Đa hình (polymorphism) là gì?

Trong Python, len("hello") trả về 5, len([4, 8, 15]) trả về 3, và len({"a": 1}) trả về 1. Đó là một tên hàm dùng cho ba kiểu, và mỗi kiểu đếm theo cách riêng: chuỗi đếm ký tự, list đếm phần tử, từ điển đếm khóa. Từ này có gốc Hy Lạp: poly nghĩa là nhiều, morph nghĩa là hình dạng. Một lời gọi, nhiều dạng hành vi.

Đa hình hoạt động thế nào

Code gọi một phương thức theo tên, như shape.area(). Khi dòng đó chạy, ngôn ngữ xem đối tượng thực tế là gì và tìm area trên chính lớp của đối tượng đó. Việc tra cứu này gọi là dynamic dispatch (điều phối động), và nhờ nó một dòng code có thể làm những việc khác nhau với những đối tượng khác nhau:

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 tìm phương thức bằng cách tra lớp của đối tượng trước, rồi đến các lớp cha theo một thứ tự cố định gọi là thứ tự phân giải phương thức (method resolution order). Nếu Square không có area() riêng, việc tìm kiếm sẽ đến Shape.area() và gây ra NotImplementedError, một tín hiệu cho biết mọi lớp con đều phải tự cung cấp phương thức này.

Vòng lặp không bao giờ kiểm tra nó đang giữ loại hình nào. Để thêm tam giác, bạn viết lớp Triangle có area() riêng, và vòng lặp vẫn chạy mà không cần sửa. Nếu không có đa hình, vòng lặp sẽ cần một nhánh if isinstance(...) cho mỗi hình, và phải sửa lại mỗi khi có hình mới.

Các loại đa hình

Khi nói "đa hình" trong lập trình hướng đối tượng mà không nói rõ hơn, người ta gần như luôn muốn nói đến hàng đầu tiên: đa hình kiểu con thông qua ghi đè.

Python có cả ba loại theo cách riêng của nó. Ghi đè hoạt động như ví dụ các hình ở trên. Các toán tử như + là đa hình ad hoc. Những hàm như max() và sorted() mang tinh thần đa hình tham số: chúng nhận list số, chuỗi hay ngày tháng, miễn là các phần tử so sánh được với nhau, và type hint như list[int] hoặc TypeVar có thể ghi rõ điều đó.

Đa hình lúc biên dịch và lúc chạy trong Java

Java có cả hai loại, và câu hỏi phỏng vấn thường hỏi về sự khác biệt này:

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

Biến pet có kiểu Animal, vậy mà phiên bản của Dog lại chạy, vì lựa chọn phụ thuộc vào đối tượng chứ không phải vào biến. Hai phương thức add là nạp chồng: trình biên dịch chọn một trong hai dựa vào kiểu của đối số trước khi chương trình chạy. Interface mang lại hành vi lúc chạy tương tự mà không cần dùng chung code: bất kỳ lớp nào cài đặt Comparable đều sắp xếp được bằng Collections.sort. C++ hoạt động giống vậy với một khác biệt: một phương thức chỉ được điều phối lúc chạy nếu được khai báo virtual. Xem đa hình trong Java, nạp chồng phương thức và hàm ảo trong C++.

Đa hình trong Python: duck typing và toán tử

Python không yêu cầu một lớp cha chung. Nếu đối tượng có phương thức mà code gọi tới, mọi thứ sẽ chạy: "nếu nó đi như vịt và kêu như vịt thì nó là vịt". Toán tử cũng có tính đa hình. Viết a + b sẽ gọi a.__add__(b), nên các lớp của bạn có thể hỗ trợ +, len() và 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

Kế thừa là một cách để có đa hình, không phải điều bắt buộc. Vector không kế thừa từ lớp đặc biệt nào, vậy mà len() và + vẫn đối xử với nó như một kiểu có sẵn. Tài liệu kế thừa trong Python trình bày cách dùng lớp con.

Những lỗi thường gặp

Mong Python nạp chồng theo chữ ký hàm. Một def thứ hai cùng tên sẽ âm thầm thay thế cái đầu tiên:

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'

Hãy dùng đối số mặc định thay vào đó: def greet(first, last="").

Quên virtual trong C++. Thiếu nó, việc gọi phương thức qua con trỏ đến lớp cơ sở sẽ chạy phiên bản của lớp cơ sở, kể cả khi đối tượng là lớp con.

Ghi đè làm thay đổi ý nghĩa. Nếu area() của một lớp con lại trả về chu vi, mọi nơi gọi tin vào area() đều sai. Phương thức ghi đè phải giữ đúng cam kết của lớp cha; quy tắc này được gọi là nguyên lý thay thế Liskov.

Kiểm tra kiểu ở khắp nơi. Một chuỗi nhánh if type(x) == ... thường là dấu hiệu cho thấy mỗi kiểu nên tự mang phương thức của riêng nó.

Đọc tiếp

Đa hình đi cùng với tính đóng gói, thứ bảo vệ dữ liệu của mỗi đối tượng, và trừu tượng hóa, thứ định nghĩa giao diện chung mà các kiểu cài đặt. Luyện ghi đè trong tài liệu về lớp trong Python, hoặc thử khóa học Java, nơi nạp chồng và ghi đè xuất hiện cạnh nhau.