Polimorfizm (informatyka)

Ten artykuł dotyczy programowania. Sprawdź też: inne znaczenia tego słowa.

Polimorfizm (z gr. wielopostaciowość) - mechanizmy pozwalające programiście używać wartości, zmiennych oraz podprogramów na parę wielorakich sposobów^[1]. Inaczej mówiąc jest to możliwość wyabstrahowania wyrażeń od konkretnych typów^[2].

Przyczyny stosowania polimorfizmu

Podczas pisania programu wygodnie jest traktować nawet zróżnicowane dane w jednolity sposób. Niezależnie czy trzeba wydrukować liczbę czy napis, czytelniej (zazwyczaj) jest kiedy operacja taka nazywa się po prostu drukuj, a nie drukuj_liczbę oraz drukuj_napis. Jednak napis musi być drukowany inaczej niż liczba, dlatego będą istniały dwie implementacje polecenia drukuj, ale nazwanie ich wspólną nazwą tworzy wygodny abstrakcyjny interfejs niezależny od typu drukowanej wartości.

Czasami nawet nie trzeba dostarczać wielorakich implementacji, przykładowo podczas implementacji stosu nie jest bardzo istotne, jakiego typu wartości będą na nim przechowywane. Można napisać ogólne algorytmy obsługujące stos oraz ewentualne ukonkretnienie pozostawić systemowi. Mechanizmy umożliwiające takie udogodnienia nazywane są właśnie polimorfizmem.

Polimorfizm statyczny oraz dynamiczny

Wiele mechanizmów polimorficznych da się napisać ręcznie, jednak wiąże się to wielokrotnie z koniecznością powielania kodu z zaledwie niewielkimi poprawkami, a co za tym idzie rozrost kodu źródłowego oraz jego zaciemnienie. Istotą polimorfizmu jest to aby to system decydował o szczegółach, nie programista. Przez system trzeba tu rozumieć kompilator oraz system czasu wykonania.

Pewne decyzje bywają podjęte już na etapie kompilacji, mamy wtedy do czynienia z polimorfizmem statycznym (czasu kompilacji). Czasami jednak decyzja musi zostać odłożona do momentu wykonywania programu - polimorfizm dynamiczny (czasu wykonania). Przykładem statycznego bywa przeciążanie operatorów - to którą wersję operatora trzeba wywołać da się ustalić podczas kompilacji, natomiast dynamicznego - metody wirtualne - konkretna wersja metody bywa ustalona dopiero w czasie wykonywania programu.

Polimorfizm uniwersalny

Umożliwia pisać ogólne struktury danych oraz algorytmy, bez precyzowania na jakich dokładnie typach one operują oraz bez konieczności dostarczania implementacji odpowiednich dla każdego przypadku.

Polimorfizm parametryczny

Fragmenty programu bywają parametryzowane typami albo po prostu nie precyzować typów danych na jakich operują. Przeważnie w językach bez inferencji typów wprowadza się zmienną typową (czyli zmienną przebiegającą przestrzeń typów, a nie wartości jakiegoś typu), która zastępuje nazwę typu będącego parametrem, w parametryzowanym fragmencie. W językach z inferencją, po prostu nie głosi się typu, a system sam wykrywa, że np. dana funkcja może operować na dowolnym typie oraz sygnalizuje to obecnością zmiennych typowych w wyznaczonym typie.

Przykładem bywają następujące konstrukcje znane z języków imperatywnych:

• szablony (ang. templates) w C++,
• klasy, typy, funkcje oraz metody generyczne (ang. generics) w np. Javie, C#, Adzie.

W zależności od używanego języka specjalizacja uogólnionego algorytmu bywa przeprowadzana automatycznie przez kompilator (C++), w innych językach (Ada) specjalizacja musi być podana jawnie, w jeszcze innych (Java) implementacja jest wspólna, a sprawdzane są zaledwie deklarowane typy podczas kompilacji.

W językach funkcyjnych polimorfizm parametryczny jest bardzo wielokrotnie stosowany. Najprostszym przykładem funkcji polimorficznej jest identyczność:

let id = fun x=x

która jest typu , gdzie α jest zmienną typową. Funkcję da się zaaplikować do argumentu dowolnego typu, a otrzymany wynik będzie tego samego typu co argument. Ciekawszym przypadkiem bywa funkcja

let app = fun f x -> f x

typu , które przyjmuje jako parametry dowolną funkcję oraz wartość której typ zgadza się z typem wejściowym funkcji z pierwszego parametru; zwraca natomiast wartość typu zgodnego z wynikiem funkcji z pierwszego parametru.

Polimorfizm inkluzyjny

Zakłada istnienie zwrotnej oraz przechodniej relacji (praporządku) na typach: τ<:ρ, mówimy wtedy, że τ jest podtypem (typem podrzędnym, ang. subtype) ρ, a ρ nadtypem (typem nadrzędnym, ang. supertype) τ. W miejscu gdzie oczekiwana jest wartość typu nadrzędnego, bywa dostarczona wartość podtypu. Przykładem polimorfizmu inkluzyjnego bywają podtypowanie oraz dziedziczenie, które w ogólnym przypadku składają się na dwie niezależne hierarchie.

Polimorfizm ograniczeniowy

Rozszerzeniem zwykłego polimorfizmu parametrycznego jest możliwość nakładania pewnych ograniczeń na parametr typowy. Operacje wykonywane przez sparametryzowaną konstrukcję, potrafią opierać się na jakiejś właściwości danych na których pracują. Dla przykładu implementacja homogenicznego zbioru, wymaga, aby da się było sprawdzać równość przechowywanych obiektów, więc przykładowo parametr ogólnej implementacji bywa ograniczony zaledwie do klas posiadającym funkcję equals. Ograniczenia przeważnie polegają na wspomnianej już relacji "<:", czyli na byciu nadtypem albo podtypem, dlatego polimorfizm ograniczeniowy wielokrotnie traktowany jest jako połączenie polimorfizmów parametrycznego z inkluzyjnym.

Polimorfizm ad-hoc

Umożliwia dostarczyć kilku implementacji odpowiednich dla wielorakich typów ale połączyć je w jeden interfejs, następnie używać tego interfejsu, a wybór najbardziej odpowiedniej implementacji pozostawić systemowi (kompilatorowi, systemowi czasu wykonania). Najczęściej chodzi tu o wybór algorytmu odpowiedniego do typów danych.

Przeciążanie

Przeciążanie (lub przeładowywanie, ang. overload) dopuszcza nazwać tak samo parę podprogramów operujących na wielorakich danych oraz następnie obsługiwać te dane w jednolity sposób. Np. inaczej dodawane są liczby całkowite, a inaczej zmiennopozycyjne ale wygodnie obie te operacje nazywać po prostu dodawaniem oraz oznaczać symbolem "+". W językach bez przeciążania operatory te muszą się różnić (np. w ocamlu są oddzielne operatory "+" oraz "+."). Przeciążane bywają np. operatory, funkcje, metody, procedury. W pewnych językach pewne operatory albo funkcje są przeciążone, ale programista nie może ich dodatkowo dociążać albo przeciążać własnych.

Wybór konkretnego podprogramu następuje w miejscu wywołania na podstawie jego nazwy oraz statycznych typów argumentów, a czasami także na podstawie typu oczekiwanej wartości zwracanej (np. w Adzie). Jest to więc polimorfizm statyczny.

Multimetody

Mechanizmem podobnym do przeciążania ale opierającym wybór na dynamicznym, a nie statycznym, typie argumentów są multimetody (ang. multimethods albo multiple dispatch). Metody takie da się traktować jak metody wirtualne ale należące do kilku wielorakich klas. Mechanizm ten nie jest zbyt popularny, spotkać go da się w języku CLOS. Z powodu opierania się na dynamicznym typie argumentów jest to polimorfizm dynamiczny.

Overriding with single dispatch

Funkcje składowe obiektów bywają traktowane tak jakby jednym z ich parametrów było odniesienie do obiektu na rzecz którego są wywoływane (this, self). Definiowanie explicite tego wskaźnika da się znaleźć np. w Pythonie (tradycyjnie nazywany self). Gdy klasy pochodne potrafią zastępować (ang. override) funkcje zdefiniowane w klasach nadrzędnych, a wybór wywoływanej funkcji dokonywany jest na podstawie dynamicznego typu obiektu na rzecz którego funkcja jest wywoływana, to także jest to polimorfizm dynamiczny. Mechanizm ten w wielu językach nazywany jest metodami albo funkcjami wirtualnymi.

Rekordy wariantowe

Podczas wykonywania programu może zajść potrzeba różnego interpretowania wartości zawartych w pewnej zmiennej. Typowymi przykładami są:

• Przetwarzanie wiadomości z jednolitym nagłówkiem, określającym typ wiadomości oraz zmiennym formatem treści, zależnym od typu.
• Heterogeniczne struktury danych, np. drzewa przechowujące dane wielorakich typów.

Wygodnym rozwiązaniem są wtedy rekordy wariantowe. Zmienna takiego typu ma określony typ statyczny ale faktyczny format zawieranych danych (typ dynamiczny) może się zmieniać w trakcie wykonywania programu - polimorfizm dynamiczny.

Koercja, konwersja, rzutowanie

Wszelkiego rodzaju zmiany typów, zarówno jawne jak oraz niejawne, statyczne oraz dynamiczne, także trzeba uznać za mechanizmy polimorficzne, albowiem pozwalają traktować wartości oraz zmienne jednego typu, tak jakby były wartościami innego typu.

Sprawdź też

• Kod polimorficzny

Przypisy

Bibliografia

1. Mordechai Ben-Ari: Understanding Programming Languages. Chichester: John Wiley & Sons, 1996. 
2. Bjarne Stroustrup: Język C++. Warszawa: WNT, 2000. 
3. Robert Harper: Practical Foundations for Programming Languages. 2008.