你肯定听说过「多态」,它是 Java 面向对象的特征之一。如 Java 的类继承,这是典型的多态例子。然而,多态的含义远不止此,我们将用几篇文章来介绍:什么是多态,以及重点对比实现多态的两种技术 — SubtypingType Class

此外,我们也会探讨与之相关的某些概念,如 Inheritance、Structure Subtyping 等。

多态的类型

多态的单词 polymorphism 是希腊语 polys 与 morphē 组成,前者表示「很多」,后者表示「形态」。生物学中的「多态性」是指一个物种的同一种群中存在两种或多种明显不同的表型。在计算机科学中,对应地我们可以把它理解成:一个泛化记号可以与不同的特殊行为相关联

根据以上的定义,我们可以将多态大致分为三种:

  • 参数多态
  • 特定多态
  • 子类型多态

一、参数多态

顾名思义,参数多态就是把类型作为参数变量,在我们熟悉的面向对象程序设计中,这被叫做泛型编程。如:

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cala> def head[A](xs: List[A]): A = xs(0)
head: [A](xs: List[A])A
scala> head(1 :: 2 :: Nil)
res0: Int = 1
scala> case class Car(make: String)
defined class Car
scala> head(Car("Civic") :: Car("CR-V") :: Nil)
res1: Car = Car(Civic)

二、特定多态

特定多态(ad hoc polymorphism)并不是像参数多态那样适用于无穷多的类型,而是针对特定问题的解决方案,如熟悉的重载、强制类型转换机制。在 Scala 中我们可以通过 implicit conversion 或 implicit parameters 来实现特定多态,它比 Haskell 中的 Type Class 更加强大,我们会在后面进一步介绍。

三、子类型多态

子类型多态也被描述为「动态多态」,因为它指的是在运行期(非编译期)判断所引用对象的实际类型,可以通过使用类继承和虚函数机制来实现。本科程序设计教学中,这被直接称为多态。

接下来,我们来重点了解下什么是子类型化(Subtyping)。

Subtyping

定义

In general, subtyping means the substitutability of values of an supertype by values of a subtype.

可见,子类型化核心是一种「类型的替代性关系」,表示为:S <: T(其中 ST 的子类)。在需要 T 类型的地方,S 类型同样兼容,如 IntegerNumber 的子类:

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scala> def f(a: Number) = print(a)
f: (a: Number)Unit
scala> f(1: Integer)
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scala> f("a")
<console>:9: error: type mismatch

这不免让人想到 Java 中的类继承,class A extends class B 可以实现上述的类型替代,因为在 Java 中,类与类型大部分情况下都是等价的(在 Java 泛型出现前)。

所以,Inheritance(继承) 与 Subtyping 就是等价的吗?答案是否定的。

Inheritance

先来看下什么是 Inheriting:

Inheritance refers to reuse of implementations. A type B inherits from another type A if some functions for B are written in terms of functions of A.

原来 Inheritance 与 Subtyping 是完全不同的概念。前者强调「实现的复用」,而后者只是类型语义上的关系,与实现压根没关系。

可以说,部分语言如 Java,由于在声明 subtyping 关系同时也声明了 Inheritance 关系,所以造成了我们这种混淆。然而,在一些其它支持 structural subtyping (如 OCaml)中,两则的差异会非常明显。Scala 兼具了以上两者,所以我们可以通过 Scala 中的结构类型来了解后者。

Structural Subtyping

Scala 中的结构类型(Stuctural Types)经常被描述为「类型安全的鸭子类型(duck typing)」。

你可以通过阅读 <译> Scala 类型的类型(五) 来认识结构类型。

简单来说,Scala 提供了结构类型,如 {def foo: Bar} 来代表任何对象,它们包含了一个叫作 foo 并返回 Bar 类型的方法。在这里,它代表了一个类型,且完美符合了 Subtyping 的类型替代原则,然而它不是一个类,并没有所谓的继承关系。

总结

通过本篇的介绍我们明白了什么是多态,什么是 Subtyping,以及实现 Subtyping 的两种不同的方式。在下一篇,我们将介绍 Type Class,如开头所提到,这是另一种实现多态的重要技术。