ポリモーフィズム（コンピュータサイエンス）

プログラミング言語理論と型理論において、多態性とは単一の記号を使用して複数の異なる型を表すことです。^[1]

オブジェクト指向プログラミングにおいて、ポリモーフィズムとは、異なるタイプのエンティティに対して単一のインターフェースを提供することです。^[2]この概念は、生物または種が多くの異なる形態または段階を持つことができるという生物学 の原理から借用されています。 ^[3]

最も一般的に認識されているポリモーフィズムの主な形式は次のとおりです。

• アドホック多態性: 個別に指定された型の任意のセットに共通のインターフェースを定義します。
• パラメトリック多態性: 具体的な型を指定せず、代わりに任意の型の代わりに使用できる抽象的なシンボルを使用します。
• サブタイピング（サブタイプ多態性または包含多態性とも呼ばれる）：ある名前が、共通のスーパークラスによって関連付けられた多くの異なるクラスのインスタンスを表す場合。 ^[4]

多態的型システムへの関心は1990 年代に大きく高まり、実用的な実装が 10 年代の終わりまでに登場し始めました。アドホック多態性とパラメトリック多態性は、もともとChristopher Stracheyの「プログラミング言語の基本概念」 ^[5]で説明されており、そこでは多態性の「2 つの主要なクラス」として挙げられています。アドホック多態性はALGOL 68の機能であり、パラメトリック多態性はMLの型システム の中核機能でした。

1985年の論文で、ピーター・ウェグナーとルカ・カルデッリは、サブタイプと継承をモデル化するために包含多態性という用語を導入し、^{[1]それを実装した最初のプログラミング言語として}Simulaを挙げました。

Christopher Strachey は、異なる型の引数に適用できるが、適用される引数の型に応じて異なる動作をする多態的関数 (関数オーバーロードまたは演算子オーバーロードとも呼ばれる)を指すために、アドホック多態性という用語を選択しました。 ^{[5]この文脈での「}アドホック」という用語は軽蔑的な意味ではなく、この形式の多態性が型システムの基本的な機能ではないという事実を単に指しています。以下のJava の例では、呼び出しを見ると関数は 2 つの型 (整数と文字列) に対して一般的に機能しているように見えますが、コンパイラーは事実上 2 つの完全に異なる関数と見なします。 Add

クラス AdHocPolymorphic { public String add ( int x , int y ) { return "合計: " + ( x + y ); } 
          
         
    

    public String add ( String name ) { return "Added " + name ; } }    
         
    


パブリッククラスadhoc { public static void main ( String [] args ) { AdHocPolymorphic poly = new AdHocPolymorphic ();   
         
            

        System.out.println ( poly.add ( 1,2 ) ); // 「合計: 3」と出力します。System.out.println ( poly.add ( " Jay " ) ) ; // 「Jayが追加されました」と出力します。} }     
           
    

動的型付け言語では、呼び出す必要のある正しい関数が実行時にのみ決定できる可能性があるため、状況はさらに複雑になる可能性があります。

暗黙的な型変換はポリモーフィズムの一種として定義されており、「強制ポリモーフィズム」と呼ばれています。^{[1] [6]}

パラメトリック多態性により、関数やデータ型を汎用的に記述できるため、型に依存せずに値を均一に処理できます。 ^{[7]パラメトリック多態性は、完全な静的}型安全性を維持しながら、言語の表現力を高める方法です。

パラメトリック多態性の概念は、データ型と関数の両方に適用されます。異なる型の値に評価または適用できる関数は、多態関数と呼ばれます。一般化された型のように見えるデータ型 (任意の型の要素を持つリストなど) は、そのような特殊化が行われる一般化された型と同様に、多態的なデータ型として指定されます。

パラメトリック多態性は関数型プログラミングでは広く使用されており、単に「ポリモーフィズム」と呼ばれることもあります。次のHaskellの例では、パラメータ化されたリスト データ型と、そのリストに対する 2 つのパラメトリック多態性関数を示しています。

データリストa = Nil | Cons a (リストa )         

長さ::リストa ->整数長さNil = 0長さ( Cons x xs ) = 1 +長さxs     
           
        

map :: ( a -> b ) -> List a -> List b map f Nil = Nil map f ( Cons x xs ) = Cons ( f x ) ( map f xs )          
            
           

パラメトリック ポリモーフィズムは、いくつかのオブジェクト指向言語でも利用できます。たとえば、 C++ および D のテンプレート、またはC#、Delphi、Java、Go の ジェネリックという名前で利用できます。

クラスList < T > {クラスNode < T > { T elem ; Node < T > next ; } Node < T > head ; int length () { ... } }  
      
         
         
    
     
        


リスト< B >マップ( Func < A 、B > f 、リスト< A > xs ) { ... }      
    

ジョン・C・レイノルズ（後にジャン＝イヴ・ジラール）は、この多態性の概念をラムダ計算の拡張として正式に開発しました（多態ラムダ計算またはシステム Fと呼ばれます）。パラメトリック多態関数は、その機能に必然的に制限があり、データの値ではなく形状に基づいて動作するため、パラメトリシティの概念につながります。

一部の言語では、サブタイピング（サブタイプ多態性または包含多態性とも呼ばれる）という考え方を採用して、特定のポリモーフィズムの場合に使用できる型の範囲を制限しています。これらの言語では、サブタイピングにより、関数が特定の型Tのオブジェクトを受け取るように記述できますが、 Tのサブタイプである型Sに属するオブジェクトを渡した場合にも正しく機能します（リスコフの置換原則による）。この型関係は、S  <:  Tと記述されることがあります。逆に、T はSのスーパータイプであると言われ、 T  :>  Sと記述されます。サブタイプ多態性は通常、動的に解決されます（以下を参照）。

次の Java の例では、ペットのサブタイプとして cats と dogs を作成します。このプロシージャはletsHear()ペットを受け入れますが、サブタイプが渡された場合でも正しく動作します。

抽象クラスPet {抽象文字列say (); }   
      


クラス Cat はPetを拡張します{ String say () { return "Meow!" ; } }   
      
         
    


クラス Dog はPetを拡張します{ String say () { return "Woof!" ; } }   
      
         
    


static void letsHear ( final Pet pet ) { println ( pet .speak ( ) ); }     
    


static void main ( String [] args ) { letsHear ( new Cat ()); letsHear ( new Dog ()); }    
     
     

別の例として、Number、Rational、およびIntegerが、 Number  :>  RationalかつNumber  :>  Integer ( RationalとInteger は、それらのスーパータイプである型Numberのサブタイプ) となる型である場合、 Number を受け取るように記述された関数は、 IntegerまたはRationalが渡された場合でも、 Numberが渡された場合でも同様に機能します。オブジェクトの実際の型は、クライアントからブラックボックスに隠して、オブジェクトIDを介してアクセスできます。実際、Number型がabstractである場合、最も派生した型がNumberであるオブジェクトを入手することさえできない可能性があります( abstract データ型、abstract クラス を参照)。この特定の種類の型階層は、特にScheme プログラミング言語のコンテキストでは、数値タワーとして知られており、通常はさらに多くの型が含まれます。

オブジェクト指向プログラミング言語は、サブクラス化(継承とも呼ばれる)を使用してサブタイプのポリモーフィズムを提供します。一般的な実装では、各クラスには仮想テーブル(略してvtable ) と呼ばれるもの(クラス インターフェイスのポリモーフィック部分を実装する関数のテーブル) が含まれており、各オブジェクトにはそのクラスの vtable へのポインターが含まれており、ポリモーフィック メソッドが呼び出されるたびに参照されます。このメカニズムは、次の例です。

• 遅延バインディング。仮想関数呼び出しは呼び出し時までバインドされないためです。
• 単一ディスパッチ(つまり、単一引数ポリモーフィズム) では、仮想関数呼び出しは、最初の引数 (オブジェクトthis) によって提供される vtable を調べるだけでバインドされるため、他の引数のランタイム型はまったく関係ありません。

他の一般的なオブジェクト システムのほとんどでも同じことが言えます。ただし、Common Lisp Object Systemなど一部のオブジェクト システムでは多重ディスパッチが提供されており、その場合、メソッド呼び出しはすべての引数で多態的になります。

パラメトリック多態性とサブタイピングの相互作用により、分散と限定数量化の概念が生まれます。

行多態性^[8]はサブタイピングと似ていますが、異なる概念です。これは構造型を扱います。これにより、残りの型情報を失うことなく、特定のプロパティを持つすべての値を使用できます。

関連する概念として、多型性（またはデータ型の汎用性）がある。多型関数は多態的関数よりも一般的であり、そのような関数では、「特定のデータ型に対して固定されたアドホックケースを提供することはできるが、アドホックコンビネータは存在しない」^{[9] 。}

ランク多態性は、APLのような配列プログラミング言語を定義する機能の1つです。ランク多態性プログラミングモデルの本質は、すべての操作を任意の次元の配列で使用できる集約操作として暗黙的に扱うことです^。[10]つまり、ランク多態性により、任意の形状とサイズの配列で操作する関数を定義できます。

ポリモーフィズムは、実装が静的に（コンパイル時に）選択されるか、動的に（実行時に、通常は仮想関数を介して）選択されるかによって区別できます。これはそれぞれ、静的ディスパッチと動的ディスパッチと呼ばれ、対応するポリモーフィズムの形式は、静的ポリモーフィズムと動的ポリモーフィズムと呼ばれます。

静的ポリモーフィズムは動的ディスパッチのオーバーヘッドがないため実行速度が速くなりますが、追加のコンパイラ サポートが必要です。さらに、静的ポリモーフィズムでは、コンパイラ (特に最適化用)、ソース コード分析ツール、および人間の読者 (プログラマ) による静的分析が向上します。動的ポリモーフィズムは柔軟性が高いですが、速度は遅くなります。たとえば、動的ポリモーフィズムではダック タイピングが可能で、動的にリンクされたライブラリはオブジェクトの完全な型を知らなくても操作できます。

静的ポリモーフィズムは、通常、アドホック ポリモーフィズムとパラメトリック ポリモーフィズムで発生しますが、動的ポリモーフィズムはサブタイプ ポリモーフィズムでよく発生します。ただし、テンプレート メタプログラミング、つまり奇妙な繰り返しテンプレート パターンをより高度に使用することで、サブタイプ化を伴う静的ポリモーフィズムを実現できます。

ライブラリを介してポリモーフィズムが公開されると、共有オブジェクトが構築されるときにパラメータの型を知る方法がないため、動的ライブラリでは静的ポリモーフィズムが不可能になります。C++やRustなどの言語ではモノモーフィズムテンプレートが使用されますが、Swiftプログラミング言語では、これらのライブラリのアプリケーションバイナリインターフェースをデフォルトで構築するために動的ディスパッチを多用します。その結果、実行時のオーバーヘッドを犠牲にして、より多くのコードを共有してシステムサイズを削減できます。^[11]

• 型クラス
• 仮想継承

• C++ のポリモーフィズムの例
• オブジェクトとポリモーフィズム (Visual Prolog)
• MSDN のポリモーフィズム
• Oracle のポリモーフィズム Java ドキュメント