При использовании иерархий типов часто приходится обращаться с объектом определенного типа как с базовым типом. Это позволяет писать код, не зависящий от конкретных типов. Так, в примере с фигурами методы манипулируют просто фигурами, не обращая внимания на то, являются ли они окружностями, прямоугольниками, треугольниками или некоторыми еще даже не определенными фигурами. Все фигуры могут быть нарисованы, стерты и перемещены, а методы просто посылают сообщения объекту «фигура»; им безразлично, как объект обойдется с этим сообщением.
Подобный код не зависит от добавления новых типов, а добавление новых типов является наиболее распространенным способом расширения объектно-ориентированных программ для обработки новых ситуаций. Например, вы можете создать новый подкласс фигуры (пятиугольник), и это не приведет к изменению методов, работающих только с обобщенными фигурами. Возможность простого расширения программы введением новых производных типов очень важна, потому что она заметно улучшает архитектуру программы, в то же время снижая стоимость поддержки программного обеспечения.
Однако при попытке обращения к объектам производных типов как к базовым типам (окружности как фигуре, велосипеду как средству передвижения, баклану как птице и т. п.) возникает одна проблема. Если метод собирается приказать обобщенной фигуре нарисовать себя, или средству передвижения следовать по определенному курсу, или птице полететь, компилятор не может точно знать, какая именно часть кода выполнится. В этом все дело — когда посылается сообщение, программист и не хочет знать, какой код выполняется; метод прорисовки с одинаковым успехом может применяться и к окружности, и к прямоугольнику, и к треугольнику, а объект выполнит верный код, зависящий от его характерного типа.
Если вам не нужно знать, какой именно фрагмент кода выполняется, то, когда вы добавляете новый подтип, код его реализации может быть различным, не требуя изменений в методе, из которого он был вызван. Если компилятор не обладает информацией, какой именно код следует выполнить, что же он делает?
В следующем примере объект BirdController (управление птицей) может работать только с обобщенными объектами Bird (птица), не зная точного их типа. С точки зрения BirdController это удобно, поскольку для него не придется писать специальный код проверки типа используемого объекта Bird, для обработки какого-то особого поведения. Как же все-таки происходит, что при вызове метода move(), без указания точного типа Bird, исполняется верное действие — объект Goose (гусь) бежит, летит или плывет, а объект Penguin (пингвин) бежит или плывет?
Ответ объясняется главной особенностью объектно-ориентированного программирования: компилятор не может вызывать такие функции традиционным способом. При вызовах функций, созданных не ООП-компилятором, используется раннее связывание — многие не знают этого термина просто потому, что не представляют себе другого варианта. При раннем связывании компилятор генерирует вызов функции с указанным именем, а компоновщик привязывает этот вызов к абсолютному адресу кода, который необходимо выполнить. В ООП программа не в состоянии определить адрес кода до времени исполнения, поэтому при отправке сообщения объекту должен срабатывать иной механизм.
Для решения этой задачи, языки объектно-ориентированного программирования используют концепцию позднего связывания. Когда вы посылаете сообщение объекту, вызываемый код неизвестен вплоть до времени исполнения. Компилятор лишь убеждается в том, что метод существует, проверяет типы для его параметров и возвращаемого значения, но не имеет представления, какой именно код будет исполняться.
Для осуществления позднего связывания, Java вместо абсолютного вызова использует специальные фрагменты кода. Этот код вычисляет адрес тела метода на основе информации, хранящейся в объекте (процесс очень подробно описан в главе 7, посвящённой полиморфизму). Таким образом, каждый объект может вести себя различно, в зависимости от содержимого этого специального фрагмента кода. Когда вы посылаете сообщение, объект фактически сам решает, что же с ним делать.
В некоторых языках необходимо явно указать, что для метода должен использоваться гибкий механизм позднего связывания (в C++ для этого предусмотрено ключевое слово virtual). В этих языках методы по умолчанию компонуются не динамически. В Java позднее связывание производится по умолчанию, и вам не нужно помнить о необходимости добавления каких-либо ключевых слов для обеспечения полиморфизма.
Вспомним о примере с фигурами. Семейство классов (основанных на одинаковом интерфейсе) было показано на диаграмме чуть раньше в этой главе. Для демонстрации полиморфизма мы напишем фрагмент кода, который игнорирует характерные особенности типов и работает только с базовым классом. Этот код отделен от специфики типов, поэтому его проще писать и понимать. И если новый тип (например, шестиугольник) будет добавлен посредством наследования, то написанный вами код для нового типа фигуры, будет работать так же хорошо, как код уже существующих типов. Таким образом, программа становится расширяемой.
Допустим, вы написали на Java следующий метод (вскоре вы узнаете, как это делать):
void doSomething(Shape shape) {
shape.erase(); // стереть
//...
shape.draw(); // нарисовать
}
Метод работает с обобщенной фигурой (Shape), то есть не зависит от конкретного типа объекта, который рисуется или стирается. Теперь мы используем вызов метода doSomething() в другой части программы:
Circle circle = new Circle(); // окружность
Triangle triangle = new Triangle(); // треугольник
Line line = new Line(); // линия
doSomething(circle);
doSomething(triangle);
doSomething(line);
Вызовы метода doSomething() автоматически работают правильно, вне зависимости от фактического типа объекта.
На самом деле это довольно важный факт. Рассмотрим строку:
doSomething(circle);
Здесь происходит следующее: методу, ожидающему объект Shape, передается объект «окружность» (Circle). Так как окружность (Circle) одновременно является фигурой (Shape), то метод doSomething() и обращается с ней, как с фигурой. Другими словами, любое сообщение, которое метод может послать Shape, также принимается и Circle. Это действие совершенно безопасно и настолько же логично.
Мы называем этот процесс обращения с производным типом как с базовым восходящим преобразованием типов. Слово преобразование означает, что объект трактуется как принадлежащий к другому типу, а восходящее оно потому, что на диаграммах наследования, базовые классы обычно располагаются вверху, а производные классы располагаются внизу «веером». Значит, преобразование к базовому типу — это движение по диаграмме вверх, и поэтому оно «восходящее».
Объектно-ориентированная программа почти всегда содержит восходящее преобразование, потому что именно так вы избавляетесь от необходимости знать точный тип объекта, с которым работаете. Посмотрите на тело метода doSomething():
shape.erase();
// ...
shape.draw();
Заметьте, что здесь не сказано «если ты объект Circle, делай это, а если ты объект Square, делай то-то и то-то». Такой код с отдельными действиями для каждого возможного типа Shape будет путаным, и его придется менять каждый раз при добавлении нового подтипаShape. А так, вы просто говорите: «Ты фигура, и я знаю, что ты способна нарисовать и стереть себя, ну так и делай это, а о деталях позаботься сама».
В коде метода doSomething() интересно то, что все само собой получается правильно. При вызове draw() для объекта Circle исполняется другой код, а не тот, что отрабатывает при вызове draw() для объектов Square или Line, а когда draw() применяется для неизвестной фигуры Shape, правильное поведение обеспечивается использованием реального типа Shape. Это в высшей степени интересно, потому что, как было замечено чуть ранее, когда компилятор генерирует код doSomething(), он не знает точно, с какими типами он работает. Соответственно, можно было бы ожидать вызова версий методов draw() и erase() из базового класса Shape, а не их вариантов из конкретных классов Circle, Square или Line. И тем не менее все работает правильно благодаря полиморфизму. Компилятор и система исполнения берут на себя все подробности; все, что вам нужно знать, — что это произойдёт... и, что еще важнее, как создавать программы, используя такой подход. Когда вы посылаете сообщение объекту, объект выберет правильный вариант поведения используя восходящее преобразование.
