Common Lisp對象系統CLOS)是一種物件導向程式設計設施,它是ANSI Common Lisp的一部份。CLOS是強力的動態對象系統,在根本上不同於靜態語言,比如C++Java中的那種OOP設施。CLOS受到更早期的Lisp對象系統,比如MIT Flavors英語Flavors (programming language)Xerox CommonLoops英語CommonLoops的啟發,然而它比二者要更加泛化。

Quick Facts 編程範型, 實作者 ...
Common Lisp對象系統
編程範型物件導向
實作者ANSI X3J13英語X3J13委員會
釋出時間1988年,​36年前​(1988
實作語言Common Lisp
作業系統跨平台
網站Common Lisp HyperSpec, Chapter 7: Objects
啟發語言
MIT Flavors英語Flavors (programming language), Xerox CommonLoops英語CommonLoops
影響語言
Dylan, Tiny CLOS[1], COOPS[2], STklos英語STklos, Gauche英語Gauche (Scheme implementation)
Close

歷史

CLOS最初被提議作為一種附加件,首次出現在1988年發表的《Common Lisp物件導向程式設計英語Object-Oriented Programming in Common Lisp[3],和1990年出版的《Common Lisp語言英語Common Lisp the Language》第二版(也叫做CLtL2)中。在1994年,CLOS被接受為ANSI標準Common Lisp的一部份,並且已經被適配入其他Lisp方言比如EuLisp英語EuLispEmacs Lisp之中[4]

特徵

CLOS的基本建造塊是方法泛化函數和類別的實例。CLOS提供了定義它們的宏:defclassdefmethoddefgeneric。實例通過方法make-instance來建立。CLOS不是基於原型語言,類必須聲明於對象可以實例化為這個類的成員之前。

類是槽的一個列表,它可以有多個超類,和一個特定的元類。槽(C++/Java用語中的成員變數),可以由類(一個類的所有實例共用這個槽)或實例來分配。每個槽都有一個名字,而一個槽的值可以使用函數slot-value,通過這個名字來訪問。可以定義額外的特定泛化函數,來寫或讀這些槽的值。在CLOS類中的每個槽,都必須有一個唯一的名字。

如同多數動態語言中的OO系統那樣,CLOS不強制封裝。任何槽都可以使用slot-value函數,或通過(可選的自動生成的)訪問子方法來訪問。要通過slot-value進行訪問,就要知道這個槽的名字。CL編程者使用這個語言的設施,來聲明哪些函數或數據結構意圖被匯出。

CLOS允許多重繼承。在多重繼承中方法執行的預設次序不正確的時候,編程者可以通過指定方法組合的次序,來解決這種菱形繼承問題英語diamond problem(類D同時繼承一個超類A的兩個子類B和C,四者形成菱形,如果A的某一方法被B和C覆寫,D該繼承二者中哪一個?)。在CLOS中已經解決了圓–橢圓問題英語Circle-ellipse problem(圓是橢圓的長軸與短軸相等的特殊情況,故而是其子類,但圓不能繼承橢圓的使得其不再為圓的方法,比如單獨改變長軸或短軸)。而多數OOP設計模式,要麼消失,要麼在性質上更加簡單了[5]

CLOS是動態的,意味着不只是內容,它的對象的「結構」,也可以在執行時間修改。CLOS支援現場(on-the-fly)變更類別定義,即使正在考慮的這個類別的實例已經存在;還有通過change-class算子,變更一個給定實例的類別成員關係。CLOS還允許在執行時間增加、重新定義和移除方法。

多分派

CLOS是一個多分派系統,這意味着方法,可以依據它們所要求的任何或所有實際參數來指定。多數OO語言是單分派的,意味着方法只能依據第一個實際參數來指定。其他不常見特徵是方法不「屬於」類;類不為泛化函數或方法提供命名空間。方法是獨立於類而定義的,並且它們對類的槽沒有特殊的訪問(比如thisselfprotected)。

在CLOS中的方法被組織入泛化函數。泛化函數是像函數一樣可呼叫的一個對象,它關聯着有共用的名字和參數結構的方法的一個搜集,其中每個都特定於不同的實際參數。因為Common Lisp為結構和內建資料類型(數值、字串、字元、符號等)提供了非CLOS類,CLOS分派也工作在這些非CLOS類之上。CLOS還支援分派在個體對象之上(eql特殊化者)。CLOS預設的不支援分派於所有Common Lisp資料類型上,比如分派不工作於完全特殊化的陣列類型,或通過deftype介入的類型。然而多數Common Lisp實現,提供了元對象協定,它允許泛化函數提供特定於應用的特殊化和分派規則。例如採用SBCL演示的下述代碼:

; 声明共同的实际参数结构原型
* (defgeneric f (x y))
#<STANDARD-GENERIC-FUNCTION COMMON-LISP-USER::F (0)>

; 定义对(f integer t)的实现,这里的t匹配所有类型
* (defmethod f ((x integer) y) 1)
#<STANDARD-METHOD COMMON-LISP-USER::F (INTEGER T) {10018B1F03}>

* (f 1 2.0)
1

; 定义对(f integer real)的实现
* (defmethod f ((x integer) (y real)) 2)
#<STANDARD-METHOD COMMON-LISP-USER::F (INTEGER REAL) {1001A0BB83}>

* (f 1 2.0) ; 分派发生在运行时间
2

方法組合

Thumb
在ANSI common lisp中的標準方法組合,這裏色澤最淺的是類A,類B是類A的子類,色澤最深的類C是類B的子類。合成有效方法的各個方法的執行次序是:
①類A的:around方法、類B的:around方法、類C的:around方法,
②類A的:before方法、類B的:before方法、類C的:before方法,
③類A的主要方法、類B的主要方法、類C的主要方法,
④類C的:after方法、類B的:after方法、類A的:after方法。

在CLOS中的分派還不同於多數OO語言:

  1. 給出一個實際參數列,確定一個可應用的方法的列表。
  2. 這個列表依據它們的形式參數的特殊化者(specializer)的特殊性(specificity)來排序。
  3. 接着使用泛化函數所用的那個方法組合,將從這個列表選擇出的那些方法組合成一個有效方法。
  4. 接着用最初的實際參數呼叫這個有效方法。

這個分派機制工作在執行時間。增加或移除方法,將導致在執行時間變更有效方法(即使在以相同實際參數呼叫泛化函數的時候)。變更方法組合還導致不同的有效方法。

除了常規(「主要」)方法之外,還有:before:after:around這些「輔助」方法。前兩個方法按照類別為基層級的特定次序,分別先於或後於主要方法而呼叫。:around方法可能控制主要方法是否執行。此外,編程者可以指定沿着類層級的所有可能的主要方法,是都應當被呼叫,還是只呼叫提供最接近匹配的那個方法。

「標準方法組合」提供上述的主要、之前、之後和圍繞方法。還有具有其他方法類型的其他方法組合。可以定義新的(簡單和複雜二者)方法組合和方法類型。

元對象協定

在ANSI Common Lisp標準之外,有一個廣泛實現的對CLOS的擴充,叫做元對象協定(MOP)。MOP定義到CLOS實現基礎支撐的標準介面,將類、槽描述、泛化函數和方法自身,當作元類的實例,並允許定義新的元類,和修改所有CLOS行為。CLOS MOP的靈活性,預示了面向方面編程,它是由同一群工程師比如Gregor Kiczales英語Gregor Kiczales開發的。MOP通過一組協定,定義了整個對象系統的行為。這些定義是依據CLOS定義的。因此有可能通過擴充或變更已提供的CLOS系統的功能,來建立新的對象系統。1991年出版的圖書《元對象協定的藝術英語The Art of the Metaobject Protocol》描述了CLOS MOP的使用和實現[6]

各種Common Lisp實現對元對象協定有稍微不同的支援。Closer計劃致力於提供缺失的特徵[7]

來自更早的基於Lisp的對象系統的影響

Flavor英語Flavors (programming language)[8](和它的後繼者New Flavors),是MIT Lisp機器上的對象系統。Lisp機器作業系統的很大部份和它的很多應用,使用了Flavors或New Flavors。Flavors介入了多重繼承mixin和其他一些特徵[9]。Flavors幾乎廢止了,儘管存在針對Common Lisp實現。Flavors使用訊息傳遞範式。New Flavors介入了泛化函數

CommonLoops英語CommonLoops[10],是Xerox Interlisp英語Interlisp-D的LOOPS的後繼者。CommonLoops是針對Common Lisp的實現。叫做可移植CommonLoops(PCL)的可移植實現,是第一個CLOS實現。PCL被廣泛的移植了,並仍為很多Common Lisp實現提供CLOS實現的基礎。PCL絕大部份以可移植的Common Lisp實現,而只有很少的系統依賴部份。

其他語言中的CLOS

由於CLOS的能力和表達力,還有歷史上能獲得到TinyCLOS,它是Gregor Kiczales英語Gregor Kiczales為用於Scheme而書寫的簡化的可移植的CLOS實現,故而類CLOS的基於MOP的對象系統,成為大多數Lisp方言實現的事實規範,還能在一些其他語言的OOP設施中找到它:

參照

延伸閱讀

參考文獻

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