Ковариантность и скрытие потомком

Если бы мир был прост, то разговор о типизации можно было бы и закончить. Мы определили цели и преимущества статической типизации, изучили ограничения, которым должны соответствовать реалистичные системы типов, и убедились в том, что предложенные методы типизации отвечают нашим критериям.

Но мир не прост. Объединение статической типизации с некоторыми требованиями программной инженерии создает проблемы более сложные, чем это кажется с первого взгляда. Проблемы вызывают два механизма: ковариантность (covariance) - смена типов параметров при переопределении, скрытие потомком (descendant hiding) - способность класса потомка ограничивать статус экспорта наследуемых компонентов.

Ковариантность

Что происходит с аргументами компонента при переопределении его типа? Это важнейшая проблема, и мы уже видели ряд примеров ее проявления: устройства и принтеры, одно- и двухсвязные списки и т. д. (см. разделы 16.6, 16.7).

Вот еще один пример, помогающий уяснить природу проблемы. И пусть он далек от реальности и метафоричен, но его близость к программным схемам очевидна. К тому же, разбирая его, мы будем часто возвращаться к задачам из практики.

Представим себе готовящуюся к чемпионату лыжную команду университета. Класс GIRL включает лыжниц, выступающих в составе женской сборной, BOY - лыжников. Ряд участников обеих команд ранжированы, показав хорошие результаты на предыдущих соревнованиях. Это важно для них, поскольку теперь они побегут первыми, получив преимущество перед остальными. (Это правило, дающее привилегии уже привилегированным, возможно и делает слалом и лыжные гонки столь привлекательными в глазах многих людей, являясь хорошей метафорой самой жизни.) Итак, мы имеем два новых класса: RANKED_GIRL и RANKED_BOY .

Рис. 17.4.  Классификация лыжников

Для проживания спортсменов забронирован ряд номеров: только для мужчин, только для девушек, только для девушек-призеров. Для отображения этого используем параллельную иерархию классов: ROOM , GIRL_ROOM и RANKED_GIRL_ROOM .

Вот набросок класса SKIER :

class SKIER feature

roommate: SKIER

-- Сосед по номеру.

share (other: SKIER) is

-- Выбрать в качестве соседа other.

require

other /= Void

do

roommate := other

end

... Другие возможные компоненты, опущенные в этом и последующих классах ...

end

Нас интересуют два компонента: атрибут roommate и процедура share , "размещающая" данного лыжника в одном номере с текущим лыжником:

s1, s2: SKIER

...

s1.share (s2)

При объявлении сущности other можно отказаться от типа SKIER в пользу закрепленного типа like roommate (или like Current для roommate и other одновременно). Но давайте забудем на время о закреплении типов (мы к ним еще вернемся) и посмотрим на проблему ковариантности в ее изначальном виде.

Как ввести переопределение типов? Правила требуют раздельного проживания юношей и девушек, призеров и остальных участников. Для решения этой задачи при переопределении изменим тип компонента roommate , как показано ниже (здесь и далее переопределенные элементы подчеркнуты).

class GIRL inherit

SKIER

redefine roommate end

feature

roommate: GIRL

-- Сосед по номеру.

end

Переопределим, соответственно, и аргумент процедуры share . Более полный вариант класса теперь выглядит так:

class GIRL inherit

SKIER

redefine roommate, share end

feature

roommate: GIRL

-- Сосед по номеру.

share (other: GIRL) is

-- Выбрать в качестве соседа other.

require

other /= Void

do

roommate := other

end

end

Аналогично следует изменить все порожденные от SKIER классы (закрепление типов мы сейчас не используем). В итоге имеем иерархию:

Рис. 17.5.  Иерархия участников и повторные определения

Так как наследование является специализацией, то правила типов требуют, чтобы при переопределении результата компонента, в данном случае roommate , новый тип был потомком исходного. То же касается и переопределения типа аргумента other подпрограммы share . Эта стратегия, как мы знаем, именуется ковариантностью, где приставка "ко" указывает на совместное изменение типов параметра и результата. Противоположная стратегия называется контравариантностью .

Все наши примеры убедительно свидетельствуют о практической необходимости ковариантности.

[x]. Элемент односвязного списка LINKABLE должен быть связан с другим подобным себе элементом, а экземпляр BI_LINKABLE - с подобным себе. Ковариантно потребуется переопределяется и аргумент в put_right .

[x]. Всякая подпрограмма в составе LINKED_LIST с аргументом типа LINKABLE при переходе к TWO_WAY_LIST потребует аргумента BI_LINKABLE .

[x]. Процедура set_alternate принимает DEVICE -аргумент в классе DEVICE и PRINTER -аргумент - в классе PRINTER .

Ковариантное переопределение получило особое распространение потому, что скрытие информации ведет к созданию процедур вида

set_attrib (v: SOME_TYPE) is

-- Установить attrib в v.

...

для работы с attrib типа SOME_TYPE . Подобные процедуры, естественно, ковариантны, поскольку любой класс, который меняет тип атрибута, должен соответственно переопределять и аргумент set_attrib . Хотя представленные примеры укладываются в одну схему, но ковариантность распространена значительно шире. Подумайте, например, о процедуре или функции, выполняющей конкатенацию односвязных списков (LINKED_LIST ). Ее аргумент должен быть переопределен как двусвязный список (TWO_ WAY_LIST ). Универсальная операция сложения infix "+" принимает NUMERIC -аргумент в классе NUMERIC , REAL - в классе REAL и INTEGER - в классе INTEGER . В параллельных иерархиях телефонной службы процедуре start в классе PHONE_SERVICE может требоваться аргумент ADDRESS , представляющий адрес абонента, (для выписки счета), в то время как этой же процедуре в классе CORPORATE_SERVICE потребуется аргумент типа CORPORATE_ADDRESS .

Рис. 17.6.  Службы связи

Что можно сказать о контравариантном решении? В примере с лыжниками оно означало бы, что если, переходя к классу RANKED_GIRL , тип результата roommate переопределили как RANKED_GIRL , то в силу контравариантности тип аргумента share можно переопределить на тип GIRL или SKIER . Единственный тип, который не допустим при контравариантном решении, - это RANKED_GIRL ! Достаточно, чтобы возбудить наихудшие подозрения у родителей девушек.