C++程序設(shè)計(jì)中的多態(tài)技術(shù)研究

2019-11-17 05:07:39

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供稿：網(wǎng)友

　　導(dǎo)言

　　多態(tài)（polymorphism）一詞最初來(lái)源于希臘語(yǔ)polumorphos，含義是具有多種形式或形態(tài)的情形。在程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一個(gè)廣泛認(rèn)可的定義是“一種將不同的非凡行為和單個(gè)泛化記號(hào)相關(guān)聯(lián)的能力”。

和純粹的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言不同，C++中的多態(tài)有著更廣泛的含義。除了常見(jiàn)的通過(guò)類(lèi)繼續(xù)和虛函數(shù)機(jī)制生效于運(yùn)行期的動(dòng)態(tài)多態(tài)（dynamic polymorphism）外，模板也答應(yīng)將不同的非凡行為和單個(gè)泛化記號(hào)相關(guān)聯(lián)，由于這種關(guān)聯(lián)處理于編譯期而非運(yùn)行期，因此被稱(chēng)為靜態(tài)多態(tài)（static polymorphism）。

　　事實(shí)上，帶變量的宏和函數(shù)重載機(jī)制也答應(yīng)將不同的非凡行為和單個(gè)泛化記號(hào)相關(guān)聯(lián)。然而，習(xí)慣上我們并不將它們展現(xiàn)出來(lái)的行為稱(chēng)為多態(tài)（或靜態(tài)多態(tài)）。今天，當(dāng)我們談及多態(tài)時(shí)，假如沒(méi)有明確所指，默認(rèn)就是動(dòng)態(tài)多態(tài)，而靜態(tài)多態(tài)則是指基于模板的多態(tài)。不過(guò)，在這篇以C++各種多態(tài)技術(shù)為主題的文章中，我們首先還是回顧一下C++社群爭(zhēng)論已久的另一種“多態(tài)”：函數(shù)多態(tài)（function polymorphism），以及更不常提的“宏多態(tài)（macro polymorphism）”。

　　函數(shù)多態(tài)

　　也就是我們常說(shuō)的函數(shù)重載（function overloading）。基于不同的參數(shù)列表，同一個(gè)函數(shù)名字可以指向不同的函數(shù)定義：

// overload_poly.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜string＞

// 定義兩個(gè)重載函數(shù)

int my_add(int a, int b)
{
　return a + b;
}

int my_add(int a, std::string b)
{
　return a + atoi(b.c_str());
}

int main()
{
　int i = my_add(1, 2); // 兩個(gè)整數(shù)相加
　int s = my_add(1, "2"); // 一個(gè)整數(shù)和一個(gè)字符串相加
　std::cout ＜＜ "i = " ＜＜ i ＜＜ "/n";
　std::cout ＜＜ "s = " ＜＜ s ＜＜ "/n";
}
　　根據(jù)參數(shù)列表的不同（類(lèi)型、個(gè)數(shù)或兼而有之），my_add(1, 2)和my_add(1, "2")被分別編譯為對(duì)my_add(int, int)和my_add(int, std::string)的調(diào)用。實(shí)現(xiàn)原理在于編譯器根據(jù)不同的參數(shù)列表對(duì)同名函數(shù)進(jìn)行名字重整，而后這些同名函數(shù)就變成了彼此不同的函數(shù)。比方說(shuō)，也許某個(gè)編譯器會(huì)將my_add()函數(shù)名字分別重整為my_add_int_int()和my_add_int_str()。

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　　宏多態(tài)

　　帶變量的宏可以實(shí)現(xiàn)一種初級(jí)形式的靜態(tài)多態(tài)：

// macro_poly.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜string＞

// 定義泛化記號(hào)：宏ADD
#define ADD(A, B) (A) + (B);

int main()
{
　int i1(1), i2(2);
　std::string s1("Hello, "), s2("world!");
　int i = ADD(i1, i2); // 兩個(gè)整數(shù)相加
　std::string s = ADD(s1, s2); // 兩個(gè)字符串“相加”
　std::cout ＜＜ "i = " ＜＜ i ＜＜ "/n";
　std::cout ＜＜ "s = " ＜＜ s ＜＜ "/n";
}
　　當(dāng)程序被編譯時(shí)，表達(dá)式ADD(i1, i2)和ADD(s1, s2)分別被替換為兩個(gè)整數(shù)相加和兩個(gè)字符串相加的具體表達(dá)式。整數(shù)相加體現(xiàn)為求和，而字符串相加則體現(xiàn)為連接。程序的輸出結(jié)果符合直覺(jué)：

1 + 2 = 3
Hello, + world! = Hello, world!
　　動(dòng)態(tài)多態(tài)

　　這就是眾所周知的的多態(tài)。現(xiàn)代面向?qū)ο笳Z(yǔ)言對(duì)這個(gè)概念的定義是一致的。其技術(shù)基礎(chǔ)在于繼續(xù)機(jī)制和虛函數(shù)。例如，我們可以定義一個(gè)抽象基類(lèi)Vehicle和兩個(gè)派生于Vehicle的具體類(lèi)Car和Airplane：

// dynamic_poly.h

#include ＜iostream＞

// 公共抽象基類(lèi)Vehicle
class Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const = 0;
};

// 派生于Vehicle的具體類(lèi)Car
class Car: public Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a car/n";
　　}
};

// 派生于Vehicle的具體類(lèi)Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a airplane/n";
　　}
};
　　客戶(hù)程序可以通過(guò)指向基類(lèi)Vehicle的指針（或引用）來(lái)操縱具體對(duì)象。通過(guò)指向基類(lèi)對(duì)象的指針（或引用）來(lái)調(diào)用一個(gè)虛函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致對(duì)被指向的具體對(duì)象之相應(yīng)成員的調(diào)用：

// dynamic_poly_1.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
#include "dynamic_poly.h"

// 通過(guò)指針run任何vehicle
void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)
{
　vehicle-＞run(); // 根據(jù)vehicle的具體類(lèi)型調(diào)用對(duì)應(yīng)的run()
}

int main()
{
　Car car;
　Airplane airplane;
　run_vehicle(&car); // 調(diào)用Car::run()
　run_vehicle(&airplane); // 調(diào)用Airplane::run()
}
　　此例中，要害的多態(tài)接口元素為虛函數(shù)run()。由于run_vehicle()的參數(shù)為指向基類(lèi)Vehicle的指針，因而無(wú)法在編譯期決定使用哪一個(gè)版本的run()。在運(yùn)行期，為了分派函數(shù)調(diào)用，虛函數(shù)被調(diào)用的那個(gè)對(duì)象的完整動(dòng)態(tài)類(lèi)型將被訪(fǎng)問(wèn)。這樣一來(lái)，對(duì)一個(gè)Car對(duì)象調(diào)用run_vehicle()，實(shí)際上將調(diào)用Car::run()，而對(duì)于Airplane對(duì)象而言將調(diào)用Airplane::run()。

　　或許動(dòng)態(tài)多態(tài)最吸引人之處在于處理異質(zhì)對(duì)象集合的能力：

// dynamic_poly_2.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
#include "dynamic_poly.h"

// run異質(zhì)vehicles集合
void run_vehicles(const std::vector＜Vehicle*＞& vehicles)
{
　for (unsigned int i = 0; i ＜ vehicles.size(); ++i)
　{
　　vehicles[i]-＞run(); // 根據(jù)具體vehicle的類(lèi)型調(diào)用對(duì)應(yīng)的run()
　}
}

int main()
{
　Car car;
　Airplane airplane;
　std::vector＜Vehicle*＞ v; // 異質(zhì)vehicles集合
　v.push_back(&car);
　v.push_back(&airplane);
　run_vehicles(v); // run不同類(lèi)型的vehicles
}
　　在run_vehicles()中，vehicles[i]-＞run()依據(jù)正被迭代的元素的類(lèi)型而調(diào)用不同的成員函數(shù)。這從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了面向?qū)ο缶幊田L(fēng)格的優(yōu)雅。

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靜態(tài)多態(tài)

　　假如說(shuō)動(dòng)態(tài)多態(tài)是通過(guò)虛函數(shù)來(lái)表達(dá)共同接口的話(huà)，那么靜態(tài)多態(tài)則是通過(guò)“彼此單獨(dú)定義但支持共同操作的具體類(lèi)”來(lái)表達(dá)共同性，換句話(huà)說(shuō)，必須存在必需的同名成員函數(shù)。

　　我們可以采用靜態(tài)多態(tài)機(jī)制重寫(xiě)上一節(jié)的例子。這一次，我們不再定義vehicles類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，相反，我們編寫(xiě)彼此無(wú)關(guān)的具體類(lèi)Car和Airplane（它們都有一個(gè)run()成員函數(shù)）：

// static_poly.h

#include ＜iostream＞

//具體類(lèi)Car
class Car
{
　public:
　　void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a car/n";
　　}
};

//具體類(lèi)Airplane
class Airplane
{
　public:
　　void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a airplane/n";
　　}
};

run_vehicle()應(yīng)用程序被改寫(xiě)如下：

// static_poly_1.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
#include "static_poly.h"

// 通過(guò)引用而run任何vehicle
template ＜typename Vehicle＞
void run_vehicle(const Vehicle& vehicle)
{
　vehicle.run(); // 根據(jù)vehicle的具體類(lèi)型調(diào)用對(duì)應(yīng)的run()
}

int main()
{
　Car car;
　Airplane airplane;
　run_vehicle(car); // 調(diào)用Car::run()
　run_vehicle(airplane); // 調(diào)用Airplane::run()
}
　　現(xiàn)在Vehicle用作模板參數(shù)而非公共基類(lèi)對(duì)象（事實(shí)上，這里的Vehicle只是一個(gè)符合直覺(jué)的記號(hào)而已，此外別無(wú)它意）。經(jīng)過(guò)編譯器處理后，我們最終會(huì)得到run_vehicle＜Car＞()和 run_vehicle＜Airplane＞()兩個(gè)不同的函數(shù)。這和動(dòng)態(tài)多態(tài)不同，動(dòng)態(tài)多態(tài)憑借虛函數(shù)分派機(jī)制在運(yùn)行期只有一個(gè)run_vehicle()函數(shù)。

　　我們無(wú)法再透明地處理異質(zhì)對(duì)象集合了，因?yàn)樗蓄?lèi)型都必須在編譯期予以決定。不過(guò)，為不同的vehicles引入不同的集合只是舉手之勞。由于無(wú)需再將集合元素局限于指針或引用，我們現(xiàn)在可以從執(zhí)行性能和類(lèi)型安全兩方面獲得好處：

// static_poly_2.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
#include "static_poly.h"

// run同質(zhì)vehicles集合
template ＜typename Vehicle＞
void run_vehicles(const std::vector＜Vehicle＞& vehicles)
{
　for (unsigned int i = 0; i ＜ vehicles.size(); ++i)
　{
　　vehicles[i].run(); // 根據(jù)vehicle的具體類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的run()
　}
}

int main()
{
　Car car1, car2;
　Airplane airplane1, airplane2;

　std::vector＜Car＞ vc; // 同質(zhì)cars集合
　vc.push_back(car1);
　vc.push_back(car2);
　//vc.push_back(airplane1); // 錯(cuò)誤：類(lèi)型不匹配
　run_vehicles(vc); // run cars

　std::vector＜Airplane＞ vs; // 同質(zhì)airplanes集合
　vs.push_back(airplane1);
　vs.push_back(airplane2);
　//vs.push_back(car1); // 錯(cuò)誤：類(lèi)型不匹配
　run_vehicles(vs); // run airplanes
}

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兩種多態(tài)機(jī)制的結(jié)合使用

　　在一些高級(jí)C++應(yīng)用中，我們可能需要結(jié)合使用動(dòng)態(tài)多態(tài)和靜態(tài)多態(tài)兩種機(jī)制，以期達(dá)到對(duì)象操作的優(yōu)雅、安全和高效。例如，我們既希望一致而優(yōu)雅地處理vehicles的run問(wèn)題，又希望“安全而高效”地完成給飛行器（飛機(jī)、飛艇等）進(jìn)行“空中加油”這樣的高難度動(dòng)作。為此，我們首先將上面的vehicles類(lèi)層次結(jié)構(gòu)改寫(xiě)如下：

// dscombine_poly.h

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞

// 公共抽象基類(lèi)Vehicle
class Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const = 0;
};

// 派生于Vehicle的具體類(lèi)Car
class Car: public Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const
　　{　
　　　std::cout ＜＜ "run a car/n";
　　}
};

// 派生于Vehicle的具體類(lèi)Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a airplane/n";
　　}

　void add_oil() const
　{
　　std::cout ＜＜ "add oil to airplane/n";
　}
};

// 派生于Vehicle的具體類(lèi)Airship
class Airship: public Vehicle
{
　public:
　　virtual void run() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "run a airship/n";
　　}

　　void add_oil() const
　　{
　　　std::cout ＜＜ "add oil to airship/n";
　　}
};
　　我們理想中的應(yīng)用程序可以編寫(xiě)如下：

// dscombine_poly.cpp

#include ＜iostream＞
#include ＜vector＞
#include "dscombine_poly.h"

// run異質(zhì)vehicles集合
void run_vehicles(const std::vector＜Vehicle*＞& vehicles)
{
　for (unsigned int i = 0; i ＜ vehicles.size(); ++i)
　{
　　vehicles[i]-＞run(); // 根據(jù)具體的vehicle類(lèi)型調(diào)用對(duì)應(yīng)的run()
　}
}

　// 為某種特定的aircrafts同質(zhì)對(duì)象集合進(jìn)行“空中加油”
　template ＜typename Aircraft＞
　void add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(const std::vector＜Aircraft＞& aircrafts)
　{
　　for (unsigned int i = 0; i ＜ aircrafts.size(); ++i)
　　{
　　　aircrafts[i].add_oil();
　}
}

　int main()
　{
　　Car car1, car2;
　　Airplane airplane1, airplane2;

　　Airship airship1, airship2;
　　std::vector＜Vehicle*＞ v; // 異質(zhì)vehicles集合
　　v.push_back(&car1);
　　v.push_back(&airplane1);
　　v.push_back(&airship1);
　　run_vehicles(v); // run不同種類(lèi)的vehicles

　　std::vector＜Airplane＞ vp; // 同質(zhì)airplanes集合
　　vp.push_back(airplane1);
　　vp.push_back(airplane2);
　　add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(vp); // 為airplanes進(jìn)行“空中加油”

　　std::vector＜Airship＞ vs; // 同質(zhì)airships集合
　　vs.push_back(airship1);
　　vs.push_back(airship2);
　　add_oil_to_aircrafts_in_the_sky(vs); // 為airships進(jìn)行“空中加油”
}
　　我們保留了類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，目的是為了能夠利用run_vehicles()一致而優(yōu)雅地處理異質(zhì)對(duì)象集合vehicles的run問(wèn)題。同時(shí)，利用函數(shù)模板add_oil_to_aircrafts_in_the_sky＜Aircraft＞()，我們?nèi)匀豢梢蕴幚硖囟ǚN類(lèi)的vehicles — aircrafts（包括airplanes和airships）的“空中加油”問(wèn)題。其中，我們避開(kāi)使用指針，從而在執(zhí)行性能和類(lèi)型安全兩方面達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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　　長(zhǎng)期以來(lái)，C++社群對(duì)于多態(tài)的內(nèi)涵和外延一直爭(zhēng)論不休。在comp.object這樣的網(wǎng)絡(luò)論壇上，此類(lèi)話(huà)題爭(zhēng)論至今仍隨處可見(jiàn)。

曾經(jīng)有人將動(dòng)態(tài)多態(tài)（dynamic polymorphism）稱(chēng)為inclusion polymorphism，而將靜態(tài)多態(tài)（static polymorphism）稱(chēng)為parametric polymorphism或parameterized polymorphism。

　　我注重到2003年斯坦福大學(xué)公開(kāi)的一份C++ and Object-Oriented PRogramming教案中明確提到了函數(shù)多態(tài)概念：Function overloading is also referred to as function polymorphism as it involves one function having many forms。文后的“參考文獻(xiàn)”單元給出了這個(gè)網(wǎng)頁(yè)鏈接。

　　可能你是第一次看到宏多態(tài)（macro polymorphism）這個(gè)術(shù)語(yǔ)。不必訝異 — 也許我就是造出這個(gè)術(shù)語(yǔ)的“第一人”。顯然，帶變量的宏（或類(lèi)似于函數(shù)的宏或偽函數(shù)宏）的替換機(jī)制除了免除小型函數(shù)的調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)之外，也表現(xiàn)出了類(lèi)似的多態(tài)性。在我們上面的例子中，字符串相加所表現(xiàn)出來(lái)的符合直覺(jué)的連接操作，事實(shí)上是由底部運(yùn)算符重載機(jī)制（Operator overloading）支持的。值得指出的是，C++社群中有人將運(yùn)算符重載所表現(xiàn)出來(lái)的多態(tài)稱(chēng)為ad hoc polymorphism。

　　David Vandevoorde和Nicolai M. Josuttis在他們的著作C++ Templates: The Complete Guide一書(shū)中系統(tǒng)地闡述了靜態(tài)多態(tài)和動(dòng)態(tài)多態(tài)技術(shù)。因?yàn)檎J(rèn)為“和其他語(yǔ)言機(jī)制關(guān)系不大”，這本書(shū)沒(méi)有提及“宏多態(tài)”（以及“函數(shù)多態(tài)”）。（需要說(shuō)明的是，筆者本人是這本書(shū)的繁體中文版譯者之一，本文正是基于這本書(shū)的第14章The Polymorphic Power of Templates編寫(xiě)而成）

　　動(dòng)態(tài)多態(tài)只需要一個(gè)多態(tài)函數(shù)，生成的可執(zhí)行代碼尺寸較小，靜態(tài)多態(tài)必須針對(duì)不同的類(lèi)型產(chǎn)生不同的模板實(shí)體，尺寸會(huì)大一些，但生成的代碼會(huì)更快，因?yàn)闊o(wú)需通過(guò)指針進(jìn)行間接操作。靜態(tài)多態(tài)比動(dòng)態(tài)多態(tài)更加類(lèi)型安全，因?yàn)槿拷壎ǘ急粰z查于編譯期。正如前面例子所示，你不可將一個(gè)錯(cuò)誤的類(lèi)型的對(duì)象插入到從一個(gè)模板實(shí)例化而來(lái)的容器之中。此外，正如你已經(jīng)看到的那樣，動(dòng)態(tài)多態(tài)可以?xún)?yōu)雅地處理異質(zhì)對(duì)象集合，而靜態(tài)多態(tài)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)安全、高效的同質(zhì)對(duì)象集合操作。

　　靜態(tài)多態(tài)為C++帶來(lái)了泛型編程（generic programming）的概念。泛型編程可以認(rèn)為是“組件功能基于框架整體而設(shè)計(jì)”的模板編程。STL就是泛型編程的一個(gè)典范。STL是一個(gè)框架，它提供了大量的算法、容器和迭代器，全部以模板技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從理論上講，STL的功能當(dāng)然可以使用動(dòng)態(tài)多態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)這樣一來(lái)其性能必將大打折扣。

　　靜態(tài)多態(tài)還為C++社群帶來(lái)了泛型模式（generic patterns）的概念。理論上，每一個(gè)需要通過(guò)虛函數(shù)和類(lèi)繼續(xù)而支持的設(shè)計(jì)模式都可以利用基于模板的靜態(tài)多態(tài)技術(shù)（甚至可以結(jié)合使用動(dòng)態(tài)多態(tài)和靜態(tài)多態(tài)兩種技術(shù)）而實(shí)現(xiàn)。正如你看到的那樣，Andrei Alexandrescu的天才作品Modern C++ Design: Generic Programming and Design Patterns Applied（Addison-Wesley）和Loki程序庫(kù)已經(jīng)走在了我們的前面。

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