальный (или лат. ad hoc ) полиморфизм допускает специальную реализацию для данных каждого типа. Например, используемая в нашем примере функцией сортировки функция сравнения должна быть определена по-разному для чисел, кортежей, списков, т. е. она является специально полиморфной. [источник не указан 931 день]

В Haskell есть деление на классы и экземпляры (instance), которого нет в ООП. Класс определяет набор и сигнатуры методов (возможно, задавая для некоторых или всех из них реализации по умолчанию), а экземпляры реализуют их. Таким образом, автоматически отпадает проблема множественного наследования. Классы не наследуют и не переопределяют методы других классов — каждый метод принадлежит только одному классу. Такой подход проще, чем сложная схема взаимоотношений классов в ООП. Некоторый тип данных может принадлежать нескольким классам; класс может требовать, чтобы каждый его тип обязательно принадлежал к другому классу, или даже нескольким; такое же требование может выдвигать экземпляр. Это аналоги множественного наследования. Есть и некоторые свойства, не имеющие аналогов в ООП. Например, реализация списка, как экземпляра класса сравнимых величин, требует, чтобы элементы списка также принадлежали к классу сравнимых величин.

Программистам, переходящим от ООП к ФП, следует знать важное отличие их системы классов. Если в ООП класс «привязан» к объекту, т. е. к данным, то в ФП — к функции. В ФП сведения о принадлежности к классу передаются при вызове функции, а не хранятся в полях объекта. Такой подход, в частности, позволяет решить проблему метода нескольких объектов (в ООП метод вызывается у одного объекта). Пример: метод сложения (чисел, строк) требует двух аргументов, причем одного типа.

Читайте также:  Офлайн доступ что это такое

Неявная типизация

В некоторых языках программирования (например, в Python и Ruby) применяется так называемая утиная типизация [2] (другие названия: латентная, неявная), которая представляет собой разновидность сигнатурного полиморфизма. Таким образом, например, в языке Python полиморфизм не обязательно связан с наследованием.

Формы полиморфизма

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

Статический и динамический полиморфизм

(упоминается в классической книге Саттера и Александреску, которая является источником).

Полиморфизм может пониматься как наличие точек кастомизации в коде, когда один и тот же написанный программистом фрагмент кода может означать разные операции в зависимости от чего-либо.

В одном случае конкретный смысл фрагмента зависит от того, в каком окружении код был построен. Это т.н. статический полиморфизм. Перегрузка функций, шаблоны в Си++ реализуют именно статический полиморфизм. Если в коде шаблонного класса вызвана, например, std::sort, то реальный смысл вызова зависит от того, для каких именно типовых параметров будет развернут данный шаблон — вызовется одна из std::sort .

В другом случае конкретный смысл фрагмента определяется только на этапе исполнения и зависит от того, как именно и где именно был построен данный объект. Это обычный, динамический полиморфизм, реализуется через виртуальные методы.

Полиморфизм включения

Этот полиморфизм называют чистым полиморфизмом. Применяя такую форму полиморфизма, родственные объекты можно использовать обобщенно. С помощью замещения и полиморфизма включения можно написать один метод для работы со всеми типами объектов TPerson. Используя полиморфизм включения и замещения можно работать с любым объектом, который проходит тест «is-A». Полиморфизм включения упрощает работу по добавлению к программе новых подтипов, так как не нужно добавлять конкретный метод для каждого нового типа, можно использовать уже существующий, только изменив в нем поведение системы. С помощью полиморфизма можно повторно использовать базовый класс; использовать любого потомка или методы, которые использует базовый класс.

Параметрический полиморфизм

Используя Параметрический полиморфизм можно создавать универсальные базовые типы. В случае параметрического полиморфизма, функция реализуется для всех типов одинаково и таким образом функция реализована для произвольного типа. В Параметрическом полиморфизме рассматриваются параметрические методы и типы.

Если полиморфизм включения влияет на наше восприятие объекта, то параметрические полиморфизм влияет на используемые методы, так как можно создавать методы родственных классов, откладывая объявление типов до времени выполнения. Для избежания написания отдельного метода каждого типа применяется параметрический полиморфизм, при этом тип параметров будет являться таким же параметром, как и операнды.

Вместо того, чтобы писать класс для каждого конкретного типа следует создать типы, которые будут реализованы во время выполнения программы то есть мы создаем параметрический тип.

Полиморфизм переопределения

Абстрактные методы часто относятся к отложенным методам. Класс, в котором определен этот метод может вызвать метод и полиморфизм обеспечивает вызов подходящей версии отложенного метода в дочерних классах. Специальный полиморфизм допускает специальную реализацию для данных каждого типа.

Полиморфизм-перегрузка

Это частный случай полиморфизма. С помощью перегрузки одно и то же имя может обозначать различные методы, причем методы могут различаться количеством и типом параметров, то есть не зависят от своих аргументов. Метод может не ограничиваться специфическими типами параметров многих различных типов.

Сравнение полиморфизма в функциональном и объектно-ориентированном программировании

Система классов в ФП и в ООП устроены по-разному, поэтому к их сравнению следует подходить очень осторожно.

Полиморфизм является довольно обособленным свойством языка программирования. Например, классы в C++ изначально были реализованы как препроцессор для C. Для Haskell же существует алгоритм трансляции программ, использующих специальный полиморфизм, в программы с исключительно параметрическим полиморфизмом.

Несмотря на концептуальные различия систем классов в ФП и ООП, реализуются они примерно одинаково — с помощью таблиц виртуальных методов.Используется часто в Java.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector