Статический контроль типов и динамическое связывание

Рассмотрим семейство классов A1, A2,... An, связанных отношением наследования. Класс Ak+1 является прямым потомком класса Ak. Пусть создана последовательность объектов x1, x2,... xn, где xk - объект класса Ak. Пусть в классе A1 создан метод M с модификатором virtual, переопределяемый всеми потомками, так что в рамках семейства классов метод M существует в n формах, каждая из которых задает реализацию метода, выбранную соответствующим потомком. Рассмотрим основную операцию, инициирующую объектные вычисления - вызов объектом метода класса:

x1.M(arg1, arg2, … argN)

Контролем типов называется проверка каждого вызова, удостоверяющая, что:

· в классе A1 объекта x1 действительно имеется метод M;

· у метода М действительно N формальных аргументов;

· список фактических аргументов в точке вызова соответствует по числу и типам списку формальных аргументов метода M, заданного в классе A1.

Язык C#, как и большинство других языков программирования, позволяет выполнить эту проверку еще на этапе компиляции и в случае нарушений выдать сообщение об ошибке. Контроль типов, выполняемый на этапе компиляции, называется статическим контролем типов. Языки программирования, называемые динамическими, например, язык Smalltalk, производят этот контроль динамически - в ходе работы программы непосредственно перед выполнением метода. Понятно, что ошибки, обнаруживаемые при динамическом контроле типов, трудно исправимы и потому приводят к более тяжелым последствиям. В таких случаях остается уповать на то, что система тщательно отлажена, иначе непонятно, что будет делать конечный пользователь, получивший сообщение о том, что вызываемого метода вообще нет в классе данного объекта. У динамических языков есть свои преимущества - прежде всего, простота.

Перейдем к рассмотрению связывания. И снова рассмотрим основную операцию - вызов

x1.M(arg1, arg2, … argN);

Предположим, что статический контроль типов для этого вызова успешно выполнен. Рассмотрим еще один аспект, связанный с этим вызовом. Вспомним, что x1 - это ссылка, которая связана с объектом, расположенным в динамической памяти. Всегда ли совпадает тип объекта и тип ссылки? Другими словами, всегда ли объект, созданный в динамической памяти, принадлежит классу A1? Ответ: нет, не всегда.

Предположим, что вызову метода M объектом x1 предшествует присваивание

x1 = y;

Это ссылочное присваивание, поскольку x1 - ссылка. Присваивание является допустимым, если объект y принадлежит классу, являющемуся потомком класса объекта x1. Таким образом, в точке вызова ссылка x1 может быть связана с объектом любого класса нашего семейства A1, …AN. В каждом из этих классов существует метод M с одной и той же сигнатурой. Метод M полиморфен: имея одно и то же имя и сигнатуру, он существует в разных формах - для каждого класса задана собственная реализация метода. Возникает естественный вопрос, какой же метод M следует вызывать - метод класса A1 (метод ссылки) или метод того класса, которому принадлежит реальный объект в динамической памяти (метод объекта). Возможны два решения этого вопроса, и оба варианта используются на практике.

Определение. Статическим связыванием называется связывание цели вызова и вызываемого метода на этапе компиляции, когда с сущностью связывается метод класса, заданного при объявлении сущности - метод ссылки.

Определение. Динамическим связыванием называется связывание цели вызова и вызываемого метода на этапе выполнения, когда с сущностью связывается метод класса объекта, связанного с сущностью в момент выполнения - метод объекта.

При статическом связывании метод выбирается из класса сущности, при динамическом - из класса объекта, связанного с сущностью. Понятно, что на этапе компиляции возможно только статическое связывание, поскольку только в период выполнения можно определить, с объектом какого класса связана данная сущность. Это может быть класс любого из потомков класса сущности.

Какой же из видов связывания следует применять? Статическое связывание более эффективно в реализации, поскольку может быть сделано на этапе компиляции, так что при выполнении не потребуется никаких проверок. Динамическое связывание требует накладных расходов в период выполнения. Однако во многих случаях преимущества динамического связывания столь значительны, что о затратах не стоит и беспокоиться.

Уже достаточно давно разработан эффективный механизм реализации динамического связывания. Еще на этапе компиляции подготавливается так называемая таблица виртуальных методов, содержащая их адреса. Связывание объекта xk с принадлежащим ему методом Mk производится выбором соответствующего элемента из этой таблицы и выполняется не сложнее, чем получение по индексу соответствующего элемента массива.

В языке C# принята следующая стратегия связывания. По умолчанию предполагается статическое связывание. Для того чтобы выполнялось динамическое связывание, родительский класс, впервые создающий метод, должен снабдить метод модификатором virtual или abstract, в классах потомках такой виртуальный метод будет иметь модификатор override.