Sześć rodzajów polimorfizmu - polimorfizm jakiego nie znamy z OOP

10 minut(y)

Wydawałoby się, że trzy rodzaje polimorfizmu, jakie są spotykane w obiektowych językach programowania i które opiswałem w artykule Sześć rodzajów polimorfizmu - polimorfizm jaki znamy z OOP, są wszystkim czego potrzebujemy do szczęścia, żeby pisać zwięzły kod. Czasem pojawi się tylko jakiś zgrzyt, gdzie trzeba zaimplementować wzorzec wizytator lub fakrykę.

Wielometody (ang. multimethods)

Żeby wyjaśnić co to jest wielomatoda (Wielometoda), muszę najpierw zdefiniować, co to jest metoda. Poprzednie dwa rodzaje polimorfizmu można uznać za tradycyjny obiektowy polimorfizm z jednokrotną i dynamiczną wysyłką (ang. single and dynamic dispatch). Używają one metod do zapewnienia polimorfizmu w czasie uruchomienia (ang. runtime). W większości języków programowania metody zapisywane są jako:

obiekt.metoda(arg1, arg2, ..., argN)

Metodę można sobie jednak wyobrazić jako funkcję polimorficzną ze względu na swój pierwszy parametr:

metoda(obiekt, arg1, arg2, ..., argN)

Powyższy zapis jest możliwy w niektórych starszych językach obiektowych np. w Perlu podczas wywoływania metod oraz w Pythonie podczas deklarowania metod.

Wielomatoda jest to funkcja, która może być polimorficzna ze względu na swoje wszystkie argumenty. Polimorfizm rozwiązywany ze względy na kilka obiektów jest nazywany wielokrotną wysyłką (ang. multiple dispatch).

wielomatoda(arg0, arg1, arg2, ..., argN)

Wielometody są zwykle używane w językach programowania z rodziny Lisp jak Common Lisp, Scheme, Racket i Clojure. Dlatego tam zapis wygląda następująco:

(wielomatoda arg0, arg1, arg2, ..., argN)

Wielometod są najpotężniejszym ze wszystkich typów polimorfizmu. I w oparciu o wielometody można zbudować tradycyjny obiektowy polimorfizm.

Wadą wielometod ich jest to, że są najpowolniejsze ze wszystkich rodzajów polimorfizmu. Ponieważ trzeba sprawdzić większą ilość warunków, żeby wywołać konkretną implementację.

Co ciekawe Common Lisp Object System, czyli wielometody z Common Lisp są uważane za przykład funkcji uogólnionych (ang. generic function). Za to kursy Clojure są zgodne, że wielometody są odmianą polimorfizmu ad hoc.

Polimorfizm ad hoc (ang. ad hoc polymorphism)

Ad hoc polymorphism: defines a common interface for an arbitrary set of individually specified types.

Za wikipedią.

Czyli w wolnym tłumaczeniu:

Polimorfizm ad hoc: definiuje wspólny interfejs dla dowolnego zestawu indywidualnie określonych typów.

Wymyślony w roku 1968 dla języka programowania Algol 68. Jest to niejako odwrotność polimorfizmu parametrycznego. Polimorfizm parametryczny służy do opisania ogólnego algorytmu, za to polimorfizm ad hoc służy do opisania szczególnych przypadków.

Polimorfizm ad hoc można podzielić na dwa rodzaje ze względu na czas wiązania:

  • Wczesne wiązanie (ang. Early binding) - rozwiązywane w czasie kompilacji.
  • Późne wiązanie (ang. Late binding) - rozwiązywane w czasie wywoływania.
  • Nie wiadomo jakie wiązanie.
  • Wiadomo jakie wiązanie.

Wczesne wiązanie i statyczny polimorfizm ad hoc

W językach statycznie typowanych jest rozwiązywany podczas kompilacji i dzieli się na:

Jest to w zasadzie lukier składniowy dzięki, któremu można deklarować takie same nazwy funkcji i metod dla różnych typów danych.

Dzięki temu metoda statyczna max w Javie jest identyczna dla wszystkich typów prymitywnych:

static dataType max(dataType a, dataType b)

Chociaż pod spodem są to cztery różne metody statyczne:

static double max(double a, double b);
static float  max(float  a, float  b);
static int    max(int    a, int    b);
static long   max(long   a, long   b);

W języku, który nie posiada polimorfizmu ad hoc, trzeba utworzyć każdą funkcję z inną nazwą.

double      fmax (double      a, double      b);
float       fmaxf(float       a, float       b);
long double fmaxl(long double a, long double b);

Za statyczny polimorfizm ad hoc są uważane także:

  • extensions w Kotlinie
  • specyfikacja szablonów w C++

Późne wiązanie i dynamiczny polimorfizm ad hoc

Niektóre języki programowania jak np. SmallTalk posiadają podwójną wysyłkę (ang. double dispatch). Metody są tam polimorficzne nie tylko ze względu na obiekt, dla którego wywoływana jest funkcja, ale także ze względu na argument. W tradycyjnych językach obiektowych można to zasymulować za pomocą wzorca odwiedzający, (ang. visitor pattern).

Za dynamiczny polimorfizm ad hoc są uważane także:

A teraz zagadka. Jeśli podwójna wysyłka i wielokrotna wysyłka są podrodzajami polimorfizmu ad hoc to czemu pojedyncza wysyłka (subtyping i polimorfizm strukturalny) nie jest podrodzajem polimorfizmu ad hoc? Może istnieją tylko dwa rodzaje polimorfizmu? Polimorfizm parametryczny i polimorfizm ad hoc?

Nie wiadomo jakie wiązanie

Występuje dla przypadku klasy typów w Haskellu. W większości przypadków klasy typów są rozwiązywane podczas kompilacji. Jednak czasem jest to niemożliwe dla kompilatora. W takim przypadku kompilator przesuwa czas wiązania na czas wykonania. Co pozwala osiągnąć polimorfizm podobny do subtypingu i sprawia, że programowanie obiektowe jest możliwe w Haskellu.

Klasy typów są możliwe do uzyskania także w innych językach programowania jak np.:

Wiadomo jakie wiązanie

Cechy (ang. trait) w języku Rust są uproszczonymi wersjami klas typów. Wiązania w nich są rozwiązywane w czasie kompilacji. Jednak dzięki wskaźnikom można przesunąć czas rozwiązywania wiązań na czas wykonania. Co pozwala osiągnąć polimorfizm podobny do subtypingu i sprawia, że programowanie obiektowe jest możliwe w Ruscie.

Inne rodzaje polimorfizmu

  • Overriding with single dispatch - nie widzę różnicy między polimorfizmem strukturalnym.
  • Wielotypowanie (ang. polytypism) jest to odmiana automatycznie generowanego polimorfizmu ad hoc.
  • Polimorfizm ograniczeniowy. W klasycznym świecie obiektowym jest to polimorfizm parametryczny + polimorfizm podtypowy. Ale w Haskellu ograniczenia dla polimorfizmu parametrycznego robi się za pomocą klas typów i polimorfizmu ad hoc.
  • Rekordy wariantowe. Nie uważam, żeby to był rodzaj polimorfizmu. A jeśli tak to należałoby uznać Either także za polimorfizm.

Podsumowanie

Istnieje wiele rodzai polimorfizmu. Niektóre rodzaje polimorfizmu jak podtypowanie i polimorfizm strukturalny, są tradycyjnie łączone z programowaniem obiektowym. Jednak także wielometody i dynamiczny polimorfizm ad hoc pozwalają programować obiektowo. Dlatego warto czasem spojrzeć poza języki obiektowe, żeby nauczyć się czegoś nowego i poszerzyć swoje horyzonty.

Jaka jest różnica? Tradycyjne języki obiektowe często gwałcą polimorfizmem. Tzn. wpychają go nam wtedy, gdy go nie potrzebujemy. Np. w Javie nie ma innego sposobu na napisanie kodu niż umieszczenie go wewnątrz klasy i metody. Dodatkowo metoda ta jest domyślnie wirtualna. Odwrotnie jest w językach funkcyjnych, gdzie dynamiczny polimorfizm jest ostatecznością. W moim idealnym statycznie typowanym języku programowania kod powinien być domyślnie monomorficzny a struktury danych niezmienne. Definicję tę jak na razie spełniają języki Haskell, OCaml i Rust.

Trochę lepiej niż w Javie jest w Scali, gdzie nie trzeba tworzyć żadnej klasy, żeby napisać program, ale trzeba utworzyć obiekt singletonowy. Jeszcze lepiej jest w Kotlinie, gdzie nie trzeba tworzyć w ogóle obiektów.