多重継承

多重継承は、オブジェクト指向のコンピュータプログラミング言語の一部の機能であり、オブジェクトまたはクラスが複数の親オブジェクトまたは親クラスから機能を継承できます。これは、オブジェクトまたはクラスが 1 つの特定のオブジェクトまたはクラスからのみ継承できる単一継承とは異なります。

多重継承は長年議論の的となっている問題であり、^{[1] [2]}反対派は、特定の機能が複数の親クラスで実装されている場合、その機能がどの親クラスから継承されているかが曖昧になる「ダイヤモンド問題」などの状況で、多重継承によって複雑さと曖昧さが増すと指摘しています。この問題は、仮想継承の使用など、さまざまな方法で対処できます。^{[3]曖昧さに対処するために、}ミックスインや特性などの継承に基づかないオブジェクト構成の代替方法も提案されています。

オブジェクト指向プログラミング(OOP)では、継承は2 つのクラス間の関係を表します。この関係では、1 つのクラス (子クラス) が親クラスのサブクラスになります。子は親のメソッドと属性を継承し、機能を共有できます。たとえば、食べる、繁殖するなどの機能を持つ変数クラス Mammal を作成し、次に、明示的にプログラムすることなくそれらの機能を継承する子クラスCatを定義し、ネズミを追いかけるなどの新しい機能を追加します。

多重継承により、プログラマーは複数の完全に直交する階層を同時に使用できます。たとえば、Cat がCartoon キャラクター、Pet、Mammalから継承し、これらすべてのクラス内から機能にアクセスできるようになります。

多重継承をサポートする言語には、C++、Common Lisp（Common Lisp Object System（CLOS）経由）、EuLisp（EuLisp Object System TELOS経由）、Curl、Dylan、Eiffel、Logtalk、Object REXX、Scala （ミックスインクラスの使用経由）、OCaml、Perl、POP-11、Python、R、Raku、Tcl（8.6以降に組み込まれているか、以前のバージョンではIncremental Tcl（ Incr Tcl ）経由）などがあります^{[4] [5]}。

IBM システム オブジェクト モデル(SOM) ランタイムは多重継承をサポートしており、SOM をターゲットとするプログラミング言語は、複数のベースから継承された新しい SOM クラスを実装できます。

Swift、Java、Fortran （2003 年改訂版以降） 、C#、Rubyなどの一部のオブジェクト指向言語では単一継承が実装されていますが、プロトコルまたはインターフェイスによって、真の多重継承の機能の一部が提供されます。

PHP は特性クラスを使用して特定のメソッド実装を継承します。Rubyはモジュールを使用して複数のメソッドを継承します。

「ダイヤモンド問題」（「死の致命的なダイヤモンド」 ^[6]と呼ばれることもある）は、2つのクラスBとCがAから継承し、クラスDがBとCの両方から継承している場合に生じる曖昧さである。AにBとCがオーバーライドしたメソッドがあり、Dがそれをオーバーライドしていない場合、DはBのバージョンとCのどちらのバージョンのメソッドを継承することになるのだろうか？

たとえば、GUI ソフトウェア開発のコンテキストでは、クラスは(外観用) クラスとButton(機能/入力処理用) クラスの両方から継承し、クラスと両方がクラスから継承する場合があります。ここで、メソッドがオブジェクトに対して呼び出され、クラスにはそのようなメソッドがなく、または(または両方)にオーバーライドされたメソッドがある場合、最終的にどのメソッドが呼び出されるのでしょうか。 RectangleClickableRectangleClickableObjectequalsButtonButtonequalsRectangleClickable

この状況でのクラス継承図の形状から、「ダイヤモンド問題」と呼ばれます。この場合、クラス A が最上部にあり、その下にクラス B とクラス C が別々にあり、クラス D が最下部で 2 つを結合してダイヤモンド形状を形成します。

言語には、継承の繰り返しの問題に対処するさまざまな方法があります。

• C# (C# 8.0 以降) では、デフォルトのインターフェイス メソッドの実装が許可されているため、同様のメソッドがデフォルトの実装を持つAインターフェイスIaとを実装するクラス に、同じシグネチャを持つ 2 つの「継承」メソッドが存在することになり、ダイヤモンド問題が発生します。この問題は、メソッド自体を実装することを要求してあいまいさを排除するか、呼び出し元にまずオブジェクトを適切なインターフェイスにキャストさせてそのメソッドのデフォルトの実装 (例) を使用するように強制することで軽減されます。IbAA((Ia) aInstance).Method();
• C++ は、デフォルトでは各継承パスを別々にたどるため、Dオブジェクトには実際には 2 つの別個のAオブジェクトが含まれることになり、 のメンバーの使用は適切に修飾される必要があります。 からへAの継承と から への継承が両方とも " " とマークされている場合(たとえば、" ")、C++ は 1 つのオブジェクトのみを作成するように特別な注意を払い、のメンバーの使用は正しく機能します。仮想継承と非仮想継承が混在する場合、への各非仮想継承パスに対して、1 つの仮想 と 1 つの非仮想が存在します。 C++ では、使用する機能がどの親クラスから呼び出されるかを明示的に指定する必要があります (つまり、 ) 。 C++ では、明示的な繰り返し継承はサポートされていません。これは、使用するスーパークラスを修飾する方法がないためです (つまり、単一の派生リストにクラスが複数回出現する [class Dog : public Animal, Animal])。 C++ では、仮想継承メカニズムを使用して、複数のクラスの単一のインスタンスを作成することもできます (つまり、と は同じオブジェクトを参照します)。ABACvirtualclass B : virtual public AAAAAAWorker::Human.AgeWorker::HumanMusician::Human
• Common Lisp CLOS は、妥当なデフォルトの動作とそれをオーバーライドする機能の両方を提供しようとします。簡単に言えば、デフォルトでは、D,B,C,Aクラス定義で B が C の前に記述されている場合、メソッドは でソートされます。最も具体的な引数クラスを持つメソッドが選択され (D>(B,C)>A)、次にサブクラス定義で親クラスが命名されている順序 (B>C) になります。ただし、プログラマは、特定のメソッド解決順序を指定したり、メソッドを組み合わせるためのルールを記述したりすることで、これをオーバーライドできます。これはメソッドの組み合わせと呼ばれ、完全に制御できます。MOP (メタオブジェクトプロトコル) は、継承、動的ディスパッチ、クラスのインスタンス化、およびその他の内部メカニズムを、システムの安定性に影響を与えることなく変更する手段も提供します。
• Curl では、明示的に共有としてマークされたクラスのみを繰り返し継承できます。共有クラスでは、クラス内の通常のコンストラクターごとにセカンダリ コンストラクターを定義する必要があります。通常のコンストラクターは、共有クラスの状態がサブクラスのコンストラクターによって初めて初期化されるときに呼び出され、セカンダリ コンストラクターは他のすべてのサブクラスに対して呼び出されます。
• Eiffelでは、祖先の機能は select および rename ディレクティブで明示的に選択されます。これにより、基本クラスの機能を子孫間で共有したり、各子孫に基本クラスの個別のコピーを提供したりできます。Eiffel では、祖先クラスから継承した機能を明示的に結合または分離できます。Eiffel は、名前と実装が同じであれば、機能を自動的に結合します。クラス作成者は、継承した機能を名前変更して分離することができます。多重継承は Eiffel 開発で頻繁に発生します。たとえば、広く使用されているデータ構造とアルゴリズムの EiffelBase ライブラリの有効なクラスのほとんどは、2 つ以上の親を持っています。^[7]
• Go はコンパイル時にダイヤモンド問題を防止します。構造体が2 つの構造体とDを埋め込み、その両方にメソッド があり、インターフェース を満たしている場合、が呼び出されるか、 のインスタンスが型の変数に割り当てられると、コンパイラは「あいまいなセレクタ」についてエラーを出力します。と のメソッドは、 またはを使用して明示的に呼び出すことができます。BCF()AD.F()DABCD.B.F()D.C.F()
• Java 8では、インターフェースにデフォルトメソッドが導入されました。 がA,B,Cインターフェースである場合、それぞれがの抽象メソッドB,Cに異なる実装を提供できるため、ダイヤモンド問題が発生します。いずれかのクラスでメソッドを再実装する必要があります(その本体は、スーパー実装の1つに呼び出しを転送するだけです)。そうしないと、あいまいさがコンパイルエラーとして拒否されます。^[8] Java 8より前のJavaでは、多重継承がサポートされておらず、インターフェースのデフォルトメソッドが利用できなかったため、ダイヤモンド問題のリスクはありませんでした。AD
• JavaFX Scriptバージョン 1.2 では、ミックスインを使用して多重継承が可能です。競合が発生した場合、コンパイラはあいまいな変数または関数の直接使用を禁止します。継承された各メンバーには、オブジェクトを目的のミックスインにキャストすることでアクセスできます (例: ) (individual as Person).printInfo();。
• Kotlin ではインターフェースの多重継承が可能ですが、ダイヤモンド問題のシナリオでは、子クラスは継承の競合を引き起こすメソッドをオーバーライドし、どの親クラスの実装を使用するかを指定する必要があります。例: super<ChosenParentInterface>.someMethod()
• Logtalk は、インターフェースと実装の両方の多重継承をサポートしており、デフォルトの競合解決メカニズムによってマスクされるメソッドの名前変更とアクセスの両方を提供するメソッドエイリアスの宣言を許可します。
• OCamlでは、親クラスはクラス定義の本体で個別に指定されます。メソッド (および属性) は同じ順序で継承され、新しく継承された各メソッドは既存のメソッドをオーバーライドします。OCaml は、クラス継承リストの最後に一致する定義を選択して、あいまいな場合にどのメソッド実装を使用するかを解決します。デフォルトの動作をオーバーライドするには、メソッド呼び出しを目的のクラス定義で修飾するだけです。
• Perl は継承するクラスのリストを順序付きリストとして使用します。コンパイラは、スーパークラス リストの深さ優先検索またはクラス階層のC3 線形化を使用して最初に見つかったメソッドを使用します。さまざまな拡張機能により、代替のクラス構成スキームが提供されます。継承の順序はクラスのセマンティクスに影響します。上記のあいまいさでは、クラスとその祖先がクラスとその祖先Bよりも先にチェックされるため、 のメソッドは を通じて継承されます。これはIoおよびPicolispと共有されます。Perl では、 または他のモジュールを使用してこの動作をオーバーライドし、 C3 線形化またはその他のアルゴリズムを使用できます。^[9]CABmro
• Python はPerl と同じ構造を持っていますが、Perl とは異なり、言語の構文にそれを含めています。継承の順序はクラスのセマンティクスに影響します。Python は、共通の祖先を持つ新しいスタイルのクラスを導入したときにこれに対処する必要がありました。Python は、 C3 線形化object(またはメソッド解決順序 (MRO)) アルゴリズムを使用してクラスのリストを作成します。そのアルゴリズムは、2 つの制約を強制します。子は親よりも前になり、クラスが複数のクラスから継承する場合は、基本クラスのタプルで指定された順序で保持されます (ただし、この場合、継承グラフの上位にあるクラスは、グラフの下位のクラスよりも前に配置される場合があります[ ^10] )。したがって、メソッド解決順序は、、、、となります。[ ^11]DBCA
• Rubyクラスには親が 1 つだけありますが、複数のモジュールから継承することもできます。Rubyクラス定義が実行され、メソッドの (再) 定義によって実行時に既存の定義が隠されます。実行時メタプログラミングがない場合、これは右端の深さ優先解決とほぼ同じセマンティクスを持ちます。
• Scala では、特性の複数のインスタンス化が許可されており、クラス階層と特性階層を区別することで多重継承が可能になります。クラスは 1 つのクラスからのみ継承できますが、必要に応じて任意の数の特性を混ぜることができます。Scala は、拡張された「特性」の右優先の深さ優先検索を使用してメソッド名を解決し、結果のリストで各モジュールの最後の出現以外をすべて削除します。したがって、解決順序は [ D、C、、 ] であり、これはA[ 、、、]に縮小されます。BADCBA
• Tclでは複数の親クラスが許可されており、クラス宣言での指定順序はC3線形化アルゴリズムを使用したメンバーの名前解決に影響します。^[12]

単一継承のみを許可する言語、つまりクラスは1つの基本クラスからのみ派生できる言語には、ダイヤモンド問題は発生しません。その理由は、そのような言語では、メソッドの繰り返しや配置に関係なく、継承チェーンのどのレベルでも、どのメソッドの実装もせいぜい1つしかないからです。通常、これらの言語では、クラスがJavaでインターフェースと呼ばれる複数のプロトコルを実装できます。これらのプロトコルはメソッドを定義しますが、具体的な実装は提供しません。この戦略は、 ActionScript、C#、D、Java、Nemerle、Object Pascal、Objective-C、Smalltalk、Swift、PHPで採用されています。^[13]これらの言語はすべて、クラスが複数のプロトコルを実装することを許可しています。

さらに、Ada、C#、Java、Object Pascal、Objective-C、Swift、PHP では、インターフェースの多重継承が可能です (Objective-C と Swift ではプロトコルと呼ばれます)。インターフェースは、動作を実装せずにメソッド シグネチャを指定する抽象基本クラスのようなものです (バージョン 7 までの Java の「純粋な」インターフェースでは、インターフェースでの実装やインスタンス データが許可されません)。ただし、複数のインターフェースで同じメソッド シグネチャが宣言されている場合でも、そのメソッドが継承チェーンのどこかで実装 (定義) されるとすぐに、そのメソッドは、その上位のチェーン (スーパークラス) にあるそのメソッドの実装をオーバーライドします。したがって、継承チェーンのどのレベルでも、メソッドの実装は最大で 1 つしか存在できません。したがって、単一継承メソッドの実装では、インターフェースの多重継承があってもダイヤモンド問題は発生しません。Java 8 と C# 8 でインターフェースのデフォルト実装が導入されたため、ダイヤモンド問題が発生する可能性はありますが、これはコンパイル時エラーとしてのみ表示されます。

• 有向グラフ
• ニクソンダイヤモンド

• Stroustrup, Bjarne (1999)。C++ の多重継承。1987 年春のヨーロッパ Unix ユーザー グループ カンファレンスの議事録
• オブジェクト指向ソフトウェア構築、第 2 版、Bertrand Meyer著、Prentice Hall、1997 年、ISBN 0-13-629155-4 
• Eddy Truyen、Wouter Joosen、Bo Nørregaard、Pierre Verbaeten (2004)。「委任ベースのオブジェクト システムにおける共通祖先ジレンマ問題の一般化と解決」(PDF)。2004 Dynamic Aspects Workshop の議事録(103–119)。
• Ira R. Forman、Scott Danforth (1999)。メタクラスの活用。ISBN 0-201-43305-2。

• Eiffel での継承の使用に関するチュートリアル
• Python における多重継承の効果的な使用法に関するチュートリアル
• Ocaml における継承の概要