今天補充昨天一些未交代細節。

「多型」Polymorphism架構圖

• 下面是筆者的手繪圖示。很簡陋，但勉強能說明多型的大致架構和分類：
  
• 請記住：本章所談的「多型」，是上圖右邊的「執行時期」這塊。筆者並未著墨於左邊的「編譯時期」多型。原因之前也有解釋：不論method overloading或operator overloading，Python都沒有支援(註1)。

「形式型別」和「實際型別」

• 昨天講到，實作多型時，通常是宣告父類別的型別，但實際new出的是子類別物件，例如Tree hardwood = new Hardwood();。其中Tree是「形式類別」(下改稱「形式型別」)(註2)，亦即父類別；Hardwood為「實際類別」(下稱「實際型別」)，也就是子類別。

• 形式型別和實際型別不同，這樣的設計究竟有甚麼好處？「形實一致」可能帶來哪些不便？

• 其實昨天已部分回答了這個問題。現在進一步說明：

  • 形式型別是在編譯時期(compile-time)就決定，而實際型別則是執行時期(run-time)的事。
  • 在判斷某個物件有哪些方法可用時，編譯器看的是在編譯期間已確定的形式型別，完全不管實際型別，要管也管不著。
  • 於是一旦Tree hardwood = new Hardwood();，hardwood物件就只能執行Tree類別已宣告的方法，通常子類別都會覆寫override這些方法。而Tree沒有宣告的方法，hardwood一律不能呼叫，一呼叫就報錯。
  • 多型機制如此規範，目的之一是將形式型別視為規格(或介面)製定者，後代子孫必須按規格行事，不可逾越。

• 另外一個好處是：這樣設計系統比較容易擴充。

• 假設下列情形：

  • 昨天的C#程式，設計完成運作一陣子後，如果需求有變，必須新增一個TreeDoctor類別。這個樹醫生類別醫術非常高明，甚麼樣的樹生病他都能治。不管是闊葉樹、針葉樹，甚至金星樹、火星樹、土星樹都難不倒這位神醫。一言以蔽之，只要是「樹」(Tree)，他就能治病。
  • 這位樹醫生有一個cure()方法，接受一個Tree型別的參數。所以這個方法的signature是public void cure(Tree tree)(註3)。

• 新增「樹醫生類別」的程式如下。為求精簡，刪去一些不相干的code：

  using System;
  namespace MyApplication
  {
    class Tree  // Base class (parent)
    {
    }
  
    class Hardwood : Tree  // Derived class (child)
    {
    }
  
    class Conifer : Tree  // Derived class (child)
    {
    }
  
    class VenusianTree : Tree   // 金星樹
    {
    }
  
    class MartianTree : Tree   // 火星樹
    {
    }
  
    class SaturnianTree : Tree   // 土星樹
    {
    }
  
    class TreeDoctor    // 新增這個「樹醫生」類別。
    {
      public void cure(Tree tree)  // 只要是「樹」我就能治。
      {
        Console.WriteLine("I am curing the " + tree + '.');
      }
    }
  
    class Program
    {
      static void Main(string[] args)
      {
        Tree hardwood = new Hardwood();            // 「形式型別」是Tree，「實際型別」是Hardwood。
        Tree conifer = new Conifer();              // 「形式型別」是Tree，「實際型別」是Conifer。
        Tree venusianTree = new VenusianTree();    // 「形式型別」是Tree，「實際型別」是VenusianTree。
        Tree martianTree = new MartianTree();      // 「形式型別」是Tree，「實際型別」是MartianTree。
        Tree saturnianTree = new SaturnianTree();  // 「形式型別」是Tree，「實際型別」是SaturnianTree。
  
        TreeDoctor doctor = new TreeDoctor();
  
        // 樹醫生要去醫治不同的樹了：
        doctor.cure(hardwood);         
        doctor.cure(conifer);
        doctor.cure(venusianTree);
        doctor.cure(martianTree);
        doctor.cure(saturnianTree);
      }
    }
  }    
  

• 程式正確執行，樹醫生坐太空船到各星球出診去了：
  

• 但是...如果樹的物件「形式型別」和「實際型別」設為一致：

  using System;
  namespace MyApplication
  {
    class Tree  // Base class (parent)
    {
    }
  
    class Hardwood : Tree  // Derived class (child)
    {
    }
  
    class Conifer : Tree  // Derived class (child)
    {
    }
  
    class VenusianTree : Tree   // 金星樹
    {
    }
  
    class MartianTree : Tree   // 火星樹
    {
    }
  
    class SaturnianTree : Tree   // 土星樹
    {
    }
  
    class TreeDoctor    // // 新增這個「樹醫生」類別。
    {
      public void cure(Tree tree)  // 我要的參數是「通用型的樹」，而不是某個特定樹種。
      {
        Console.WriteLine("I am curing the " + tree + '.');
      }
    }
  
    class Program
    {
      static void Main(string[] args)
      {
        hardwood hardwood = new Hardwood();                 // 「形式型別」和「實際型別」都是Hardwood。
        Conifer conifer = new Conifer();                    // 「形式型別」和「實際型別」都是Conifer。
        VenusianTree venusianTreeTree = new VenusianTree(); // 「形式型別」和「實際型別」都是VenusianTree。
        MartianTree martianTree = new MartianTree();        // 「形式型別」和「實際型別」都是MartianTree。
        SaturnianTree saturnianTree = new SaturnianTree();  // 「形式型別」和「實際型別」都是SaturnianTree。
  
        TreeDoctor doctor = new TreeDoctor();
  
        // 樹醫生要去醫治不同的樹了。但，可以嗎？
        doctor.cure(hardwood);
        doctor.cure(conifer);
        doctor.cure(venusianTree);
        doctor.cure(martianTree);
        doctor.cure(saturnianTree);
      }
    }
  }
  

• 樹醫生的cure()方法，參數的型別必須為「通用的樹」，而不是某個「特定樹種」，主程式卻傳了一棵特定樹種型別的樹給他。這樣會引發錯誤：
  

• 這是Tree hardwood = new Hardwood();寫法好處之一。當然還有其他優點，就恕不一一枚舉了。

多型的限制

• 以下是筆者搜集到的一些多型的限制(註4)：
  • 多型機制只能用在方法(函數)，不能用在屬性(attributes)。所以一講多型，指的必然是方法，屬性根本談不上多不多型。
  • 也不是所有種類的方法都可以產生多型。多型只用在「實例方法」(instance methods)，至於「類別方法」(class methods)，是無法運用多型的。這個限制其實也很自然，因為多型只作用於實例(instance)，不作用於整個類別。別忘了類別是抽象的「模板」或「藍圖」，並無實物，所以根本和多型扯不上半毛錢關係。只有實例才可能會造成形式型別和實際型別不一致而形成多型。

連續兩天用C#講多型，似乎有點偏離本系列題目OO Programming in Python。好，明天就介紹 Python的多型吧。

註1: 之前筆者也有提及，看過有人用些奇奇怪怪的方法去實作出Python的method overloading。基於實用性不大，過程又有點複雜，除非有心「練功」，否則不看也罷。

註2: 請參考本系列Day 2: 類別是「模板」或「藍圖」。該文有說明類別就是自訂的型別。

註3: signature一般不包括傳回值。這裡為了完整表達整個方法的定義，特地將其傳回值void也納入。

註4: 這些限制是筆者從Java的資料找到，不確定是否為通例。