Полиморфизм для начинающих
Постановка задачи
Предположим, на сайте нужны три вида публикаций — новости, объявления и статьи. В чем-то они похожи — у всех них есть заголовок и текст, у новостей и объявлений есть дата. В чем-то они разные — у статей есть авторы, у новостей — источники, а у объявлений — дата, после которой оно становится не актуальным.
Самые простые варианты, которые приходят в голову — написать три отдельных класса и работать с ними. Или написать один класс, в которым будут все свойства, присущие всем трем типам публикаций, а задействоваться будут только нужные. Но ведь для разных типов аналогичные по логике методы должны работать по-разному. Делать несколько однотипных методов для разных типов (get_news, get_announcements, get_articles) — это уже совсем неграмотно. Тут нам и поможет полиморфизм.
Абстрактный класс
Грубо говоря, это класс-шаблон. Он реализует функциональность только на том уровне, на котором она известна на данный момент. Производные же классы ее дополняют. Но, пора перейти от теории к практике. Сразу оговорюсь, рассматривается примитивный пример с минимальной функциональностью. Все объяснения — в комментариях в коде.
// а этот метод должен напечатать публикацию, но мы не знаем, как именно это сделать, и потому объявляем его абстрактным
abstract public function do_print ();
>
Производные классы
Теперь можно перейти к созданию производных классов, которые и реализуют недостающую функциональность.
Теперь об использовании
Суть в том, что один и тот же код используется для обьектов разных классов.
Вот и все. Легким движением руки брюки превращаются в элегантные шорты :-).
Основная выгода полиморфизма — легкость, с которой можно создавать новые классы, «ведущие себя» аналогично родственным, что, в свою очередь, позволяет достигнуть расширяемости и модифицируемости. В статье показан всего лишь примитивный пример, но даже в нем видно, насколько использование абстракций может облегчить разработку. Мы можем работать с новостями точно так, как с объявлениями или статьями, при этом нам даже не обязательно знать, с чем именно мы работаем! В реальных, намного более сложных приложениях, эта выгода еще ощутимей.
Немного теории
Введение в ООП с примерами на C#. Часть первая. Все, что нужно знать о полиморфизме
Авторизуйтесь
Введение в ООП с примерами на C#. Часть первая. Все, что нужно знать о полиморфизме
Я много писал на смежные темы, вроде концепции MVC, Entity Framework, паттерна «Репозиторий» и т.п. Моим приоритетом всегда было полное раскрытие темы, чтобы читателю не приходилось гуглить недостающие детали. Этот цикл статей опишет абсолютно все концепции ООП, которые могут интересовать начинающих разработчиков. Однако эта статья предназначена не только для тех, кто начинает свой путь в программировании: она написана и для опытных программистов, которым может потребоваться освежить свои знания.
Сразу скажу, далеко в теорию мы вдаваться не будем — нас интересуют специфичные вопросы. Где это будет нужно, я буду сопровождать повествование кодом на C#.
Что такое ООП и в чём его плюсы?
«ООП» значит «Объектно-Ориентированное Программирование». Это такой подход к написанию программ, который основывается на объектах, а не на функциях и процедурах. Эта модель ставит в центр внимания объекты, а не действия, данные, а не логику. Объект — реализация класса. Все реализации одного класса похожи друг на друга, но могут иметь разные параметры и значения. Объекты могут задействовать методы, специфичные для них.
ООП сильно упрощает процесс организации и создания структуры программы. Отдельные объекты, которые можно менять без воздействия на остальные части программы, упрощают также и внесение в программу изменений. Так как с течением времени программы становятся всё более крупными, а их поддержка всё более тяжёлой, эти два аспекта ООП становятся всё более актуальными.
Что за концепции ООП?
Сейчас коротко о принципах, которые мы позже рассмотрим в подробностях:
Ладно, тут мы коснулись большого количества теории, настало время действовать. Я надеюсь, это будет интересно.
Полиморфизм
В этой статье мы рассмотрим буквально все сценарии использования полиморфизма, использование параметров и разные возможные типы мышления во время написания кода.
Перегрузка методов
В главном методе Program.cs теперь напишем следующее:
И теперь, когда мы это запустим, вывод будет следующим:
DisplayOverload 100
DisplayOverload method overloading
DisplayOverload method overloading100
Мы получим ошибку компиляции:
Error: Type ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload’ already defines a member called ‘DisplayOverload’ with the same parameter types
Здесь вы можете видеть две функции, которые различаются только по возвращаемому типу, и скомпилировать это нельзя.
…то у нас это не получится:
Error: Type ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload’ already defines a member called ‘DisplayOverload’ with the same parameter types
Здесь присутствуют два метода, принимающих целое число в качестве аргумента, с той лишь разницей, что один из них помечен как статический.
То нас ждёт разочарование:
Error: Cannot define overloaded method ‘DisplayOverload’ because it differs from another method only on ref and out
Что нужно запомнить: на идентификатор метода оказывают влияние только его имя и параметры (их тип, количество). Модификаторы доступа не влияют. Двух методов с одинаковыми идентификаторами существовать не может.
Роль ключевого слова params в полиморфизме
Параметры могут быть четырёх разных видов:
С первыми тремя мы, вроде, разобрались, теперь подробнее взглянем на четвёртый.
То получим две ошибки:
Error1: The parameter name ‘a’ is a duplicate
Error2: A local variable named ‘a’ cannot be declared in this scope because it would give a different meaning to ‘a’, which is already used in a ‘parent or current’ scope to denote something else
Отсюда следуют вывод: имена параметров должны быть уникальны. Также не могут быть одинаковыми имя параметра метода и имя переменной, созданной в этом же методе.
Overload.cs
Program.cs
Мы получим следующий вывод:
Overload.cs
Program.cs
Это даст нам такой вывод:
Важно: это ключевое слово может быть применено только к последнему аргументу метода, так что метод ниже работать не будет:
Разница между ними в том, что первый запустится, и такая синтаксическая конструкция будет подразумевать, что в метод будет передаваться n массивов строк. Вторая же выдаст ошибку:
Error: The parameter array must be a single dimensional array
Overload.cs
Program.cs
Вывод будет следующим:
Уже вызовет ошибку:
Error: The best overloaded method match for ‘InheritanceAndPolymorphism.Overload.DisplayOverload(int, params string[])’ has some invalid arguments
Error:Argument 2: cannot convert from ‘string[]’ to ‘string’
Думаю, тут всё понятно — или, или. Смешивать передачу отдельными параметрами и одним массивом нельзя.
Overload.cs
Program.cs
После её выполнения мы получим в консоли:
Это происходит из-за того, что при подобном синтаксисе массив передаётся по ссылке. Однако стоит отметить следующую особенность:
Результатом выполнения такого кода будет
Ведь из переданных параметров C# автоматически формирует новый, временный массив.
parameterArray
The two integers 200 300
parameterArray
Overload.cs
Program.cs
В консоли мы увидим:
System.Int32 System.String System.Double
System.Object[] System.Object[] System.Int32 System.String System.Double
В заключение
Основные принципы ООП: инкапсуляция, наследование, полиморфизм
Contents
Абстракция [ ]
Абстра́кция — в объектно-ориентированном программировании это придание объекту характеристик, которые отличают его от всех объектов, четко определяя его концептуальные границы. Основная идея состоит в том, чтобы отделить способ использования составных объектов данных от деталей их реализации в виде более простых объектов, подобно тому, как функциональная абстракция разделяет способ использования функции и деталей её реализации в терминах более примитивных функций, таким образом, данные обрабатываются функцией высокого уровня с помощью вызова функций низкого уровня.
Такой подход является основой объектно-ориентированного программирования. Это позволяет работать с объектами, не вдаваясь в особенности их реализации. В каждом конкретном случае применяется тот или иной подход: инкапсуляция, полиморфизм или наследование. Например, при необходимости обратиться к скрытым данным объекта, следует воспользоваться инкапсуляцией, создав, так называемую, функцию доступа или свойство.
Абстракция данных — популярная и в общем неверно определяемая техника программирования. Фундаментальная идея состоит в разделении несущественных деталей реализации подпрограммы и характеристик существенных для корректного ее использования. Такое разделение может быть выражено через специальный «интерфейс», сосредотачивающий описание всех возможных применений программы [1].
С точки зрения теории множеств, процесс представляет собой организацию для группы подмножеств своего множества. См. также Закон обратного отношения между содержанием и объемом понятия.
Инкапсуляция [ ]
Инкапсуляция — свойство программирования, позволяющее пользователю не задумываться о сложности реализации используемого программного компонента (что у него внутри?), а взаимодействовать с ним посредством предоставляемого интерфейса (публичных методов и членов), а также объединить и защитить жизненно важные для компонента данные. При этом пользователю предоставляется только спецификация (интерфейс) объекта.
Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс. Реализуется с помощью ключевого слова: public.
Пользователь не может использовать закрытые данные и методы. Реализуется с помощью ключевых слов: private, protected, internal.))
Инкапсуляция — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с абстракцией, полиморфизмом и наследованием).
Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих случаях:
предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,
прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.
Наследование [ ]
Наследование — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом и абстракцией), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом.
Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса.
Простое наследование: [ ]
Класс, от которого произошло наследование, называется базовым или родительским (англ. base class). Классы, которые произошли от базового, называются потомками, наследниками или производными классами (англ. derived class).
В некоторых языках используются абстрактные классы. Абстрактный класс — это класс, содержащий хотя бы один абстрактный метод, он описан в программе, имеет поля, методы и не может использоваться для непосредственного создания объекта. То есть от абстрактного класса можно только наследовать. Объекты создаются только на основе производных классов, наследованных от абстрактного. Например, абстрактным классом может быть базовый класс «сотрудник вуза», от которого наследуются классы «аспирант», «профессор» и т. д. Так как производные классы имеют общие поля и функции (например, поле «год рождения»), то эти члены класса могут быть описаны в базовом классе. В программе создаются объекты на основе классов «аспирант», «профессор», но нет смысла создавать объект на основе класса «сотрудник вуза».
Множественное наследование [ ]
При множественном наследовании у класса может быть более одного предка. В этом случае класс наследует методы всех предков. Достоинства такого подхода в большей гибкости. Множественное наследование реализовано в C++. Из других языков, предоставляющих эту возможность, можно отметить Python и Эйфель. Множественное наследование поддерживается в языке UML.
Множественное наследование — потенциальный источник ошибок, которые могут возникнуть из-за наличия одинаковых имен методов в предках. В языках, которые позиционируются как наследники C++ (Java, C# и др.), от множественного наследования было решено отказаться в пользу интерфейсов. Практически всегда можно обойтись без использования данного механизма. Однако, если такая необходимость все-таки возникла, то, для разрешения конфликтов использования наследованных методов с одинаковыми именами, возможно, например, применить операцию расширения видимости — «::» — для вызова конкретного метода конкретного родителя.
Попытка решения проблемы наличия одинаковых имен методов в предках была предпринята в языке Эйфель, в котором при описании нового класса необходимо явно указывать импортируемые члены каждого из наследуемых классов и их именование в дочернем классе.
Большинство современных объектно-ориентированных языков программирования (C#, Java, Delphi и др.) поддерживают возможность одновременно наследоваться от класса-предка и реализовать методы нескольких интерфейсов одним и тем же классом. Этот механизм позволяет во многом заменить множественное наследование — методы интерфейсов необходимо переопределять явно, что исключает ошибки при наследовании функциональности одинаковых методов различных классов-предков.
Полиморфизм [ ]
Полиморфи́зм — 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:
Формы полиморфизма [ ]
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.
Параметрические метод [ ]
Если полиморфизм включения влияет на наше восприятие объекта, то параметрический полиморфизм влияет на используемые методы, так как можно создавать методы родственных классов, откладывая объявление типов до времени выполнения. Для во избежание написания отдельного метода каждого типа применяется параметрический полиморфизм, при этом тип параметров будет являться таким же параметром, как и операнды.
Параметрические типы. [ ]
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.
ООП с примерами (часть 2)
Волею судьбы мне приходится читать спецкурс по паттернам проектирования в вузе. Спецкурс обязательный, поэтому, студенты попадают ко мне самые разные. Конечно, есть среди них и практикующие программисты. Но, к сожалению, большинство испытывают затруднения даже с пониманием основных терминов ООП.
Для этого я постарался на более-менее живых примерах объяснить базовые понятия ООП (класс, объект, интерфейс, абстракция, инкапсуляция, наследование и полиморфизм).
Первая часть посвящена классам, объектам и интерфейсам.
Вторая часть, представленная ниже, иллюстрирует инкапсуляцию, полиморфизм и наследование
Инкапсуляция
Представим на минутку, что мы оказались в конце позапрошлого века, когда Генри Форд ещё не придумал конвейер, а первые попытки создать автомобиль сталкивались с критикой властей по поводу того, что эти коптящие монстры загрязняют воздух и пугают лошадей. Представим, что для управления первым паровым автомобилем необходимо было знать, как устроен паровой котёл, постоянно подбрасывать уголь, следить за температурой, уровнем воды. При этом для поворота колёс использовать два рычага, каждый из которых поворачивает одно колесо в отдельности. Думаю, можно согласиться с тем, что вождение автомобиля того времени было весьма неудобным и трудным занятием.
Теперь вернёмся в сегодняшний день к современным чудесам автопрома с коробкой-автоматом. На самом деле, по сути, ничего не изменилось. Бензонасос всё так же поставляет бензин в двигатель, дифференциалы обеспечивают поворот колёс на различающиеся углы, коленвал превращает поступательное движение поршня во вращательное движение колёс. Прогресс в другом. Сейчас все эти действия скрыты от пользователя и позволяют ему крутить руль и нажимать на педаль газа, не задумываясь, что в это время происходит с инжектором, дроссельной заслонкой и распредвалом. Именно сокрытие внутренних процессов, происходящих в автомобиле, позволяет эффективно его использовать даже тем, кто не является профессионалом-автомехаником с двадцатилетним стажем. Это сокрытие в ООП носит название инкапсуляции.
Инкапсуляция – это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе и скрыть детали
реализации от пользователя.
Инкапсуляция неразрывно связана с понятием интерфейса класса. По сути, всё то, что не входит в интерфейс, инкапсулируется в классе.
Абстракция
Представьте, что водитель едет в автомобиле по оживлённому участку движения. Понятно, что в этот момент он не будет задумываться о химическом составе краски автомобиля, особенностях взаимодействия шестерён в коробке передач или влияния формы кузова на скорость (разве что, автомобиль стоит в глухой пробке и водителю абсолютно нечем заняться). Однако, руль, педали, указатель поворота (ну и, возможно, пепельницу) он будет использовать регулярно.
Абстрагирование – это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения незначимые. Соответственно, абстракция – это набор всех таких характеристик.
Если бы для моделирования поведения автомобиля приходилось учитывать химический состав краски кузова и удельную теплоёмкость лампочки подсветки номеров, мы никогда бы не узнали, что такое NFS.
Полиморфизм
Любое обучение вождению не имело бы смысла, если бы человек, научившийся водить, скажем, ВАЗ 2106 не мог потом водить ВАЗ 2110 или BMW X3. С другой стороны, трудно представить человека, который смог бы нормально управлять автомобилем, в котором педаль газа находится левее педали тормоза, а вместо руля – джойстик.
Всё дело в том, что основные элементы управления автомобиля имеют одну и ту же конструкцию и принцип действия. Водитель точно знает, что для того, чтобы повернуть налево, он должен повернуть руль, независимо от того, есть там гидроусилитель или нет.
Если человеку надо доехать с работы до дома, то он сядет за руль автомобиля и будет выполнять одни и те же действия, независимо от того, какой именно тип автомобиля он использует. По сути, можно сказать, что все автомобили имеют один и тот же интерфейс, а водитель, абстрагируясь от сущности автомобиля, работает именно с этим интерфейсом. Если водителю предстоит ехать по немецкому автобану, он, вероятно выберет быстрый автомобиль с низкой посадкой, а если предстоит возвращаться из отдалённого маральника в Горном Алтае после дождя, скорее всего, будет выбран УАЗ с армейскими мостами. Но, независимо от того, каким образом будет реализовываться движение и внутреннее функционирование машины, интерфейс останется прежним.
Полиморфизм – это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.
Например, если вы читаете данные из файла, то, очевидно, в классе, реализующем файловый поток, будет присутствовать метод похожий на следующий: byte[] readBytes( int n );
Предположим теперь, что вам необходимо считывать те же данные из сокета. В классе, реализующем сокет, также будет присутствовать метод readBytes. Достаточно заменить в вашей системе объект одного класса на объект другого класса, и результат будет достигнут.
При этом логика системы может быть реализована независимо от того, будут ли данные прочитаны из файла или получены по сети. Таким образом, мы абстрагируемся от конкретной специализации получения данных и работаем на уровне интерфейса. Единственное требование при этом – чтобы каждый используемый объект имел метод readBytes.
Наследование
Представим себя, на минуту, инженерами автомобильного завода. Нашей задачей является разработка современного автомобиля. У нас уже есть предыдущая модель, которая отлично зарекомендовала себя в течение многолетнего использования. Всё бы хорошо, но времена и технологии меняются, а наш современный завод должен стремиться повышать удобство и комфорт выпускаемой продукции и соответствовать современным стандартам.
Нам необходимо выпустить целый модельный ряд автомобилей: седан, универсал и малолитражный хэтч-бэк. Очевидно, что мы не собираемся проектировать новый автомобиль с нуля, а, взяв за основу предыдущее поколение, внесём ряд конструктивных изменений. Например, добавим гидроусилитель руля и уменьшим зазоры между крыльями и крышкой капота, поставим противотуманные фонари. Кроме того, в каждой модели будет изменена форма кузова.
Очевидно, что все три модификации будут иметь большинство свойств прежней модели (старый добрый двигатель 1970 года, непробиваемая ходовая часть, зарекомендовавшая себя отличным образом на отечественных дорогах, коробку передач и т.д.). При этом каждая из моделей будет реализовать некоторую новую функциональность или конструктивную особенность. В данном случае, мы имеем дело с наследованием.
Наследование – это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым или родительским. Новый класс – потомком, наследником или производным классом.
Необходимо отметить, что производный класс полностью удовлетворяет спецификации родительского, однако может иметь дополнительную функциональность. С точки зрения интерфейсов, каждый производный класс полностью реализует интерфейс родительского класса. Обратное не верно.
Действительно, в нашем примере мы могли бы произвести с новыми автомобилями все те же действия, что и со старым: увеличить или уменьшить скорость, повернуть, включить сигнал поворота. Однако, дополнительно у нас бы появилась возможность, например, включить противотуманные фонари.
Отсутствие обратной совместимости означает, что мы не должны ожидать от старой модели корректной реакции на такие действия, как включения противотуманок (которых просто нет в данной модели).
Полиморфизм в Python
В этой статье мы изучим полиморфизм, разные типы полиморфизма и рассмотрим на примерах как мы можем реализовать полиморфизм в Python.
Что такое полиморфизм?
В буквальном значении полиморфизм означает множество форм.
Полиморфизм — очень важная идея в программировании. Она заключается в использовании единственной сущности(метод, оператор или объект) для представления различных типов в различных сценариях использования.
Давайте посмотрим на пример:
Пример 1: полиморфизм оператора сложения
Мы знаем, что оператор + часто используется в программах на Python. Но он не имеет единственного использования.
Для целочисленного типа данных оператор + используется чтобы сложить операнды.
Подобным образом оператор + для строк используется для конкатенации.
Здесь мы можем увидеть единственный оператор + выполняющий разные операции для различных типов данных. Это один из самых простых примеров полиморфизма в Python.
Полиморфизм функций
В Python есть некоторые функции, которые могут принимать аргументы разных типов.
Пример 2: полиморфизм на примере функции len()
Вывод:
Полиморфизм функции len()
Полиморфизм в классах
Полиморфизм — очень важная идея в объектно-ориентированном программировании.
Чтобы узнать больше об ООП в Python, посетите эту статью: Python Object-Oriented Programming.
Мы можем использовать идею полиморфизма для методов класса, так как разные классы в Python могут иметь методы с одинаковым именем.
Позже мы сможем обобщить вызов этих методов, игнорируя объект, с которым мы работаем. Давайте взглянем на пример:
Пример 3: полиморфизм в методах класса
Вывод:
Полиморфизм и наследование
Как и в других языках программирования, в Python дочерние классы могут наследовать методы и атрибуты родительского класса. Мы можем переопределить некоторые методы и атрибуты специально для того, чтобы они соответствовали дочернему классу, и это поведение нам известно как переопределение метода(method overriding).
Полиморфизм позволяет нам иметь доступ к этим переопределённым методам и атрибутам, которые имеют то же самое имя, что и в родительском классе.
Давайте рассмотрим пример:
Пример 4: переопределение метода
Вывод:
Благодаря полиморфизму интерпретатор питона автоматически распознаёт, что метод fact() для объекта a (класса Square ) переопределён. И использует тот, который определён в дочернем классе.
С другой стороны, так как метод fact() для объекта b не переопределён, то используется метод с таким именем из родительского класса( Shape ).
Полиморфизм на примере дочерних и родительских классов в питоне
Заметьте, что перегрузка методов(method overloading) — создание методов с одним и тем же именем, но с разными типами аргументов не поддерживается в питоне.