深入浅出话多态（上）——具体而微

深入浅出话多态（上）——具体而微

小序

       前几天写了一篇《深入浅出话委托》，很多兄弟姐妹发Mail说还算凑合，又有兄弟说能不能写一篇类似的文章，讲解一下什么是“多态”。一般情况下我写文章都是出于有感而发：一来做个思考的总结（怕时间长了就忘记了），二来与大家分享一下。“多态”实在是个大概念，我没有仔细研究过，更不消说在实践中有深入的使用，所以本文纯属硬着头皮上——如果内容有什么闪失，请大家别客气——猛拍砖就是了。

       上面一段是前几天写的！昨天晚上看了巴西进八强的比赛，我虽然是个绝对的伪球迷，但我也能看出来人家肥罗的球技啊！人家的意识，丝毫不像是在踢世界杯，纯粹就是表演……台上三分钟，台下十年功啊！我们一起练程序，就要把代码写到这个程度，让我们一起无限量提高自己的技术吧！

 

正文

一．什么是多态（Polymorphism）

       多态（Polymorphism）是面向对象（Object-Oriented，OO）思想“三大特征”之一，其余两个分别是封装（Encapsulation）和继承（Inheritance）——可见多态的重要性。或者说，不懂得什么是多态就不能说懂得面向对象。

       多态是一种机制、一种能力，而非某个关键字。它在类的继承中得以实现，在类的方法调用中得以体现。

       先让我们看看MSDN里给出的定义：

       Through inheritance, a class can be used as more than one type; it can be used as its own type, any base types, or any interface type if it implements interfaces. This is called polymorphism. In C#, every type is polymorphic. Types can be used as their own type or as a Object instance, because any type automatically treats Object as a base type.

       译文：通过继承，一个类可以被当作不止一个数据类型（type）使用，它可以被用做自身代表的数据类型（这是最常用的），还可以被当作它的任意基类所代表的数据类型，乃至任意接口类型——前提是这个类实现了这个接口。这一机制称为“多态”。在C#中，所有的数据类型都是多态的。任意一个数据类型都可以被当作自身来使用，也可以当作Object类型来使用（我怀疑原文有问题，那个instance可能是原作者的笔误），因为任何数据类型都自动以Object为自己的基类。

       呵呵，除非你已经早就知道了什么是多态然后翻过头来看上面一段话，不然我敢打保票——我是清清楚楚的，你是稀里糊涂的。OK，不难为大家了，我用几个句子说明一下多态的思想。

       我们先把前文中提到的“接口”理解为“一组功能的集合”，把“类”理解为功能的实现体。这样的例子多了去了。我们就拿生物界做比喻了：

       功能集合1：呼吸系统

       功能集合2：血液循环系统

       功能集合3：神经系统

       功能集合4：语言系统

       类1：灵长类动物。此类实现了1到3功能集合。

       类2：猴子类。继承自类1。新添加了“爬树”的功能。

       类3：人类。继承自类1。同时实现了功能集合4。

       类4：男人类。继承自类3。新添加了“写程序”的功能。

       类5：女人类。继承自类3。新添加了“发脾气”的功能。

 

作业：请大家把上面的关系用图画出来

 

OK，让我们看下面的话，判断对错：

1.        男人是男人             （√）            原因：本来就是！

2.        男人是人                （√）            原因：人类是男人类的基类

3.        男人是灵长类动物    （√）            原因：灵长类是男人类的更抽象层基类

4.        男人是会说话的       （√）            原因：男人类的基类实现了语言系统

5.        女人是猴子             （×）            原因：如果我这么说，会被蹁死

6.        猴子是女人             （×）            原因：女人不是猴子的基类

7.        人会写程序             （×）            原因：写程序方法是在男人类中才具体实现的

8.        女人会发脾气          （√）            原因：因为我说5……

 

哈哈！现在你明白什么是多态了吧！其实是非常简单的逻辑思维。上面仅仅是多态的一个概念，下面我们通过代码去研习一下程序中的多态到底是什么。

二．多态的基础——虚函数（virtual）和重写（override）

       很多公司在面试的时候常拿下面几个问题当开胃小菜：

1.        如何使用virtual和override？

2.        如何使用abstract和override？

3.        “重写”与“重载”一样吗？

4.        “重写”、“覆盖”、“隐藏”是同一个概念吗？

 

       今天我们学习多态，其实就是解决问题1。前面已经提到过，多态机制是依靠继承机制实现的。那么，在常规继承机制的基础之上，在基类中使用virtual函数，并在其派生类中对virtual函数进行override，那么多态机制就自然而然地产生了。

 

小议virtual：

       呵呵，我这人比较笨——有我的老师和同学为证——学东西奇慢无比，所以当初在C++中学习virtual的历程是我心中永远挥之不去的阴影……倒霉就倒霉在这个“虚”字上了。“实”的我还云里雾里呢，更何况这“虚”的，“虚”的还没搞清楚呢，“纯虚”又蹦出来了，我#@$%!^#&&!……

       还好，我挺过来了……回顾这段学习历程，我发现万恶之源就是这个“虚”字。

       在汉语中，“虚”就是“无”，“无”就是“没有”，没有的事情就“不可说”、“不可讲”——那还讲个X？？老师也头疼，学生更头疼。拜初中语文老师所赐，我的语言逻辑还算过关，总感觉virtual function译为“虚函数”有点词不达意。

       找来词典一查，virtual有这样一个词条：

Existing or resulting in essence or effect though not in actual fact, form, or name:

实质上的，实际上的：虽然没有实际的事实、形式或名义，但在实际上或效果上存在或产生的：

例句：

the virtual extinction of the buffalo.

野牛实际上已经绝迹（隐含的意思是“尽管野牛还木有死光光，但从效果上来讲……”）

啊哦~~让我想起一句话：

有的人活着他已经死了；有的人死了他还活着……

不禁有点惊叹于母语的博大精深——

virtual function中的virtual应该译做“名存实亡”而不是“虚”！

OK，下面就让我们看看类中的virtual函数是怎么个“名存实亡”法。

 

例子1：非virtual / override程序

//                          水之真谛                                     //
//            http://blog.csdn.net/FantasiaX               //
//                   上善若水，润物无声                             //

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace Sample
{
       // 演员（类）
       class Actor
       {
              public void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Doing a show...");
              }
       }

       // 乐手（类），继承自Actor类
       class Bandsman : Actor
       {
              // 子类同名方法隐藏父类方法
              // 其实标准写法应该是：
              // public new void DoShow(){...}
              // 为了突出"同名"，我把new省了，编译器会自动识别
              public void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing musical instrument...");
              }
       }

       // 吉他手（类），继承自Bandsman类
       class Guitarist : Bandsman
       {
              public new void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing a guitar solo...");
              }
       }

       class Program
       {
              static void Main(string[] args)
              {
                     // 正常声明
                     Actor actor = new Actor();
                     Bandsman bandsman = new Bandsman();
                     Guitarist guitarist = new Guitarist();

                     // 一般情况下，随着类的承继和方法的重写
                     // 方法是越来越具体、越来越个性化
                     actor.DoShow();
                     bandsman.DoShow();
                     guitarist.DoShow();

                     Console.WriteLine("===========================");
                    
                     //尝试多态用法
                     Actor myActor1 = new Bandsman();               //正确：乐手是演员
                     Actor myActor2 = new Guitarist();                  //正确：吉他手是演员
                     Bandsman myBandsman = new Guitarist();   //正确：吉他手是乐手

                     //仍然调用的是引用类型自身的方法，而非派生类的方法
                     myActor1.DoShow();
                     myActor2.DoShow();
                     myBandsman.DoShow();
              }
       }
}

代码分析：

1.        一上来，演员类、乐手类、吉他手类形成一个继承链。

2.        乐手类和吉他手类作为子类，都把其父类的DoShow()方法“隐藏”了。

3.        特别强调：“隐藏”不是“覆盖”，后面要讲的“重写”才是真正的“覆盖”。

4.        隐藏是使用new修饰符实现的，但这个修饰符可以省略。

5.        隐藏（Hide）的含意是：父类的这个函数实际上还在，只是被子类的同名“藏起来”了。

6.        重写（override）与覆盖是同一个含意，只是覆盖并非编程的术语，但“覆盖”比较形象。

7.        主程序代码的上半部分是常规使用方法，没什么好说的。

8.        主程序代码的下半部分已经算是多态了，但由于没有使用virtual和override，多态最有价值的效果——个性化方法实现——没有体现出来。后面的例子专门体现这一点。

 

例子2：应用virtual / override，真正的多态

//                          水之真谛                                     //
//            http://blog.csdn.net/FantasiaX               //
//                   上善若水，润物无声                             //

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace Sample
{
       // 演员（类）
       class Actor
       {
              // 使用了virtual来修饰函数
              // 此函数已经"名存实亡"了
              public virtual void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Doing a show...");
              }
       }

       // 乐手（类），继承自Actor类
       class Bandsman : Actor
       {
              // 使用了override来修饰函数
              // 此函数将取代（重写）父类中的同名函数
              public override void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing musical instrument...");
              }
       }

       // 吉他手（类），继承自Bandsman类
       class Guitarist : Bandsman
       {
              public override void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing a guitar solo...");
              }
       }

       class Program
       {
              static void Main(string[] args)
              {
                     // 正常声明
                     Actor actor = new Actor();
                     Bandsman bandsman = new Bandsman();
                     Guitarist guitarist = new Guitarist();

                     // 一般情况下，随着类的承继和方法的重写
                     // 方法是越来越具体、越来越个性化
                     actor.DoShow();
                     bandsman.DoShow();
                     guitarist.DoShow();

                     Console.WriteLine("===========================");
                    
                     //尝试多态用法
                     Actor myActor1 = new Bandsman();               //正确：乐手是演员
                     Actor myActor2 = new Guitarist();                  //正确：吉他手是演员
                     Bandsman myBandsman = new Guitarist();   //正确：吉他手是乐手

                     // Look!!!

                     // 调用的是引用类型所引用的实例的方法

                     // 引用类型本身的函数是virtual的

                     // 看似"存在"，实际已经被其子类重写（不是隐藏，而是被kill掉了）

                     // 这正是virtual所要表达的"名存实亡"的本意，而非一个"虚"字所能传达
                     myActor1.DoShow();
                     myActor2.DoShow();
                     myBandsman.DoShow();
              }
       }
}

代码分析：

1.        除了将继承链中最顶层基类的DoShow()方法改为用virtual修饰；把继承链中派生类的DoShow()方法改为override修饰以重写基类的方法。

2.        主程序代码没变，但下半部分产生的效果完全不同！请体会“引用变量本身方法”与“引用变量所引用实例的方法”的不同——这是关键。

多态成因的分析：

为什么会产生这样的效果呢？这里要提到一个“virtual表”的问题。我们看看程序中继承链的构成：Actor à Bandsman à Guitarist。因为派生类不但继承了基类的代码（确切地说是public代码）而且还有自己的特有代码（无论是不是与基类同名，都是自己特有的）。从程序的逻辑视角来看，你可以这样想象：在内存中，子类的实例所占的内存块是在父类所占的内存块的基础上“追加”了一小块——拜托大家自己画画图。这多出来的一小块里，装的就是子类特有的数据和代码。

我们仔细分析这几句代码：

1.        Actor actor = new Actor();        //常规的声明及分配内存方法
因为类是引用类型，所以actor这个引用变量是放在栈里的、类型是Actor类型，而它所引用的实例——同样也是Actor类型的——内存由new操作符来分配并且放在堆里。这样，引用变量与实例的类型一模一样、完全匹配。换句话说：栈里的引用变量所能“管理”的堆中的内存块大小正好、不多也不少。

2.        Actor myActor1 = new Bandsman();                     //正确：乐手是演员
同样是这句代码，在两个例子中产生的效果完全不同。为什么呢？且看！在例1中，在Bandsman类中只是使用new将父类的DoShow()给隐藏了——所起的作用仅限于自己对父类追加的代码块中，丝毫没有影响到父类。而栈中的引用变量是Actor类型的myActor1，它只能管理Actor类实例所占的那么大一块内存，而对追加的内存毫无控制能力（或者说看不见追加的这块内存）。因此，当你使用myActor1.DoShow();调用成员方法时，myActor1只能使唤自己能管到的那块内存里的DoShow()方法。那么例2中呢？难道例2中的myActor1就能管理追加的一块内存了吗？否也！它仍然管理不了，但不要忘了——这时候Actor类中的DoShow()方法已经被virtual所修饰，同时Bandsman类中的DoShow()方法已经被override修饰。这时候，当执行myActor1.DoShow();一句时，myActor1调用自己所管辖的内存块时，发现DoShow()这个函数已经标记为“可被重写”了（其实，在VB.NET中，与C#的virtual关键字对应的关键字就是Overridable，更直白），那么它就会尝试去发现有没有override链（也就是virtual表，即“虚表”）的存在，如果存在，那么就调用override链上的最新可用版本——这就有了我们在例2中看到的效果。

3.        Actor myActor2 = new Guitarist();                  //正确：吉他手是演员
通过这句代码，你也可以想象一下2级重写是怎么形成的，同时也可以感悟一下所谓“重写链上最新的可用版本”是什么意思。

4.        Guitarist myActor2 = new Actor();                  //错误：想一想为什么？
呵呵，这是错误的，原因是引用变量所管理的内存大小超出了实例实际的内存大小。