Что такое полиморфизм?

В Python len("hello") возвращает 5, len([4, 8, 15]) возвращает 3, а len({"a": 1}) возвращает 1. Это одно имя функции для трёх типов, и каждый тип считает по-своему: строка считает символы, список элементы, словарь ключи. Слово пришло из греческого: poly, много, и morph, форма. Один вызов, много форм поведения.

Как работает полиморфизм

Код вызывает метод по имени, например shape.area(). Когда эта строка выполняется, язык смотрит на фактический объект и находит area в классе самого объекта. Такой поиск называется динамической диспетчеризацией, и именно он позволяет одной строке выполнять разную работу для разных объектов:

import math

class Shape:
    def area(self):
        raise NotImplementedError

class Circle(Shape):
    def __init__(self, r):
        self.r = r
    def area(self):
        return math.pi * self.r ** 2

class Square(Shape):
    def __init__(self, side):
        self.side = side
    def area(self):
        return self.side ** 2

shapes = [Circle(1), Square(3), Circle(2)]
for shape in shapes:
    # One line of code, a different area() for each type
    print(type(shape).__name__, round(shape.area(), 2))

Circle 3.14
Square 9
Circle 12.57

Python ищет метод сначала в классе объекта, потом в его родительских классах в определённом порядке, который называется порядком разрешения методов (MRO). Если бы у Square не было своего area(), поиск дошёл бы до Shape.area() и выбросил бы NotImplementedError, сигнал о том, что каждый подкласс должен реализовать этот метод.

Цикл никогда не проверяет, какая фигура у него в руках. Чтобы добавить треугольник, ты пишешь класс Triangle с собственным area(), и цикл работает без изменений. Без полиморфизма циклу понадобилась бы ветка if isinstance(...) для каждой фигуры, и её пришлось бы править всякий раз, когда появляется новая.

Виды полиморфизма

Когда в объектно-ориентированном программировании говорят «полиморфизм» без уточнений, почти всегда имеют в виду первую строку: полиморфизм подтипов через переопределение.

В Python есть все три, каждый на свой лад. Переопределение работает, как в примере с фигурами. Операторы вроде + это ad hoc полиморфизм. Функции вроде max() и sorted() параметрические по духу: они принимают список чисел, строк или дат, лишь бы элементы можно было сравнивать, а аннотации типов вроде list[int] или TypeVar позволяют указать это явно.

Статический и динамический полиморфизм в Java

В Java есть оба вида, и на собеседованиях часто спрашивают о разнице:

class Animal { String sound() { return "..."; } }
class Dog extends Animal {
    @Override String sound() { return "Woof"; }
}

Animal pet = new Dog();
pet.sound();          // "Woof": chosen at run time from the object

int add(int a, int b)          { return a + b; }
double add(double a, double b) { return a + b; }
add(2, 3);            // int version, chosen by the compiler
add(2.5, 1.0);        // double version

Переменная pet имеет тип Animal, но выполняется версия Dog, потому что выбор зависит от объекта, а не от переменной. Два метода add это перегрузка: компилятор выбирает один из них по типам аргументов ещё до запуска программы. Интерфейсы дают то же поведение во время выполнения без общего кода: любой класс, реализующий Comparable, можно отсортировать с помощью Collections.sort. C++ работает так же с одним отличием: метод получает динамическую диспетчеризацию, только если он объявлен как virtual. Смотри полиморфизм в Java, перегрузку методов и виртуальные функции C++.

Полиморфизм в Python: утиная типизация и операторы

Python не требует общего родительского класса. Если у объекта есть метод, который вызывает код, всё работает: «если что-то ходит как утка и крякает как утка, это утка». Операторы тоже полиморфны. Запись a + b вызывает a.__add__(b), поэтому твои собственные классы могут поддерживать +, len() и print():

class Vector:
    def __init__(self, x, y):
        self.x, self.y = x, y
    def __add__(self, other):          # called for v1 + v2
        return Vector(self.x + other.x, self.y + other.y)
    def __len__(self):                 # called for len(v)
        return 2
    def __repr__(self):                # called by print()
        return f"Vector({self.x}, {self.y})"

print(1 + 2, "ab" + "cd", [1] + [2])   # built-in types
print(Vector(1, 2) + Vector(10, 20))    # your own type
print(len("hello"), len([1, 2, 3]), len(Vector(0, 0)))

3 abcd [1, 2]
Vector(11, 22)
5 3 2

Наследование это один из способов получить полиморфизм, а не обязательное условие. Vector ни от чего особенного не наследуется, но len() и + обращаются с ним как со встроенным типом. Документация по наследованию в Python показывает путь через подклассы.

Частые ошибки

Ожидание, что Python перегружает функции по сигнатуре. Второй def с тем же именем молча заменяет первый:

def greet(name):
    return "Hi " + name

def greet(first, last):          # replaces the first greet
    return "Hi " + first + " " + last

print(greet("Ana", "Silva"))
print(greet("Ana"))

Hi Ana Silva
Traceback (most recent call last):
  ...
TypeError: greet() missing 1 required positional argument: 'last'

Вместо этого используй аргумент по умолчанию: def greet(first, last="").

Забытый virtual в C++. Без него вызов метода через указатель на базовый класс выполняет базовую версию, даже если объект это подкласс.

Переопределения, которые меняют смысл. Если area() в одном подклассе возвращает периметр, ломается каждый вызывающий код, который доверяет area(). Переопределение должно выполнять обещание, данное родителем; это правило известно как принцип подстановки Лисков.

Проверки типов повсюду. Цепочка веток if type(x) == ... обычно говорит о том, что у каждого типа должен быть свой метод.

Что читать дальше

Полиморфизм работает вместе с инкапсуляцией, которая защищает данные каждого объекта, и абстракцией, которая задаёт общий интерфейс, реализуемый типами. Потренируйся в переопределении по документации по классам Python или попробуй курс Java, где перегрузка и переопределение встречаются бок о бок.