深刻淺出話多態（上）——具體而微

時間 2020-08-04

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小序
前幾天寫了一篇《深刻淺出話委託》，不少兄弟姐妹發Mail說還算湊合，又有兄弟說能不能寫一篇相似的文章，講解一下什麼是「多態」。通常狀況下我寫文章都是出於有感而發：一來作個思考的總結（怕時間長了就忘記了），二來與你們分享一下。「多態」實在是個大概念，我沒有仔細研究過，更不消說在實踐中有深刻的使用，因此本文純屬硬着頭皮上——若是內容有什麼閃失，請你們別客氣——猛拍磚就是了。

上面一段是前幾天寫的！昨天晚上看了巴西進八強的比賽，我雖然是個絕對的僞球迷，但我也能看出來人家肥羅的球技啊！人家的意識，絲絕不像是在踢世界盃，純粹就是表演……臺上三分鐘，臺下十年功啊！咱們一塊兒練程序，就要把代碼寫到這個程度，讓咱們一塊兒無限量提升本身的技術吧！

正文

一．什麼是多態（Polymorphism）
多態（Polymorphism）是面向對象（Object-Oriented，OO）思想「三大特徵」之一，其他兩個分別是封裝（Encapsulation）和繼承（Inheritance）——可見多態的重要性。或者說，不懂得什麼是多態就不能說懂得面向對象。

多態是一種機制、一種能力，而非某個關鍵字。它在類的繼承中得以實現，在類的方法調用中得以體現。

先讓咱們看看MSDN裏給出的定義：

Through inheritance, a class can be used as more than one type; it can be used as its own type, any base types, or any interface type if it implements interfaces. This is called polymorphism. In C#, every type is polymorphic. Types can be used as their own type or as a Object instance, because any type automatically treats Object as a base type.

譯文：經過繼承，一個類能夠被看成不止一個數據類型（type）使用，它能夠被用作自身表明的數據類型（這是最經常使用的），還能夠被看成它的任意基類所表明的數據類型，乃至任意接口類型——前提是這個類實現了這個接口。這一機制稱爲「多態」。在C#中，全部的數據類型都是多態的。任意一個數據類型均可以被看成自身來使用，也能夠看成Object類型來使用（我懷疑原文有問題，那個instance多是原做者的筆誤），由於任何數據類型都自動以Object爲本身的基類。

呵呵，除非你已經早就知道了什麼是多態而後翻過頭來看上面一段話，否則我敢打保票——我是清清楚楚的，你是稀裏糊塗的。OK，不難爲你們了，我用幾個句子說明一下多態的思想。

咱們先把前文中提到的「接口」理解爲「一組功能的集合」，把「類」理解爲功能的實現體。這樣的例子多了去了。咱們就拿生物界作比喻了：

功能集合1：呼吸系統

功能集合2：血液循環系統

功能集合3：神經系統

功能集合4：語言系統

類1：靈長類動物。此類實現了1到3功能集合。

類2：猴子類。繼承自類1。新添加了「爬樹」的功能。

類3：人類。繼承自類1。同時實現了功能集合4。

類4：男人類。繼承自類3。新添加了「寫程序」的功能。

類5：女人類。繼承自類3。新添加了「發脾氣」的功能。

做業：請你們把上面的關係用圖畫出來

OK，讓咱們看下面的話，判斷對錯：

1. 男人是男人（√）緣由：原本就是！

2. 男人是人（√）緣由：人類是男人類的基類

3. 男人是靈長類動物（√）緣由：靈長類是男人類的更抽象層基類

4. 男人是會說話的（√）緣由：男人類的基類實現了語言系統

5. 女人是猴子（×）緣由：若是我這麼說，會被蹁死

6. 猴子是女人（×）緣由：女人不是猴子的基類

7. 人會寫程序（×）緣由：寫程序方法是在男人類中才具體實現的

8. 女人會發脾氣（√）緣由：由於我說5……

哈哈！如今你明白什麼是多態了吧！實際上是很是簡單的邏輯思惟。上面僅僅是多態的一個概念，下面咱們經過代碼去研習一下程序中的多態究竟是什麼。

二．多態的基礎——虛函數（virtual）和重寫（override）
不少公司在面試的時候常拿下面幾個問題當開胃小菜：

1. 如何使用virtual和override？

2. 如何使用abstract和override？

3. 「重寫」與「重載」同樣嗎？

4. 「重寫」、「覆蓋」、「隱藏」是同一個概念嗎？

順便說一句：若是你肯定能把上面的概念很熟練的掌握，發個Mail給我( [email]bladey@tom.com[/email] )，也許你能收到一份薪水和福利都不錯的Offer :p

今天咱們學習多態，其實就是解決問題1。前面已經提到過，多態機制是依靠繼承機制實現的。那麼，在常規繼承機制的基礎之上，在基類中使用virtual函數，並在其派生類中對virtual函數進行override，那麼多態機制就天然而然地產生了。

小議virtual：

呵呵，我這人比較笨——有個人老師和同窗爲證——學東西奇慢無比，因此當初在C++中學習virtual的歷程是我心中永遠揮之不去的陰影……倒黴就倒黴在這個「虛」字上了。「實」的我還雲裏霧裏呢，更況且這「虛」的，「虛」的還沒搞清楚呢，「純虛」又蹦出來了，我 #@$%!^#&&!……

還好，我挺過來了……回顧這段學習歷程，我發現萬惡之源就是這個「虛」字。

在漢語中，「虛」就是「無」，「無」就是「沒有」，沒有的事情就「不可說」、「不可講」——那還講個X？？老師也頭疼，學生更頭疼。拜初中語文老師所賜，個人語言邏輯還算過關，總感受virtual function譯爲「虛函數」有點詞不達意。

找來詞典一查，virtual有這樣一個詞條：

Existing or resulting in essence or effect though not in actual fact, form, or name:

實質上的，實際上的：雖然沒有實際的事實、形式或名義，但在實際上或效果上存在或產生的：

例句：

the virtual extinction of the buffalo.

野牛實際上已經絕跡（隱含的意思是「儘管野牛還木有死光光，但從效果上來說……」）

啊哦~~讓我想起一句話：

有的人活着他已經死了；有的人死了他還活着……

不由有點驚歎於母語的博大精深——

virtual function中的virtual應該譯作「名不副實」而不是「虛」！

OK，下面就讓咱們看看類中的virtual函數是怎麼個「名不副實」法。

例子1：非virtual / override程序

//                          水之真諦                                     //
//            [url]http://blog.csdn.net/FantasiaX[/url]               //
//                   上善若水，潤物無聲                             //

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace Sample
{
       // 演員（類）
       class Actor
       {
              public void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Doing a show...");
              }
       }

       // 樂手（類），繼承自Actor類
       class Bandsman : Actor
       {
              // 子類同名方法隱藏父類方法
              // 其實標準寫法應該是：
              // public new void DoShow(){...}
              // 爲了突出"同名"，我把new省了，編譯器會自動識別
              public void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing musical instrument...");
              }
       }

       // 吉他手（類），繼承自Bandsman類
       class Guitarist : Bandsman
       {
              public new void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing a guitar solo...");
              }
       }

       class Program
       {
              static void Main(string[] args)
              {
                     // 正常聲明
                     Actor actor = new Actor();
                     Bandsman bandsman = new Bandsman();
                     Guitarist guitarist = new Guitarist();

                     // 通常狀況下，隨着類的承繼和方法的重寫
                     // 方法是愈來愈具體、愈來愈個性化
                     actor.DoShow();
                     bandsman.DoShow();
                     guitarist.DoShow();

                     Console.WriteLine("===========================");

                     //嘗試多態用法
                     Actor myActor1 = new Bandsman();               //正確：樂手是演員
                     Actor myActor2 = new Guitarist();                  //正確：吉他手是演員
                     Bandsman myBandsman = new Guitarist();   //正確：吉他手是樂手

                     //仍然調用的是引用類型自身的方法，而非派生類的方法
                     myActor1.DoShow();
                     myActor2.DoShow();
                     myBandsman.DoShow();
              }
       }
}

代碼分析：

1. 一上來，演員類、樂手類、吉他手類造成一個繼承鏈。

2. 樂手類和吉他手類做爲子類，都把其父類的DoShow()方法「隱藏」了。

3. 特別強調：「隱藏」不是「覆蓋」，後面要講的「重寫」纔是真正的「覆蓋」。

4. 隱藏是使用new修飾符實現的，但這個修飾符能夠省略。

5. 隱藏（Hide）的含意是：父類的這個函數實際上還在，只是被子類的同名「藏起來」了。

6. 重寫（override）與覆蓋是同一個含意，只是覆蓋並不是編程的術語，但「覆蓋」比較形象。

7. 主程序代碼的上半部分是常規使用方法，沒什麼好說的。

8. 主程序代碼的下半部分已經算是多態了，但因爲沒有使用virtual和override，多態最有價值的效果——個性化方法實現——沒有體現出來。後面的例子專門體現這一點。

例子2：應用virtual / override，真正的多態

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace Sample
{
       // 演員（類）
       class Actor
       {
              // 使用了virtual來修飾函數
              // 此函數已經"名不副實"了
              public virtual void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Doing a show...");
              }
       }

       // 樂手（類），繼承自Actor類
       class Bandsman : Actor
       {
              // 使用了override來修飾函數
              // 此函數將取代（重寫）父類中的同名函數
              public override void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing musical instrument...");
              }
       }

       // 吉他手（類），繼承自Bandsman類
       class Guitarist : Bandsman
       {
              public override void DoShow()
              {
                     Console.WriteLine("Playing a guitar solo...");
              }
       }

// Look!!!

// 調用的是引用類型所引用的實例的方法

// 引用類型自己的函數是virtual的

// 看似"存在"，實際已經被其子類重寫（不是隱藏，而是被kill掉了）

                     // 這正是virtual所要表達的"名不副實"的本意，而非一個"虛"字所能傳達
                     myActor1.DoShow();
                     myActor2.DoShow();
                     myBandsman.DoShow();
              }
       }
}

代碼分析：

1. 除了將繼承鏈中最頂層基類的DoShow()方法改成用virtual修飾；把繼承鏈中派生類的DoShow()方法改成override修飾以重寫基類的方法。

2. 主程序代碼沒變，但下半部分產生的效果徹底不一樣！請體會「引用變量自己方法」與「引用變量所引用實例的方法」的不一樣——這是關鍵。

多態成因的分析：

爲何會產生這樣的效果呢？這裏要提到一個「virtual表」的問題。咱們看看程序中繼承鏈的構成：Actor à Bandsman à Guitarist。由於派生類不但繼承了基類的代碼（確切地說是public代碼）並且還有本身的特有代碼（不管是否是與基類同名，都是本身特有的）。從程序的邏輯視角來看，你能夠這樣想象：在內存中，子類的實例所佔的內存塊是在父類所佔的內存塊的基礎上「追加」了一小塊——拜託你們本身畫畫圖。這多出來的一小塊裏，裝的就是子類特有的數據和代碼。

咱們仔細分析這幾句代碼：

1. Actor actor = new Actor(); //常規的聲明及分配內存方法
由於類是引用類型，因此actor這個引用變量是放在棧裏的、類型是Actor類型，而它所引用的實例——一樣也是Actor類型的——內存由new操做符來分配而且放在堆裏。這樣，引用變量與實例的類型如出一轍、徹底匹配。換句話說：棧裏的引用變量所能「管理」的堆中的內存塊大小正好、很少也很多。

2. Actor myActor1 = new Bandsman(); //正確：樂手是演員
一樣是這句代碼，在兩個例子中產生的效果徹底不一樣。爲何呢？且看！在例1中，在Bandsman類中只是使用new將父類的DoShow()給隱藏了——所起的做用僅限於本身對父類追加的代碼塊中，絲毫沒有影響到父類。而棧中的引用變量是Actor類型的myActor1，它只能管理Actor類實例所佔的那麼大一塊內存，而對追加的內存毫無控制能力（或者說看不見追加的這塊內存）。所以，當你使用myActor1.DoShow();調用成員方法時，myActor1只能使喚本身能管到的那塊內存裏的DoShow()方法。那麼例2中呢？難道例2中的myActor1就能管理追加的一塊內存了嗎？否也！它仍然管理不了，但不要忘了——這時候Actor類中的DoShow()方法已經被virtual所修飾，同時Bandsman類中的DoShow()方法已經被override修飾。這時候，當執行myActor1.DoShow();一句時，myActor1調用本身所管轄的內存塊時，發現DoShow()這個函數已經標記爲「可被重寫」了（其實，在VB.NET中，與C#的virtual關鍵字對應的關鍵字就是Overridable，更直白），那麼它就會嘗試去發現有沒有override鏈（也就是virtual表，即「虛表」）的存在，若是存在，那麼就調用override鏈上的最新可用版本——這就有了咱們在例2中看到的效果。

3. Actor myActor2 = new Guitarist(); //正確：吉他手是演員
經過這句代碼，你也能夠想象一下2級重寫是怎麼造成的，同時也能夠感悟一下所謂「重寫鏈上最新的可用版本」是什麼意思。

4. Guitarist myActor2 = new Actor(); //錯誤：想想爲何？
呵呵，這是錯誤的，緣由是引用變量所管理的內存大小超出了實例實際的內存大小。

亂彈：

多態，臺灣的兄弟們喜歡稱「多型」，同樣的。「多」表示在實例化引用變量的時候，根據用戶當時的使用狀況（這時候程序已經Release了，不能再修改了，程序員已經不能控制程序了）智能地給出個性化的響應。

多，謂之變。莫非「多態」亦可稱爲「變態」耶？咦……「變型」……讓我想起Transformer來了。

TO BE CONTINUE

下篇預告《深刻淺出話多態（下）——牛刀小試》