Основы программирования — второй семестр 08-09; Михалкович С.С.; VIII часть

Полиморфизм и виртуальные методы

Вводные понятия

Для объектно-ориентированного программирования часто приводят следующую формулу:

ООП = инкапсуляция + наследование + полиморфизм

Рассмотрим последнюю часть этой формулы - полиморфизм.

Полиморфизм дословно означает многообразие форм.
Более точно, полиморфизм — это способность родственных классов выполнять действия с одинаковыми именами сходным образом.

Пример.
Есть класс

Студент
    Готовиться_к_экзамену()

И два его наследника:

Хороший_студент
    Готовиться_к_экзамену()

и

Плохой студент
    Готовиться_к_экзамену()

Действие Готовиться_к_экзамену() они выполняют по-разному.

Рассмотрим следующий код:

var p: Person;
p := new Student('Иванов', 17, 1, 11);
p.Print();

Вопрос: какой метод Print вызовется?
Ответ: В разных языках программирования вызовутся Print разных классов:

• в таких языках, как Java, Eiffel — Student.Print
• а в C++, C#, PasacalABC.NET — Person.Print

Т.о. в PascalABC.NET вызовется метод Person.Print, но, хотелось бы, чтобы вызывался метод Student.Print.

Если решение о том, какой метод вызывать, принимается на этапе компиляции (рано), то связывание имени метода с конкретным кодом называется ранним связыванием.

Если же решение о том, какой метод вызывать, принимается на этапе выполнения программы (поздно), то связывание имени метода с конкретным кодом называется поздним связыванием.
Позднее связывание осущесвляется с методом того класса, на который ссылается переменная в процессе выполнения программы.

Итак, в PascalABC.NET по умолчанию реализовано раннее связывание.

Позднее связывание и виртуальные методы

Чтобы обеспечить позднее связывание в языке Pascal, соответствующие методы надо сделать виртуальными в базовом классе.

type
  Person = class
  ...
  public
    ...
    procedure Print; virtual;
    begin
      WriteFormat('Имя: {0}  Возраст: {1}  ', 
        fName, fAge);
    end;
  end;
  
  Student = class(Person)
  ...
  public
    procedure Print; override;
    begin
      inherited Print;
      WriteFormat('Курс: {0}  Группа: {1}  ', 
        fCourse, fGroup);
    end;
  end;

При переопределении виртуального метода в классе-потомке используется ключевое слово override.

Примечание. Переопределяющий виртуальный метод должен иметь те же параметры и тот же тип возвращаемого значения.

Вернемся к рассмотренному ранее коду:

var p: Person;
p := new Student('Иванов', 17, 1, 11);
p.Print();

Теперь решение о том, какой метод вызывать, будет отложено до этапа выполнения, и будет вызвано Print того класса, на объект которого ссылается переменная в текущий момент (в данном случае — для Student).

Вызов виртуального метода осуществляется немного медленнее обычного метода.

Полиморфизм в объектно-ориентированных программирования реализуется через механизм виртуальных методов.

Переменная базового класса, содержащая виртуальные методы, называется полиморфной переменной.
Она имеет статический тип (заявленный при объявлении) и динамический (тип объекта, на который она ссылается в данный момент выполнения программы).

Замечание. Обычная подпрограмма также может быть полиморфной.
Пример.

procedure Print(p: Person);
begin
  p.Print(); // обращение полиморфизма
end;
...
Print(new Student(...));

Обычная подпрограмма называется полиморфной, если она содержит хотя бы один полиморфный параметр.

Виртуальные методы как блоки замены кода

Рассмотрим следующий полиморфный метод:

procedure polymorph(p: Base);
begin
  p.Method1;
  p.Method2;
  p.Method3;
end;

Напишем класс StudentInSession, унаследовав его от Base:

procedure polymorph(p: Base);
type
  Base = class
  public 
    procedure Method1; virtual;
    procedure Method2; virtual;
    procedure Method3; virtual;
  end;
  
  StudentInSession = class(Base)
  public
    procedure Method1; override;
    begin
      writeln('Sleep');
    end;
    procedure Method2; override;
    begin
      writeln('Eat');
    end;
    procedure Method3; override;
    begin
      writeln('Think');
    end;
  end;

...

polymorph(new StudentInSession);

Места вызовов виртуальных методов в некотором коде могут быть заменены все одновременно с использованием следующего приема:

• Определим от базового класса, объект которого вызывает эти методы, потомка, в котором переопределим данные виртуальные методы.
• При конструировании вместо объекта базового класса создадим объект потомка и присвоим его указанной полиморфной переменной. При этом все вызовы виртуальных методов будут вызывать код для потомка.

Замечание. Код, содержащий вызовы виртуальных методов, всегда проектируется с учетом будущих изменений. При создании, в будущем, нового потомка этот код может вести себя совершенно по-другому, выполняя лишь основную роль. Поэтому мы всегда, когда пишем код с вызовами виртуальных методов, думаем о будущем.

Класс Base создавался только для того, чтобы его виртуальные методы были переопределены в потомке.

Виртуальные методы, предназначенные для переопределения в потомке и ничего не выполняющие, называются абстрактными, а класс, их содержащий — абстрактным классом.
Объекты абстрактных классов создавать нельзя.

В соответствии с этим, сделаем наш базовый класс Base абстрактным:

type Base = class
public 
  procedure Method1; virtual; abstract;
  procedure Method2; virtual; abstract;
  procedure Method3; virtual; abstract;
end;

Класс Object — неявный предок всех классов .NET

Все классы в PascalABC.NET, если не указан другой предок, наследуются от класса Object.

Т.е. и integer, и string — классы.

<xh4> Интерфейс класса Object </xh4>

Object = class
    function Equals(o: Object): boolean; virtual;
    function ToString: string; virtual;
    function GetType: System.Type;

Примечание. Как нам известно, использовать ключевые слова в качестве идентификаторов запрещено. Однако, можно использовать перед ними символ «&». Тогда можно, например, описать переменную &type.

Метод Equals

Сравнивает текущий объект с объектом o и, если они равны, возвращает true, иначе — false.

По умолчанию, все встроенные (а именно — размерные) типы и тип string сравниваются по значению, а все классы — по ссылке (две переменные считаются равными, если ссылаются на один объект).
Это можно изменить, переопределив метод Equals в потомке.

Метод ToString

Возвращает строковое представление объекта.
Если не переопределен, то возвращает имя типа.

Метод GetType

Возвращает объект типа System.Type, который характеризует тип данного объекта.

Пример 1.

var i: integer := 5;
begin
  var s: string := i.ToString;
end.

<xh4> Переопределение методов Equals и ToString в классах Person и Student </xh4>

type  Person = class 
...
public
...
function Equals(o: object): boolean;
begin
  if o = nil then
    Result := false
  else if GetType <> o.GetType then
    Result := false
  else
  begin
    var p := Person(o);
    Result := (Name = p.Name) and (Age = p.Age);
  end;
end;

function ToString: string;
begin
  Result := Format(
    'Имя: {0}  Возраст: {1}  ', 
    fName, fAge);
end;

type  Student = class(Person)
...
public
...
function Equals(o: object): boolean;
begin
  Result := inherited Equals(o);
  if Result then
  begin
    var s := Student(o);
    Result := (Course = s.Course) and (Group = s.Group);
  end;
end;

function ToString: string;
begin
  Result := inherited ToString + Format(
    'Курс: {0}  Группа: {1}  ', 
    fCourse, fGroup);
end;

Полный текст новой версии классов Person и Student

Пример 2. Родословная переменной.

uses University;

procedure PrintLineage(o: object);
begin
  var t := o.GetType;
  writeln(t.Name);
  
  repeat
    t := t.BaseType;
    if t = nil then
      exit;
    writeln(t.Name);
  until false;
end;

begin
  var s := new SeniorStudent('Иванов', 20, 4, 11, new Teacher('Петров'), Magister);
  PrintLineage(s);
end.

Замечание. Полиморфизм обеспечивает изменчивость в будущем уже откомпилированного кода за счет создания подклассов.