多分派

多分派或译多重派发（multiple dispatch）或多方法（multimethod），是某些编程语言的一个特性，其中的函数或者方法，可以在运行时间（动态的）基于它的实际参数的类型，或在更一般的情况下于此之外的其他特性，来动态分派^[1]。这是对单分派多态的推广， 那里的函数或方法调用，基于在其上调用方法的对象的派生类型，而动态分派。多分派使用一个或多个实际参数的组合特征，路由动态分派至实现函数或方法。

理解分派

软件工程师通常把代码写进代码块中，代码块通常称作过程、函数、方法。代码通过被调用来执行，调用时将控制权传入函数中，当函数执行完成后将控制权返回给调用者。

函数名通常用来描述函数的目的。有时会将多个函数起同样的名称。比如同名函数在逻辑上处理相同的任务，但是操作在不同类型的输入值上。在这种情况下，无法仅仅通过函数名，来判断目标代码块。那么，函数的实际参数的个数和类型，也就被用来判断。

通常，单分派面向对象语言，在调用一个方法时，方法参数中一个参数会被特殊对待，并用来决定哪一个方法（如果有多个同名方法）会被调用。在许多语言中，这个特殊的参数是在语法上指明的，许多编程语言在调用方法时，把特殊参数放在小圆点（.）之前。例如 special.method(other, arguments, here)，这样 lion.sound() 将会发出狮吼，同时 sparrow.sound() 只会吱吱地叫。一般来说，对于面向对象的编程语言，这个小圆点之前的参数（上例中的lion和sparrow）被称为接收者^[2]。

相反，在实现了多分派的语言中，被调用的函数，即是那些参数个数一样多，并且类型也匹配的调用。在调用中并没有特殊参数，来决定那个方法被调用。也就是说，所有参数的运行时类型都参与分派。CLOS是早期和著名的多分派语言。

数据类型

对于编译时间可以区分数据类型的编程语言，在交替（英语：Alternation (formal language theory)）（alternative）函数中进行选择，可以发生在编译时间，创建交替函数用于编译时间选择的活动，通常被叫做函数重载。

在有些编程语言中，这种数据类型的识别，可以被延后至运行时间（后期绑定（英语：Late binding））。交替函数的选择发生在运行时间，并依据动态确定的函数实际参数的类型。以这种方式选择交替实现的函数，通常被称为多方法。

例子

可以通过例子更加清晰的区分多分派和单一分派。假想一个游戏，它有两种（用户可见的）物体：飞船和小行星。当两个物体要相撞的时候，程序需要依据什么物体要相撞而做不同的事情。

内建多分派

C#

C#在版本4（2010年4月），使用关键字dynamic，介入了对动态多方法的支持^[3]。下面的例子展示多方法。像很多其他静态类型的语言语言一样，C#还支持静态方法重载^[4]，Microsoft预期开发者在多数场景下会选用静态类型超过动态类型^[5]。dynamic关键字支持COM对象和动态类型的.NET语言的互操作。

下面的例子使用了C# 9和C# 10介入的特征比如记录类型：

using static ColliderLibrary;

Console.WriteLine(Collide(new Asteroid(101), new Spaceship(300)));
Console.WriteLine(Collide(new Asteroid(10), new Spaceship(10)));
Console.WriteLine(Collide(new Spaceship(101), new Spaceship(10)));

string Collide(SpaceObject x, SpaceObject y) =>
    x.Size > 100 && y.Size > 100
        ? "Big boom!"
        : CollideWith(x as dynamic, y as dynamic); // Dynamic dispatch to CollideWith method

class ColliderLibrary {
    public static string CollideWith(Asteroid x, Asteroid y) => "a/a";
    public static string CollideWith(Asteroid x, Spaceship y) => "a/s";
    public static string CollideWith(Spaceship x, Asteroid y) => "s/a";
    public static string CollideWith(Spaceship x, Spaceship y) => "s/s";
}

abstract record SpaceObject(int Size);
record Asteroid(int Size) : SpaceObject(Size);
record Spaceship(int Size) : SpaceObject(Size);

输出：

Big boom!
a/s
s/s

Common Lisp

在具有多分派的Common Lisp语言中，可以在Common Lisp对象系统中如下这样实现：

(defclass asteroid ()  ((size :reader size :initarg :size)))
(defclass spaceship () ((size :reader size :initarg :size)))
(defun space-object (class size) (make-instance class :size size))

; collide-with is a generic function with multiple dispatch
(defmethod collide-with ((x asteroid)  (y asteroid))  "a/a")
(defmethod collide-with ((x asteroid)  (y spaceship)) "a/s")
(defmethod collide-with ((x spaceship) (y asteroid))  "s/a")
(defmethod collide-with ((x spaceship) (y spaceship)) "s/s")


(defun collide (x y)
  (if (and (> (size x) 100) (> (size y) 100))
      "big-boom"
      (collide-with x y)))

(print (collide (space-object 'asteroid 101)  (space-object 'spaceship 300)))
(print (collide (space-object 'asteroid 10)   (space-object 'spaceship 10)))
(print (collide (space-object 'spaceship 101) (space-object 'spaceship 10)))

并且对其他方法也是类似的。没有使用显式测试和“动态转换”。

由于多分派的存在，方法要定义在类中并包含在对象中的传统想法，变得不再吸引人了，上述每个collide-with方法，都附属于两个不同的类而非一个类。因此方法调用的特殊语法，一般会消失，从而方法调用看起来完全就像正常的函数调用，并且方法被组织入泛化函数而非类中。

Julia

Julia有内建的多分派，并且它是语言设计的中心^[6]。Julia版本的例子如下：

abstract type SpaceObject end

struct Asteroid <: SpaceObject
    size::Int    
end
struct Spaceship <: SpaceObject
    size::Int                  
end

collide_with(::Asteroid, ::Spaceship) = "a/s"
collide_with(::Spaceship, ::Asteroid) = "s/a"
collide_with(::Spaceship, ::Spaceship) = "s/s"
collide_with(::Asteroid, ::Asteroid) = "a/a"

collide(x::SpaceObject, y::SpaceObject) = (x.size > 100 && y.size > 100) ? "Big boom!" : collide_with(x, y)

输出：

julia> collide(Asteroid(101), Spaceship(300))
"Big boom!"

julia> collide(Asteroid(10), Spaceship(10))
"a/s"

julia> collide(Spaceship(101), Spaceship(10))
"s/s"

Groovy

Groovy是兼容/互用于Java的通用的JVM语言，它对立于Java，使用后期绑定/多分派^[7]。

/*
    Groovy implementation of C# example above
    Late binding works the same when using non-static methods or compiling class/methods statically
    (@CompileStatic annotation)
*/
class Program {
    static void main(String[] args) {
        println Collider.collide(new Asteroid(101), new Spaceship(300))
        println Collider.collide(new Asteroid(10), new Spaceship(10))
        println Collider.collide(new Spaceship(101), new Spaceship(10))
    }
}

class Collider {
    static String collide(SpaceObject x, SpaceObject y) {
        (x.size > 100 && y.size > 100) ? "big-boom" : collideWith(x, y)  // Dynamic dispatch to collideWith method
    }

    private static String collideWith(Asteroid x, Asteroid y) { "a/a" }
    private static String collideWith(Asteroid x, Spaceship y) { "a/s" }
    private static String collideWith(Spaceship x, Asteroid y) { "s/a" }
    private static String collideWith(Spaceship x, Spaceship y) { "s/s"}
}

class SpaceObject {
    int size
    SpaceObject(int size) { this.size = size }
}

@InheritConstructors class Asteroid extends SpaceObject {}
@InheritConstructors class Spaceship extends SpaceObject {}

库扩展多分派

在不于语言定义或语法层次支持多分派的语言中，可能经常使用扩展库来增加多分派。

Python

Python可以使用库扩展来增加多分派。例如，最早的模块multimethods.py，提供了CLOS风格的多方法而不用变更语言的底层语法或关键字^[8]。Guido van Rossum使用Python 2.4介入的修饰器（decorator），建立了具有简化语法的多方法的简单实现^[9]。multipledispatch库采用的形式与之一致^[10]。

模块multimethod，采用了修饰器和Python 3.5介入的类型提示实现多方法^[11]，下面的多方法例子还基于了Python 3.10介入的联合类型（types.UnionType）^[a]：

from multimethod import multimethod

class Asteroid():
    def __init__(self, size=0):
        self.size = size

class Spaceship():
    def __init__(self, size=0):
        self.size = size

SpaceObject = Asteroid | Spaceship

@multimethod
def collide_with(x :Asteroid, y :Asteroid):
    return "a/a"

@multimethod
def collide_with(x :Asteroid, y :Spaceship):
    return "a/s"

@multimethod
def collide_with(x :Spaceship, y :Asteroid):
    return "s/a"

@multimethod
def collide_with(x :Spaceship, y :Spaceship):
    return "s/s"

def collide(x :SpaceObject, y :SpaceObject):
    assert isinstance(x, SpaceObject) \
        and isinstance(y, SpaceObject) 
    print("Big boom!" if x.size>100 and y.size>100
        else collide_with(x, y))

其执行：

>>> collide(Asteroid(101), Spaceship(300))
Big boom!
>>> collide(Asteroid(10), Spaceship(10))
a/s
>>> collide(Spaceship(101), Spaceship(10))
s/s

plum库也实现了这种形式的多分派^[12]。

JavaScript

JavaScript和TypeScript不在语言语法层次上支持多方法，但可以通过库扩展来增加多分派。例如，使用multimethod包^[13]，它提供了多分派、泛化函数的实现。这个库的JavaScript的动态类型版本例子：

import { multi, method } from '@arrows/multimethod'

class Asteroid {}
class Spaceship {}

const collideWith = multi(
  method([Asteroid, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting asteroid
  }),
  method([Asteroid, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting spaceship
  }),
  method([Spaceship, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting asteroid
  }),
  method([Spaceship, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting spaceship
  }),
)

这个库还有TypeScript有对应的静态类型版本。^[b]

模拟多分派

C

C语言没有动态分派，它必须手工的以某种形式实现。经常使用一个enum来识别一个对象的子类型。动态分派可以在一个函数指针分支表中查找这个值来完成。下面是采用C语言的简单例子：

typedef void (*CollisionCase)(void);

void collision_AA(void) 
{ /* handle Asteroid-Asteroid collision  */ };
void collision_AS(void)
{ /* handle Asteroid-Spaceship collision */ };
void collision_SA(void)
{ /* handle Spaceship-Asteroid collision */ };
void collision_SS(void)
{ /* handle Spaceship-Spaceship collision*/ };

typedef enum {
    THING_ASTEROID = 0,
    THING_SPACESHIP,
    THING_COUNT /* 它自身不是事物类型，转而用来表示事物的数目 */
} Thing;

CollisionCase collisionCases[THING_COUNT][THING_COUNT] = {
    {&collision_AA, &collision_AS},
    {&collision_SA, &collision_SS}
};

void collide(Thing a, Thing b)
{
    (*collisionCases[a][b])();
}

int main(void) 
{
    collide(THING_SPACESHIP, THING_ASTEROID);
}

C语言使用C Object System库^[14]，可以支持类似于CLOS的动态分派。它是完全可扩展的并且方法不需要任何的手工处理。动态消息（方法）通过COS分派器来分派，它比Objective-C更快。^[c]

Java

在Java这种只有单分派但支持方法重载的语言中，多分派可以通过多层单分派来模拟：

interface Collideable {
    void collideWith(final Collideable other);

    /* These methods would need different names in a language without method overloading. */
    void collideWith(final Asteroid asteroid);
    void collideWith(final Spaceship spaceship);
}

class Asteroid implements Collideable {
    public void collideWith(final Collideable other) {
        // Call collideWith on the other object.
        other.collideWith(this);
   }

    public void collideWith(final Asteroid asteroid) {
        // Handle Asteroid-Asteroid collision.
    }

    public void collideWith(final Spaceship spaceship) {
        // Handle Asteroid-Spaceship collision.
    }
}

class Spaceship implements Collideable {
    public void collideWith(final Collideable other) {
        // Call collideWith on the other object.
        other.collideWith(this);
    }

    public void collideWith(final Asteroid asteroid) {
        // Handle Spaceship-Asteroid collision.
    }

    public void collideWith(final Spaceship spaceship) {
        // Handle Spaceship-Spaceship collision.
    }
}

还可以在一层或两层上使用运行时instanceof检查。

C++

截至目前，C++本身只支持单分派，下面是使用dynamic_cast来模拟多分派的例子：

 // Example using run time type comparison via dynamic_cast

 struct Thing {
     virtual void collideWith(Thing& other) = 0;
 };

 struct Asteroid : Thing {
     void collideWith(Thing& other) {
         // dynamic_cast to a pointer type returns NULL if the cast fails
         // (dynamic_cast to a reference type would throw an exception on failure)
         if (auto asteroid = dynamic_cast<Asteroid*>(&other)) {
             // handle Asteroid-Asteroid collision
         } else if (auto spaceship = dynamic_cast<Spaceship*>(&other)) {
             // handle Asteroid-Spaceship collision
         } else {
             // default collision handling here
         }
     }
 };

 struct Spaceship : Thing {
     void collideWith(Thing& other) {
         if (auto asteroid = dynamic_cast<Asteroid*>(&other)) {
             // handle Spaceship-Asteroid collision
         } else if (auto spaceship = dynamic_cast<Spaceship*>(&other)) {
             // handle Spaceship-Spaceship collision
         } else {
             // default collision handling here
         }
     }
 };

编程语言支持

主范型

• Julia^[15]

支持通用的多方法

• C# 4.0（英语：C Sharp 4.0）^[16]
• Cecil（英语：Cecil (programming language)）^[17]
• Clojure^[18]
• Common Lisp（通过Common Lisp对象系统）^[19]
• Dylan^[20]
• Fortress（英语：Fortress (programming language)）^[21]
• Groovy^[22]
• Lasso（英语：Lasso (programming language)）^[23][24]
• Nim，在v0.20之后泛化方法被废止，使用多方法需要加编译指令^[25]
• Raku^[26]
• R^[27]
• Seed7（英语：Seed7）^[28]
• TADS（英语：TADS）^[29]
• VB.Net^[30]，通过后期绑定，还通过.Net DLR^[31]
• Wolfram语言^[32]，通过符号模式匹配
• Xtend（英语：Xtend）^[33]

通过扩展

• 任何.NET语言（通过库MultiMethods.NET^[34]）
• C（通过库C Object System^[14]）
• C#（通过库multimethod-sharp^[35]）
• C++（通过库yomm2^[36]和omm^[37]）
• D（通过库openmethods^[38]）
• Factor（通过标准multimethods词汇表^[39])
• Java（使用扩展MultiJava^[40]）
• JavaScript（通过包@arrows/multimethod^[13]）
• Perl（通过模块Class::Multimethods^[41]）
• Python（模块multimethod^[11]、multipledispatch^[10]或plum^[12]）
• Racket（通过库multimethod-lib^[42]）
• Ruby（通过Multiple Dispatch库^[43]、Multimethod包^[44]和Vlx-Multimethods包^[45]）
• Scheme（通过TinyCLOS^[46]）
• TypeScript（通过包@arrows/multimethod^[13]）