Книга: Основы объектно-ориентированного программирования

Перегрузка и универсальность

Два технических приема - перегрузка (overloading) и универсальность (genericity) предлагают свои решения, направленные на достижение большей гибкости описанных выше механизмов. Рассмотрим, что же они могут дать.

Синтаксическая перегрузка

Перегрузка - это связывание с одним именем более одного содержания. Наиболее часто перегружаются имена переменных: почти во всех языках программирования различные по смыслу переменные могут иметь одно и то же имя, если они принадлежат различным модулям (различным блокам - в языке Algol и подобных ему).

Для этого обсуждения более существенной является перегрузка подпрограмм, частным случаем которой является перегрузка операторов, которая позволяет использовать одинаковые имена для нескольких подпрограмм. Такая возможность почти всегда имеет место для арифметических операторов: одна и та же запись, a +b, означает различные виды сложения, в зависимости от типов a и b (целые, вещественные с обычной точностью, вещественные с удвоенной точностью). Начиная с языка Algol 68, в котором допускалась перегрузка основных операторов, некоторые языки программирования распространили возможность перегрузки на операции, определяемые пользователем, и на обычные подпрограммы.

Например, в языке Ada пакет может содержать несколько подпрограмм с одним и тем же именем, но с разной сигнатурой, определяемой здесь числом и типами аргументов. В общем случае сигнатура функций содержит также тип результата, но язык Ada разрешает перегрузку, учитывающую только аргументы. Например, пакет может содержать несколько функций square:^4.5)

square (x: INTEGER): INTEGER is do ... end
square (x: REAL): REAL is do ... end
square (x: DOUBLE): DOUBLE is do ... end
square (x: COMPLEX): COMPLEX is do ... end

Тогда при вызове square (y) тип аргумента y определит, какой вариант подпрограммы имелся в виду.

Подобным же образом, пакет может описывать набор функций поиска одинакового вида:

has (t: "SOME_TABLE_TYPE"; x: ELEMENT) is do ... end

Каждая из них задает свою реализацию и отличается фактическим типом, используемым вместо "SOME_TABLE_TYPE". Тип первого фактического аргумента, в любом клиентском вызове has, позволяет определить, какая из подпрограмм имелась в виду.

Из этих соображений следует общая характеризация перегрузки, которая будет полезной, когда несколько позже это свойство будет сопоставляться с универсальностью:

Роль перегрузки

Перегрузка подпрограмм является средством, предназначенным для клиентов. Она позволяет писать один и тот же текст, используя разные реализации некоторого понятия.

Так что же дает перегрузка подпрограмм решению проблемы повторного использования? Не много. Это - синтаксическое средство, освобождающее разработчиков от необходимости придумывать различные имена для разных реализаций некоторой операции и, по существу, перекладывает эту ношу на компьютер. Но это не решает ни одной из ключевых задач повторного использования. В частности, перегрузка не дает ничего для выполнения требования Независимости Представлений. Когда записывается вызов

has (t, x)

то необходимо будет объявить t, а следовательно (даже если скрытие информации освобождает вас от заботы о деталях каждого варианта алгоритма поиска) нужно точно знать, каков вид таблицы t! Единственным достоинством перегрузки является то, что во всех случаях можно пользоваться одним и тем же именем. Без перегрузки в каждой реализации потребуется другое имя, например

has_binary_tree (t, x)
has_hash (t, x)
has_linked (t, x)

Но является ли таки достоинством возможность избежать использования различных имен? Наверное нет. Основным правилом создания ПО, объектно оно или нет, является принцип честности (non-deception): различия в семантике должны отражаться в различиях текстов программ. Это позволяет существенно улучшить понятность ПО и минимизировать опасность возникновения ошибок. Если подпрограммы has являются различными, то использование для них одинакового имени может вводить в заблуждение - при чтении текста программы возникает предположение, что это одинаковые подпрограммы. Лучше предложить клиенту немного более многословный текст (как в случае введенных выше индивидуальных имен) и устранить какую-либо опасность путаницы.

Чем больше анализируешь перегрузку, тем более ограниченной она выглядит.

Критерий, используемый для устранения неоднозначности вызовов - сигнатуры списков аргументов - не обладает никакими конкретными достоинствами. Он работает в приведенных выше примерах, где все различные перегружаемые процедуры square и has имеют разные сигнатуры, но нетрудно представить себе множество случаев, когда у разных вариантов сигнатуры совпадают. Одним из простейших примеров перегрузки, по-видимому, является множество функций системы компьютерной графики, используемых для создания новых точек, например в виде:

p1 := new_point (u, v)

Точку можно задать: декартовыми координатами x и y; или полярными координатами r и q (расстоянием от начала координат и углом, отсчитываемым от горизонтальной оси). Но если перегрузить функцию new_point, то возникнет затруднение, связанное с тем, что оба варианта имеют одинаковую сигнатуру:

new_point (p, q: REAL): POINT

Этот пример, да и многие подобные ему, показывает, что сигнатура типов может не устранять неоднозначность перегружаемых вариантов. Но ничего лучшего не было предложено.

Семантическая перегрузка (предварительное представление)

Описанную форму перегрузки подпрограмм можно назвать синтаксической перегрузкой. В ОО-подходе будет предложена намного более интересная методика, динамическое связывание, отвечающая целям Независимости Представлений. Динамическое связывание можно назвать семантической перегрузкой. При использовании этой методики и соответствующим образом подобранном синтаксисе можно записать некоторый эквивалент has (t, x) как запрос на выполнение.

Смысл такого запроса примерно таков:

В отличие от синтаксической перегрузки, такая семантическая перегрузка является прямым ответом на требование Независимости Представлений. Все еще остается подозрение о нарушении принципа честности (non-deception), и ответом будет использование утверждений (assertions), задающих общую семантику подпрограммы, имеющей много различных вариантов (например, общие свойства, характеризующие has при всевозможных реализациях таблицы).

Поскольку для надлежащей работы механизма семантической перегрузки требуется использование всего ОО-аппарата, в частности - наследования, то понятно, что синтаксическая перегрузка является лишь полумерой. В ОО-языке наличие синтаксической перегрузки наряду с динамическим связыванием может лишь приводить к путанице, как это происходит в языках C++ и Java, которые позволяют классу использовать несколько процедур с одним и тем же именем, возлагая разрешение неоднозначности вызовов на компилятор и человека, читающего текст программы.

Универсальность (genericity)

Универсальность - это механизм определения параметризованных шаблонов модулей (module patterns), параметры которых представляют собой типы. Это средство является прямым ответом на требование Изменчивости Типов. Оно устраняет необходимость использования многих модулей, таких как:

INTEGER_TABLE_HANDLING
ELECTRON_TABLE_HANDLING
ACCOUNT_TABLE_HANDLING

Вместо этого разрешается написать единственный шаблон модуля в виде:

TABLE_HANDLING [G]

Имя G, представляющее произвольный тип, и называется формальным родовым параметром (formal generic parameter). (Позже мы можем встретиться с необходимостью иметь два или более родовых параметров, но сейчас ограничимся одним.)

Такой параметризованный шаблон называется универсальным модулем (generic module), хотя это еще не настоящий модуль, а лишь общая схема - шаблон многих возможных модулей. Для получения фактического модуля из шаблона, следует задать некоторый тип, называемый фактическим родовым параметром. Модули, получаемые из шаблона заменой формального параметра G на фактический, записываются, например, в виде:

TABLE_HANDLING [INTEGER]
TABLE_HANDLING [ELECTRON]
TABLE_HANDLING [ACCOUNT]

Типы INTEGER, ELECTRON и ACCOUNT использованы, соответственно, в качестве фактических родовых параметров. Такой процесс получения фактического модуля из универсального модуля (шаблона модуля) называется родовым порождением (generic derivation), а сам модуль будет называться "универсально порожденным" (generically derived.).

Внутренне, описание унифицированного модуля TABLE_HANDLING будет напоминать приведенное выше описание INTEGER_TABLE_HANDLING, за исключением того, что для ссылки на тип элементов таблицы используется G вместо INTEGER. Например:

package TABLE_HANDLING [G] feature
type BINARY_TREE is
record
info: G
left, right: BINARY_TREE
end
has (t: BINARY_TREE; x: G): BOOLEAN
-- Содержится ли x в t?
do ... end
put (t: BINARY_TREE; x: G) is
-- Включить x в t.
do ... end
(и т.д.)
end -- пакета TABLE_HANDLING

В этом подходе некоторое замешательство вызывает то обстоятельство, что тип, объявленный BINARY_TREE, хотелось бы сделать универсальным и объявить его как BINARY_TREE [G]. Нет очевидного способа достижения этой возможности при "пакетном" подходе. Однако объектная технология объединит понятия модуля и типа, так что проблема будет решена автоматически. Мы убедимся в этом, когда узнаем, как интегрировать универсальность (genericity) в ОО-мир.

Интересно сопоставить определение универсальности с приведенным ранее определением перегрузки:

Роль универсальности

Универсальность является средством, предназначенным для поставщиков. Она позволяет писать один и тот же текст, используя одну и ту же реализацию некоторого понятия, применяемую к различным видам объектов.

Как же универсальность способствует реализации целей этой лекции? В отличие от синтаксической перегрузки, универсальность дает реальный вклад в решение наших проблем, поскольку, как было отмечено выше, она обеспечивает выполнение одного из основных требований, Изменчивости Типов. И при изложении объектной технологии в лекциях 7-18 этого курса значительное внимание будет уделено универсальности.

Основные методы модульности: оценка

Мы получили два основных результата. Одним из них является идея создания единого синтаксического "жилища", такого как пакетная конструкция (package construct), для множества подпрограмм, все из которых работают с однородными объектами. Вторым результатом является универсальность, приводящая к более гибкой форме модуля.

Все это, однако, охватывает лишь две проблемы повторного использования, Группирование Подпрограмм и Изменчивость Типов, и оказывает некоторое содействие в решении оставшихся трех проблем - Изменчивости Реализаций, Независимости Представлений и Факторизации Общего Поведения. Универсальность, в частности, недостаточна для решения проблемы Факторизации, поскольку определяет лишь два уровня. У нас появляется универсальный модуль, параметризованный и, следовательно, открытый для изменений, но непосредственно не применимый. На другом уровне у нас есть отдельные родовые порождения, пригодные для непосредственного применения, но закрытые для дальнейших изменений. Это не позволяет уловить тонкие различия, которые могут существовать между конкурирующими представлениями заданной общей идеи.

Что касается Независимости Представлений, то здесь мы почти не продвинулись. Ни один из рассмотренных методов - не считая беглого знакомства с семантической перегрузкой - не позволяет клиенту пользоваться различными реализациями некоторого общего понятия, не имея сведений о том, какая реализация будет выбрана в каждом случае.

Для решения этих проблем нам понадобится вся мощь ОО-концепций.

Оглавление книги