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多分派

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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lionsparrow)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。

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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。

Thumb

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
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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。

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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"
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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 {}
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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,可能经常使用扩展来增加多分派。

Python

Python可以使用扩展来增加多分派。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]

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JavaScript

JavaScriptTypeScript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]

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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

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:

Thumb

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

支持通用的多方法

通过扩展

代码示例

参见

引用

外部链接

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