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C++多態(tài)技術(shù)
《程序員》2004/0
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摘要
本文介紹了C++中的各種多態(tài)性，重點(diǎn)闡述了面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)多態(tài)和基于模板的靜態(tài)多態(tài)，并初探兩種技術(shù)的結(jié)合使用。
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關(guān)鍵詞
函數(shù)多態(tài)?宏多態(tài) 動(dòng)態(tài)多態(tài) 靜態(tài)多態(tài)
導(dǎo)言
多態(tài)（polymorphism）一詞最初來源于希臘語(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“
一種將不同的特殊行為和單個(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。除了常見的通過
類繼承和虛函數(shù)機(jī)制生效于運(yùn)行期的動(dòng)態(tài)多態(tài)（
dynamic polymorphism
）外，模板也允許將不同的特殊行為和單個(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)制也允許將不同的特殊行為和單個(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)出來的行為稱為多態(tài)（或靜態(tài)多態(tài)）。今天，當(dāng)我們談及多態(tài)時(shí)，如果沒有明確所指，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，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，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()。
?
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：
?
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
繼承機(jī)制和虛函數(shù)。例如，我們可以定義一個(gè)抽象基類Vehicle
和兩個(gè)派生于Vehicle的具體類Car和Airplane：
?
// dynamic_poly.h
#include <iostream>
// 公共抽象基類Vehicle
class Vehicle
{
public:
??? virtual void run() const = 0;
};
// 派生于Vehicle的具體類Car
class Car: public Vehicle
{
public:
??? virtual void run() const
??? {
??????? std::cout << "run a car\n";
??? }
};
// 派生于Vehicle的具體類Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
public:
??? virtual void run() const
??? {
??????? std::cout << "run a airplane\n";
??? }
};
客戶程序可以通過指向基類Vehicle的指針（或引用）來操縱具體對(duì)象。通過指向基類對(duì)象的指針（或引用）來調(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"
// 通過指針run任何vehicle
void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)
{
??? vehicle->run();??????????? // 根據(jù)vehicle的具體類型調(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，關(guān)鍵的多態(tài)接口元素為
虛函數(shù)run()。由于
run_vehicle()的參數(shù)為指向基類Vehicle的指針
，因而無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)類型將被訪問。這樣一來，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不同類型的vehicles
}
在run_vehicles()中，vehicles[i]->run()
依據(jù)正被迭代的元素的類型而調(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。
靜態(tài)多態(tài)
如果說動(dòng)態(tài)多態(tài)是通過虛函數(shù)來表達(dá)共同接口的話，那么靜態(tài)多態(tài)則是通過“彼此單獨(dú)定義但支持共同操作的具體類”來表達(dá)共同性，換句話說，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)制重寫上一節(jié)的例子。這一次，我們不再定義vehicles類層次結(jié)構(gòu)，相反，我們編寫彼此無關(guān)的具體類Car和Airplane（它們都有一個(gè)run()成員函數(shù)）：
?
// static_poly.h
#include <iostream>
//具體類Car
class Car
{
public:
??? void run() const
??? {
??????? std::cout << "run a car\n";
??? }
};
//具體類Airplane
class Airplane
{
public:
??? void run() const
??? {
??????? std::cout << "run a airplane\n";
??? }
};
run_vehicle()應(yīng)用程序被改寫如下：?
// static_poly_1.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "static_poly.h"
// 通過引用而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)而非公共基類對(duì)象（事實(shí)上，這里的
Vehicle只是一個(gè)符合直覺的記號(hào)而已，此外別無它意
）。經(jīng)過編譯器處理后，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)。
?
我們無法再透明地處理異質(zhì)對(duì)象集合了，因?yàn)樗蓄愋投急仨氃诰幾g期予以決定。不過，為不同的vehicles引入不同的集合只是舉手之勞。由于無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：類型不匹配
??? run_vehicles(vs);???????????????? // run airplanes
}
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類層次結(jié)構(gòu)改寫如下：
?
// dscombine_poly.h
#include <iostream>
#include <vector>
// 公共抽象基類Vehicle
class Vehicle
{
??? public:
??? virtual void run() const = 0;
};
// 派生于Vehicle的具體類Car
class Car: public Vehicle
{
public:
??? virtual void run() const
??? {
??????? std::cout << "run a car\n";
??? }
};
// 派生于Vehicle的具體類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類的vehicles — aircrafts（包括airplanes和airships）的“空中加油”問題。其中，我們避開使用指針，從而在
執(zhí)行性能和類型安全兩方面達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
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結(jié)語(yǔ)
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長(zhǎng)期以來，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，此類話題爭(zhēng)論至今仍隨處可見。曾經(jīng)有人將動(dòng)態(tài)多態(tài)稱為inclusion polymorphism，而將靜態(tài)多態(tài)稱為parametric polymorphism或parameterized polymorphism。
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我注意到2003年斯坦福大學(xué)公開的一份《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。
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可能你是第一次看到宏多態(tài)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)用開銷之外，也表現(xiàn)出了類似的多態(tài)性。在我們上面的例子中，字符串相加所表現(xiàn)出來的符合直覺的連接操作，事實(shí)上是由底部運(yùn)算符重載機(jī)制支持的。值得指出的是，C++社群中有人將運(yùn)算符重載所表現(xiàn)出來的多態(tài)稱為ad hoc polymorphism。
David Vandevoorde和Nicolai M. Josuttis在他們的著作《C++ Templates: The
Complete Guide》一書中系統(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”，這本書沒有提及宏多態(tài)（以及函數(shù)多態(tài)）。（需要說明的是，筆者本人是這本書的繁體中文版譯者之一，本文正是基于這本書的第14章“The Polymorphic Power of Templates”寫作而成）
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需通過指針進(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)誤的類型的對(duì)象插入到從一個(gè)模板實(shí)例化而來的容器之中。此外，正如你已經(jīng)看到的那樣，動(dòng)態(tài)多態(tài)可以優(yōu)雅地處理異質(zhì)對(duì)象集合，而靜態(tài)多態(tài)可以用來實(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)來實(shí)現(xiàn)，不過這樣一來其性能必將大打折扣。
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靜態(tài)多態(tài)還為C++社群帶來了泛型模式（generic patterns）的概念。理論上，每一個(gè)需要通過虛函數(shù)和類繼承而支持的設(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。
參考文獻(xiàn)
1.
David Vandevoorde, Nicolai M. Josuttis, C++ Templates: The Complete Guide, Addison Wesley, 2002.
2.
Chris Neumann, CS193d (Summer 2003) C++ and Object-Oriented Programming, http://www.stanford.edu/class/cs193d/, 2003.
榮耀
200
3
年10月
南京師范大學(xué)
www.royaloo.com
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