核心要點(diǎn)

• 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的子類型多態(tài)性是指系統(tǒng)定義一組契約或接口，然後由不同的子類型實(shí)現(xiàn)這些契約或接口的能力。這對(duì)於設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的系統(tǒng)至關(guān)重要，這些系統(tǒng)可以消費(fèi)特定的契約，而無(wú)需檢查實(shí)現(xiàn)者是否屬於預(yù)期的類型。
• 本文通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)可插入的緩存組件來(lái)演示子類型多態(tài)性的使用，該組件可以通過(guò)開(kāi)發(fā)額外的緩存驅(qū)動(dòng)程序來(lái)擴(kuò)展以適應(yīng)用戶的需求。
• 緩存組件的一個(gè)關(guān)鍵特性是它能夠在運(yùn)行時(shí)交換不同的緩存驅(qū)動(dòng)程序，而無(wú)需更改任何客戶端代碼。這是通過(guò)定義一個(gè)緩存契約實(shí)現(xiàn)的，該契約隨後由不同的實(shí)現(xiàn)來(lái)遵守，從而利用了多態(tài)性的優(yōu)勢(shì)。
• 緩存組件可以在運(yùn)行時(shí)切換後端，這突出了多態(tài)性在設(shè)計(jì)高度解耦模塊中的重要性。這允許在運(yùn)行時(shí)輕鬆重新連接，而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分出現(xiàn)脆弱性或剛性相關(guān)問(wèn)題。
• 子類型多態(tài)性不僅使系統(tǒng)更正交、更容易擴(kuò)展，而且不易違反開(kāi)放/封閉原則和“面向接口編程”原則等核心範(fàn)例。它是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€(gè)基本方面，允許代碼的靈活性和可重用性。

許多人可能懷疑繼承和多態(tài)性在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的相關(guān)性嗎？可能很少，大多數(shù)可能是由於無(wú)知或思維狹隘。但這裡有一個(gè)小問(wèn)題不容忽視。雖然理解繼承的邏輯很簡(jiǎn)單，但在深入研究多態(tài)性的細(xì)節(jié)時(shí)，事情就變得更加困難了。 “多態(tài)性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)本身就令人望而生畏，其學(xué)術(shù)定義充滿了多種不同的觀點(diǎn)，這使得更難以理解其背後的實(shí)際內(nèi)容。諸如參數(shù)多態(tài)性和特設(shè)多態(tài)性之類的周邊概念（通常通過(guò)方法覆蓋/重載實(shí)現(xiàn)）在某些編程語(yǔ)言中確實(shí)有其顯著的應(yīng)用領(lǐng)域，但在設(shè)計(jì)能夠消費(fèi)特定契約（讀取抽象）的可擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該放棄最後一種情況，而無(wú)需檢查實(shí)現(xiàn)者是否屬於預(yù)期的類型。簡(jiǎn)而言之，大多數(shù)時(shí)候，在面向?qū)ο缶幊讨袑?duì)多態(tài)性的任何通用引用都被隱含地認(rèn)為是系統(tǒng)公開(kāi)的一種能力，該能力用於定義一組契約或接口，而這些契約或接口又由不同的實(shí)現(xiàn)來(lái)遵守。這種“規(guī)範(fàn)的”多態(tài)性通常被稱為子類型多態(tài)性，因?yàn)榻涌诘膶?shí)現(xiàn)者被認(rèn)為是它們的子類型，無(wú)論是否存在實(shí)際的層次結(jié)構(gòu)。正如人們可能預(yù)期的那樣，理解多態(tài)性的本質(zhì)只是學(xué)習(xí)過(guò)程的一半；另一半當(dāng)然是演示如何設(shè)計(jì)多態(tài)系統(tǒng)，使其能夠適應(yīng)相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的情況，而不會(huì)陷入僅僅展示“一些漂亮的教學(xué)代碼”（在許多情況下，這是玩具代碼的廉價(jià)委婉說(shuō)法）的陷阱。在本文中，我將向您展示如何通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)可插入的緩存組件來(lái)利用多態(tài)性提供的優(yōu)點(diǎn)。核心功能以後可以擴(kuò)展以滿足您的需求，方法是開(kāi)發(fā)額外的緩存驅(qū)動(dòng)程序。

定義組件的接口和實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建可擴(kuò)展緩存組件時(shí)，可供選擇的選項(xiàng)菜單絕非匱乏（如果您對(duì)此表示懷疑，只需看看一些流行框架背後的情況）。但是，在這裡，我提供的組件具有在運(yùn)行時(shí)交換不同緩存驅(qū)動(dòng)程序的巧妙能力，而無(wú)需修改任何客戶端代碼。那麼，如何在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不費(fèi)太多力氣就能做到這一點(diǎn)呢？嗯，第一步應(yīng)該是……是的，定義一個(gè)隔離的緩存契約，稍後將由不同的實(shí)現(xiàn)來(lái)遵守，從而利用多態(tài)性的好處。在其最基本的層面上，上述契約如下所示：

<?php namespace LibraryCache;

interface CacheInterface
{
    public function set($id, $data);
    public function get($id);
    public function delete($id);
    public function exists($id);
}

CacheInterface 接口是一個(gè)骨架契約，它抽象了通用緩存元素的行為。有了接口，就可以輕鬆創(chuàng)建一些符合其契約的具體緩存實(shí)現(xiàn)。由於我想保持簡(jiǎn)潔易懂，我設(shè)置的緩存驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒅皇且粋€(gè)精簡(jiǎn)的二重奏：第一個(gè)使用文件系統(tǒng)作為緩存/獲取數(shù)據(jù)的底層後端，而第二個(gè)在幕後使用 APC 擴(kuò)展。以下是基於文件的緩存實(shí)現(xiàn)：

<?php namespace LibraryCache;

class FileCache implements CacheInterface
{
    const DEFAULT_CACHE_DIRECTORY = 'Cache/';
    private $cacheDir;

    public function __construct($cacheDir = self::DEFAULT_CACHE_DIRECTORY) {
        $this->setCacheDir($cacheDir);
    }

    public function setCacheDir($cacheDir) {
        if (!is_dir($cacheDir)) {
            if (!mkdir($cacheDir, 0644)) {
                throw InvalidArgumentException('The cache directory is invalid.');
            }
        }
        $this->cacheDir = $cacheDir;
        return $this;
    }

    public function set($id, $data) {
        if (!file_put_contents($this->cacheDir . $id, serialize($data), LOCK_EX)) {
            throw new RuntimeException("Unable to cache the data with ID '$id'.");
        }
        return $this;
    }

    public function get($id) {
        if (!$data = unserialize(@file_get_contents($this->cacheDir . $id, false))) {
            throw new RuntimeException("Unable to get the data with ID '$id'.");
        }
        return $data;
    }

    public function delete($id) {
        if (!@unlink($this->cacheDir . $id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to delete the data with ID '$id'.");
        }
        return $this;
    }

    public function exists($id) {
        return file_exists($this->cacheDir . $id);
    }
}

FileCache 類的驅(qū)動(dòng)邏輯應(yīng)該很容易理解。到目前為止，這裡最相關(guān)的事情是它公開(kāi)了一種整潔的多態(tài)行為，因?yàn)樗覍?shí)地實(shí)現(xiàn)了早期的 CacheInterface。雖然這種能力很甜蜜迷人，但就其本身而言，考慮到這裡的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)能夠在運(yùn)行時(shí)切換後端的緩存組件，我不會(huì)為此大加讚賞。讓我們?yōu)榱私虒W(xué)目的而付出額外的努力，並使 CacheInterface 的另一個(gè)精簡(jiǎn)實(shí)現(xiàn)栩栩如生。下面的實(shí)現(xiàn)遵守接口的契約，但這次是通過(guò)使用 APC 擴(kuò)展捆綁的方法：

<?php namespace LibraryCache;

class ApcCache implements CacheInterface
{
    public function set($id, $data, $lifeTime = 0) {
        if (!apc_store($id, $data, (int) $lifeTime)) {
            throw new RuntimeException("Unable to cache the data with ID '$id'.");
        }
    }

    public function get($id) {
        if (!$data = apc_fetch($id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to get the data with ID '$id'.");
        } 
        return $data;
    }

    public function delete($id) {
        if (!apc_delete($id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to delete the data with ID '$id'.");
        }
    }

    public function exists($id) {
        return apc_exists($id);
    }
}

ApcCache 類不是您在職業(yè)生涯中見(jiàn)過(guò)的最炫的 APC 包裝器，它打包了從內(nèi)存中保存、檢索和刪除數(shù)據(jù)所需的所有功能。讓我們?yōu)槲覀冏约汗恼?，因?yàn)槲覀円呀?jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輕量級(jí)緩存模塊，其具體的後臺(tái)不僅可以由於其多態(tài)性而在運(yùn)行時(shí)輕鬆交換，而且以後添加更多後臺(tái)也極其簡(jiǎn)單。只需編寫另一個(gè)符合 CacheInterface 的實(shí)現(xiàn)即可。但是，我應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)際的子類型多態(tài)性是通過(guò)實(shí)現(xiàn)通過(guò)接口構(gòu)造定義的契約來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是一種非常普遍的方法。但是，沒(méi)有什麼可以阻止您不那麼正統(tǒng)，並通過(guò)切換一個(gè)聲明為一組抽象方法的接口（位於抽像類中）來(lái)獲得相同的結(jié)果。如果您感覺(jué)冒險(xiǎn)並想走那條旁路，則可以如下重構(gòu)契約和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)：

<?php namespace LibraryCache;

interface CacheInterface
{
    public function set($id, $data);
    public function get($id);
    public function delete($id);
    public function exists($id);
}

<?php namespace LibraryCache;

class FileCache implements CacheInterface
{
    const DEFAULT_CACHE_DIRECTORY = 'Cache/';
    private $cacheDir;

    public function __construct($cacheDir = self::DEFAULT_CACHE_DIRECTORY) {
        $this->setCacheDir($cacheDir);
    }

    public function setCacheDir($cacheDir) {
        if (!is_dir($cacheDir)) {
            if (!mkdir($cacheDir, 0644)) {
                throw InvalidArgumentException('The cache directory is invalid.');
            }
        }
        $this->cacheDir = $cacheDir;
        return $this;
    }

    public function set($id, $data) {
        if (!file_put_contents($this->cacheDir . $id, serialize($data), LOCK_EX)) {
            throw new RuntimeException("Unable to cache the data with ID '$id'.");
        }
        return $this;
    }

    public function get($id) {
        if (!$data = unserialize(@file_get_contents($this->cacheDir . $id, false))) {
            throw new RuntimeException("Unable to get the data with ID '$id'.");
        }
        return $data;
    }

    public function delete($id) {
        if (!@unlink($this->cacheDir . $id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to delete the data with ID '$id'.");
        }
        return $this;
    }

    public function exists($id) {
        return file_exists($this->cacheDir . $id);
    }
}

<?php namespace LibraryCache;

class ApcCache implements CacheInterface
{
    public function set($id, $data, $lifeTime = 0) {
        if (!apc_store($id, $data, (int) $lifeTime)) {
            throw new RuntimeException("Unable to cache the data with ID '$id'.");
        }
    }

    public function get($id) {
        if (!$data = apc_fetch($id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to get the data with ID '$id'.");
        } 
        return $data;
    }

    public function delete($id) {
        if (!apc_delete($id)) {
            throw new RuntimeException("Unable to delete the data with ID '$id'.");
        }
    }

    public function exists($id) {
        return apc_exists($id);
    }
}

從上到下，這確實(shí)是一種多態(tài)方法，它與之前討論的方法針?shù)h相對(duì)。就我個(gè)人而言，這只是我個(gè)人的說(shuō)法，我更喜歡使用接口構(gòu)造來(lái)定義契約，並且只在封裝幾個(gè)子類型共享的樣板實(shí)現(xiàn)時(shí)才使用抽像類。您可以選擇最適合您需求的方法。在這一點(diǎn)上，我可以放下帷幕，寫一些花哨的結(jié)束評(píng)論，誇誇我們令人印象深刻的編碼技巧，並吹噓我們緩存組件的靈活性，但這將是對(duì)我們的怠慢。當(dāng)存在一些能夠消費(fèi)多個(gè)實(shí)現(xiàn)的客戶端代碼時(shí)，多態(tài)性會(huì)展現(xiàn)出其最具誘惑力的方面，而無(wú)需檢查這些實(shí)現(xiàn)是否是某種類型的實(shí)例，只要它們符合預(yù)期的契約即可。因此，讓我們通過(guò)將緩存組件連接到一個(gè)基本的客戶端視圖類來(lái)揭示該方面，這將允許我們毫不費(fèi)力地進(jìn)行一些整潔的 HTML 緩存。

將緩存驅(qū)動(dòng)程序投入使用

通過(guò)我們的示例緩存模塊緩存 HTML 輸出非常簡(jiǎn)單，我將在其他時(shí)間保存任何冗長(zhǎng)的解釋。整個(gè)緩存過(guò)程可以簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的視圖類，類似於以下這個(gè)：

<?php namespace LibraryCache;

abstract class AbstractCache
{
    abstract public function set($id, $data);
    abstract public function get($id);
    abstract public function delete($id);
    abstract public function exists($id);
}

<?php namespace LibraryCache;

class FileCache extends AbstractCache
{
    // the same implementation goes here
}

最炫的傢伙是類的構(gòu)造函數(shù)，它使用早期的 CacheInterface 的實(shí)現(xiàn)者，以及 render() 方法。由於最後一個(gè)方法的職責(zé)是在視圖的模板被推送到輸出緩衝區(qū)後緩存它，因此利用此能力並緩存整個(gè) HTML 文檔會(huì)非常不錯(cuò)。假設(shè)視圖的默認(rèn)模板具有以下結(jié)構(gòu)：

<?php namespace LibraryCache;

class ApcCache extends AbstractCache
{
    // the same implementation goes here 
}

現(xiàn)在，讓我們玩得開(kāi)心一些，通過(guò)向視圖提供 ApcCache 類的實(shí)例來(lái)緩存文檔：

<?php namespace LibraryView;

interface ViewInterface
{
    public function setTemplate($template);
    public function __set($field, $value);
    public function __get($field);
    public function render();
}

很不錯(cuò)，對(duì)吧？但是等等！我太興奮了，忘記提到上面的代碼片段會(huì)在任何未安裝 APC 擴(kuò)展的系統(tǒng)上爆炸（調(diào)皮的系統(tǒng)管理員?。?。這是否意味著精心製作的緩存模塊不再可重用？這正是基於文件的驅(qū)動(dòng)程序發(fā)揮作用的地方，它可以放入客戶端代碼中而不會(huì)收到任何投訴：

<?php namespace LibraryView;
use LibraryCacheCacheInterface;

class View implements ViewInterface
{
    const DEFAULT_TEMPLATE = 'default';    
    private $template;
    private $fields = array();
    private $cache;

    public function __construct(CacheInterface $cache, $template = self::DEFAULT_TEMPLATE) {
        $this->cache = $cache;
        $this->setTemplate($template);
    }

    public function setTemplate($template) {
        $template = $template . '.php';
        if (!is_file($template) || !is_readable($template)) {
            throw new InvalidArgumentException(
                "The template '$template' is invalid.");   
        }
        $this->template = $template;
        return $this;
    }

    public function __set($name, $value) {
        $this->fields[$name] = $value;
        return $this;
    }

    public function __get($name) {
        if (!isset($this->fields[$name])) {
            throw new InvalidArgumentException(
                "Unable to get the field '$field'.");
        }
        return $this->fields[$name];
    }

    public function render() {
        try {
            if (!$this->cache->exists($this->template)) {
                extract($this->fields);
                ob_start();
                include $this->template;
                $this->cache->set($this->template, ob_get_clean());
            }
            return $this->cache->get($this->template);
        }
        catch (RuntimeException $e) {
            throw new Exception($e->getMessage());
        } 
    }
}

上面的單行代碼明確聲明視圖將使用文件系統(tǒng)而不是共享內(nèi)存來(lái)緩存其輸出。這種動(dòng)態(tài)切換緩存後端簡(jiǎn)明地說(shuō)明了為什麼多態(tài)性在設(shè)計(jì)高度解耦的模塊時(shí)如此重要。它允許我們?cè)谶\(yùn)行時(shí)輕鬆地重新連接事物，而不會(huì)將脆弱性/剛性相關(guān)的偽影傳播到我們系統(tǒng)的其他部分。

結(jié)束語(yǔ)

在使理解該概念變得難以捉摸的大量正式定義的壓迫下，多態(tài)性確實(shí)是生活中那些美好的事物之一，一旦您理解了它，就會(huì)讓您想知道您如何在沒(méi)有它的情況下繼續(xù)這麼長(zhǎng)時(shí)間。多態(tài)系統(tǒng)本質(zhì)上更正交、更容易擴(kuò)展，並且不太容易違反開(kāi)放/封閉原則和明智的“面向接口編程”原則等核心範(fàn)例。儘管相當(dāng)原始，但我們的緩存模塊是這些優(yōu)點(diǎn)的突出示例。如果您尚未重構(gòu)您的應(yīng)用程序以利用多態(tài)性帶來(lái)的好處，那麼您最好快點(diǎn)，因?yàn)槟e(cuò)過(guò)了大獎(jiǎng)！ 圖片來(lái)自 Fotolia

關(guān)於子類型多態(tài)性的常見(jiàn)問(wèn)題解答 (FAQ)

子類型多態(tài)性和參數(shù)多態(tài)性的主要區(qū)別是什麼？

子類型多態(tài)性，也稱為包含多態(tài)性，是一種多態(tài)性形式，其中一個(gè)名稱表示許多不同類別的實(shí)例，這些類別通過(guò)某個(gè)公共超類相關(guān)聯(lián)。另一方面，參數(shù)多態(tài)性允許函數(shù)或數(shù)據(jù)類型以相同的方式處理值，而無(wú)需依賴其類型。參數(shù)多態(tài)性是一種使語(yǔ)言更具表達(dá)力同時(shí)保持完全靜態(tài)類型安全性的方法。

子類型多態(tài)性在 Java 中是如何工作的？

在 Java 中，子類型多態(tài)性是通過(guò)使用繼承和接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超類引用變量可以指向子類對(duì)象。這允許 Java 在運(yùn)行時(shí)決定調(diào)用哪個(gè)方法，這被稱為動(dòng)態(tài)方法調(diào)度。它是 Java 的強(qiáng)大功能之一，使它能夠支持動(dòng)態(tài)多態(tài)性。

你能提供子類型多態(tài)性的一個(gè)例子嗎？

當(dāng)然，讓我們考慮一下 Java 中的一個(gè)簡(jiǎn)單示例。假設(shè)我們有一個(gè)名為“Animal”的超類和兩個(gè)子類“Dog”和“Cat”。 “Dog”和“Cat”類都重寫了“Animal”類的“sound”方法?，F(xiàn)在，如果我們創(chuàng)建一個(gè)“Animal”引用指向“Dog”或“Cat”對(duì)象並調(diào)用“sound”方法，Java 將在運(yùn)行時(shí)決定調(diào)用哪個(gè)類的“sound”方法。這是一個(gè)子類型多態(tài)性的例子。

子類型多態(tài)性在編程中的意義是什麼？

子類型多態(tài)性是面向?qū)ο缶幊痰囊粋€(gè)基本方面。它允許代碼的靈活性和可重用性。使用子類型多態(tài)性，您可以為一組類設(shè)計(jì)一個(gè)通用接口，然後使用此接口以統(tǒng)一的方式與這些類的對(duì)象交互。這將導(dǎo)致更簡(jiǎn)潔、更直觀和更易於維護(hù)的代碼。

子類型多態(tài)性與 Liskov 替換原則有什麼關(guān)係？

Liskov 替換原則 (LSP) 是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的一個(gè)原則，它指出，如果程序正在使用基類，則它應(yīng)該能夠使用任何其子類，而無(wú)需程序知道它。換句話說(shuō)，超類的對(duì)象應(yīng)該能夠被子類的對(duì)象替換，而不會(huì)影響程序的正確性。子類型多態(tài)性是 LSP 的直接應(yīng)用。

所有編程語(yǔ)言都支持子類型多態(tài)性嗎？

不，並非所有編程語(yǔ)言都支持子類型多態(tài)性。它主要是靜態(tài)類型面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言（如 Java、C 和 C#）的一個(gè)特性。像 Python 和 JavaScript 這樣的動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言具有不同形式的多態(tài)性，稱為鴨子類型。

靜態(tài)多態(tài)性和動(dòng)態(tài)多態(tài)性有什麼區(qū)別？

靜態(tài)多態(tài)性，也稱為編譯時(shí)多態(tài)性，是通過(guò)方法重載實(shí)現(xiàn)的。關(guān)於調(diào)用哪個(gè)方法的決定是在編譯時(shí)做出的。另一方面，動(dòng)態(tài)多態(tài)性，也稱為運(yùn)行時(shí)多態(tài)性，是通過(guò)方法重寫實(shí)現(xiàn)的。關(guān)於調(diào)用哪個(gè)方法的決定是在運(yùn)行時(shí)做出的。子類型多態(tài)性是一種動(dòng)態(tài)多態(tài)性。

你能解釋子類型多態(tài)性中向上轉(zhuǎn)換的概念嗎？

向上轉(zhuǎn)換是將派生類對(duì)象視為基類對(duì)象的過(guò)程。它是子類型多態(tài)性的一個(gè)關(guān)鍵方面。當(dāng)您向上轉(zhuǎn)換派生類對(duì)象時(shí)，您可以調(diào)用基類中定義的任何方法。但是，如果該方法在派生類中被重寫，則將調(diào)用重寫版本。

在子類型多態(tài)性的上下文中，向下轉(zhuǎn)換是什麼？

向下轉(zhuǎn)換與向上轉(zhuǎn)換相反。它是將超類對(duì)象轉(zhuǎn)換為子類的過(guò)程。當(dāng)您需要訪問(wèn)僅存在於子類中的方法時(shí)，可以使用向下轉(zhuǎn)換。但是，向下轉(zhuǎn)換可能很危險(xiǎn)，因?yàn)樗绻晦D(zhuǎn)換的對(duì)象實(shí)際上不具有您要轉(zhuǎn)換到的類型，則可能導(dǎo)致 ClassCastException。

子類型多態(tài)性如何促進(jìn)代碼的可重用性？

子類型多態(tài)性允許我們編寫更通用和可重用的代碼。通過(guò)使用超類引用來(lái)與子類對(duì)象交互，我們可以編寫適用於各種對(duì)象的代碼，只要它們都屬於同一個(gè)超類的子類即可。這意味著我們可以添加新的子類，而無(wú)需更改使用超類的代碼，這使得我們的代碼更靈活、更容易維護(hù)。

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