展现子类型多态的魅力------从面向类型的观点看多态(一)

                展现子类型多态的魅力

                  从面向类型的观点看多态(一)

 

 

摘要：

    Java程序员经常运用对象的多态性使其在适当的地方调用适当的方法，显得很神奇。这种方法通过继承机制来实现。然而，一个严谨的实验可以使其变得很明白，并揭示了，把多态性理解为与类型相关的概念更为合适，比继承机制的解释更好。这种理解可以帮助程序员更好的运用多态。（3600字）

                                        ------WM.保罗 罗格斯

 

 

    “polymorphism(多态）”一词来自希腊语，意为“多种形式”。多数Java程序员把多态看作对象的一种能力，使其能调用正确的方法版本。尽管如此，这种面向实现的观点导致了多态的神奇功能，胜于仅仅把多态看成纯粹的概念。

    Java中的多态总是子类型的多态。几乎是机械式产生了一些多态的行为，使我们不去考虑其中涉及的类型问题。本文研究了一种面向类型的对象观点，分析了如何将对象能够表现的行为和对象即将表现的行为分离开来。抛开Java中的多态都是来自继承的概念，我们仍然可以感到，Java中的接口是一组没有公共代码的对象共享实现。

   

多态的分类

    多态在面向对象语言中是个很普遍的概念.虽然我们经常把多态混为一谈，但实际上有四种不同类型的多态。在开始正式的子类型多态的细节讨论前，然我们先来看看普通面向对象中的多态。

    Luca Cardelli和Peter Wegner（"On Understanding Types, Data Abstraction, and Polymorphism"一文的作者， 文章参考资源链接）把多态分为两大类----特定的和通用的----四小类：强制的，重载的，参数的和包含的。他们的结构如下：

 

                              |-- 强制的

                 |-- 特定的 --|

                              |-- 重载的

          多态 --|

                              |-- 参数的

                 |-- 通用的 --|

                              |-- 包含的

在这样一个体系中，多态表现出多种形式的能力。通用多态引用有相同结构类型的大量对象，他们有着共同的特征。特定的多态涉及的是小部分没有相同特征的对象。四种多态可做以下描述：

    强制的：一种隐式做类型转换的方法。

    重载的：将一个标志符用作多个意义。

    参数的：为不同类型的参数提供相同的操作。

    包含的：类包含关系的抽象操作。

我将在讲述子类型多态前简单介绍一下这几种多态。

 

强制的多态

强制多态隐式的将参数按某种方法，转换成编译器认为正确的类型以避免错误。在以下的表达式中，编译器必须决定二元运算符‘+’所应做的工作：

    2.0 + 2.0

    2.0 + 2

    2.0 + "2"

第一个表达式将两个double的操作数相加；Java中特别声明了这种用法。

 

第二个表达式将double型和int相加。Java中没有明确定义这种运算。不过，编译器隐式的将第二个操作数转换为double型，并作double型的加法。做对程序员来说十分方便，否则将会抛出一个编译错误，或者强制程序员显式的将int转换为double。

 

第三个表达式将double与一个String相加。Java中同样没有定义这样的操作。所以，编译器将double转换成String类型，并将他们做串联。

 

强制多态也会发生在方法调用中。假设类Derived继承了类Base，类C有一个方法，原型为m(Base)，在下面的代码中，编译器隐式的将Derived类的对象derived转化为Base类的对象。这种隐式的转换使m(Base)方法使用所有能转换成Base类的所有参数。

    C c = new C();

    Derived derived = new Derived();

    c.m( derived );

并且，隐式的强制转换，可以避免类型转换的麻烦，减少编译错误。当然，编译器仍然会优先验证符合定义的对象类型。

 

重载的多态

重载允许用相同的运算符或方法，去表示截然不同的意义。‘+’在上面的程序中有两个意思：两个double型的数相加；两个串相连。另外还有整型相加，长整型，等等。这些运算符的重载，依赖于编译器根据上下文做出的选择。以往的编译器会把操作数隐式转换为完全符合操作符的类型。虽然Java明确支持重载，但不支持用户定义的操作符重载。

 

Java支持用户定义的函数重载。一个类中可以有相同名字的方法，这些方法可以有不同的意义。这些重载的方法中，必须满足参数数目不同，相同位置上的参数类型不同。这些不同可以帮助编译器区分不同版本的方法。

编译器以这种唯一表示的特征来表示不同的方法，比用名字表示更为有效。据此，所有的多态行为都能编译通过。

 

强制和重载的多态都被分类为特定的多态，因为这些多态都是在特定的意义上的。这些被划入多态的特性给程序员带来了很大的方便。强制多态排除了麻烦的类型和编译错误。重载多态像一块糖，允许程序员用相同的名字表示不同的方法，很方便。

 

参数的多态

参数多态允许把许多类型抽象成单一的表示。例如，List抽象类中，描述了一组具有同样特征的对象，提供了一个通用的模板。你可以通过指定一种类型以重用这个抽象类。这些参数可以是任何用户定义的类型，大量的用户可以使用这个抽象类，因此参数多态毫无疑问的成为最强大的多态。

 

乍一看，上面抽象类好像是java.util.List的功能。然而，Java实际上并不支持真正的安全类型风格的参数多态，这也是java.util.List和java.util的其他集合类是用原始的java.lang.Object写的原因（参考我的文章"A Primordial Interface?" 以获得更多细节）。Java的单根继承方式解决了部分问题，但没有发挥出参数多态的全部功能。Eric Allen有一篇精彩的文章“Behold the Power of Parametric Polymorphism”，描述了Java通用类型的需求，并建议给Sun的Java规格需求#000014号文档"Add Generic Types to the Java Programming Language."（参考资源链接）

 

包含的多态

包含多态通过值的类型和集合的包含关系实现了多态的行为.在包括Java在内的众多面向对象语言中，包含关系是子类型的。所以，Java的包含多态是子类型的多态。

 

在早期，Java开发者们所提及的多态就特指子类型的多态。通过一种面向类型的观点，我们可以看到子类型多态的强大功能。以下的文章中我们将仔细探讨这个问题。为简明起见，下文中的多态均指包含多态。

 

面向类型观点

图1的UML类图给出了类和类型的简单继承关系，以便于解释多态机制。模型中包含5种类型，4个类和一个接口。虽然UML中称为类图，我把它看成类型图。如"Thanks Type and Gentle Class," 一文中所述，每个类和接口都是一种用户定义的类型。按独立实现的观点（如面向类型的观点），下图中的每个矩形代表一种类型。从实现方法看，四种类型运用了类的结构，一种运用了接口的结构。

 

                  图1：示范代码的UML类图

 

 

 

以下的代码实现了每个用户定义的数据类型，我把实现写得很简单。

 

 

 

/* Base.java */

public class Base

{

  public String m1()

  {

    return "Base.m1()";

  }

 

  public String m2( String s )

  {

    return "Base.m2( " + s + " )";

  }

}

 

/* IType.java */

interface IType

{

  String m2( String s );

 

  String m3();

}

 

/* Derived.java */

public class Derived

  extends Base

  implements IType

{

  public String m1()

  {

    return "Derived.m1()";

  }

 

  public String m3()

  {

    return "Derived.m3()";

  }

}

 

/* Derived2.java */

public class Derived2

  extends Derived

{

  public String m2( String s )

  {

    return "Derived2.m2( " + s + " )";

  }

 

  public String m4()

  {

    return "Derived2.m4()";

  }

}

 

/* Separate.java */

public class Separate

  implements IType

{

  public String m1()

  {

    return "Separate.m1()";

  }

 

  public String m2( String s )

  {

    return "Separate.m2( " + s + " )";

  }

 

  public String m3()

  {

    return "Separate.m3()";

  }

}

 

用这样的类型声明和类的定义，图2从概念的观点描述了Java指令。

 

Derived2 derived2 = new Derived2();

 

    图2 ：Derived2 对象上的引用

 

上文中声明了derived2这个对象，它是Derived2类的。图2种的最顶层把Derived2引用描述成一个集合的窗口，虽然其下的Derived2对象是可见的。这里为每个Derived2类型的操作留了一个孔。Derived2对象的每个操作都去映射适当的代码，按照上面的代码所描述的那样。例如，Derived2对象映射了在Derived中定义的m1()方法。而且还重载了Base类的m1()方法。一个Derived2的引用变量无权访问Base类中被重载的m1()方法。但这并不意味着不可以用super.m1()的方法调用去使用这个方法。关系到derived2这个引用的变量，这个代码是不合适的。Derived2的其他的操作映射同样表明了每种类型操作的代码执行。

 

既然你有一个Derived2对象，可以用任何一个Derived2类型的变量去引用它。如图1所示，Derived, Base和IType都是Derived2的基类。所以，Base类的引用是很有用的。图3描述了以下语句的概念观点。

Base base = derived2;

 

 

 

图3：Base类引用附于Derived2对象之上

 

虽然Base类的引用不用再访问m3()和m4()，但是却不会改变它Derived2对象的任何特征及操作映射。无论是变量derived2还是base，其调用m1()或m2(String)所执行的代码都是一样的。

 

String tmp;

 

// Derived2 reference (Figure 2)

tmp = derived2.m1();             // tmp is "Derived.m1()"

tmp = derived2.m2( "Hello" );    // tmp is "Derived2.m2( Hello )"

 

// Base reference (Figure 3)

tmp = base.m1();                 // tmp is "Derived.m1()"

tmp = base.m2( "Hello" );        // tmp is "Derived2.m2( Hello )"

 

两个引用之所以调用同一个行为，是因为Derived2对象并不知道去调用哪个方法。对象只知道什么时候调用，它随着继承实现的顺序去执行。这样的顺序决定了Derived2对象调用Derived里的m1()方法，并调用Derived2里的m2(String)方法。这种结果取决于对象本身的类型，而不是引用的类型。

 

尽管如此，但不意味着你用derived2和base引用的效果是完全一样的。如图3所示，Base的引用只能看到Base类型拥有的操作。所以，虽然Derived2有对方法m3()和m4()的映射，但是变量base不能访问这些方法。

 

String tmp;

 

// Derived2 reference (Figure 2)

tmp = derived2.m3();             // tmp is "Derived.m3()"

tmp = derived2.m4();             // tmp is "Derived2.m4()"

 

// Base reference (Figure 3)

tmp = base.m3();                 // Compile-time error

tmp = base.m4();                 // Compile-time error

 

运行期的Derived2对象保持了接受m3()和m4()方法的能力。类型的限制使Base的引用不能在编译期调用这些方法。编译期的类型检查像一套铠甲，保证了运行期对象只能和正确的操作进行相互作用。换句话说，类型定义了对象间相互作用的边界。

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