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多分派

多分派或译多重派发（multiple dispatch）或多方法（multimethod），是某些编程语言的一个特性，其中的函数或者方法，可以在运行时间（动态的）基于它的实际参数的类型，或在更一般的情况下于此之外的其他特性，来动态分派[1]。这是对单分派多态的推广， 那里的函数或方法调用，基于在其上调用方法的对象的派生类型，而动态分派。多分派使用一个或多个实际参数的组合特征，路由动态分派至实现函数或方法。

理解分派

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软件工程师通常把代码写进代码块中，代码块通常称作过程、函数、方法。代码通过被调用来执行，调用时将控制权传入函数中，当函数执行完成后将控制权返回给调用者。

函数名通常用来描述函数的目的。有时会将多个函数起同样的名称。比如同名函数在逻辑上处理相同的任务，但是操作在不同类型的输入值上。在这种情况下，无法仅仅通过函数名，来判断目标代码块。那么，函数的实际参数的个数和类型，也就被用来判断。

通常，单分派面向对象语言，在调用一个方法时，方法参数中一个参数会被特殊对待，并用来决定哪一个方法（如果有多个同名方法）会被调用。在许多语言中，这个特殊的参数是在语法上指明的，许多编程语言在调用方法时，把特殊参数放在小圆点（.）之前。例如 special.method(other, arguments, here)，这样 lion.sound() 将会发出狮吼，同时 sparrow.sound() 只会吱吱地叫。一般来说，对于面向对象的编程语言，这个小圆点之前的参数（上例中的lion和sparrow）被称为接收者[2]。

相反，在实现了多分派的语言中，被调用的函数，即是那些参数个数一样多，并且类型也匹配的调用。在调用中并没有特殊参数，来决定那个方法被调用。也就是说，所有参数的运行时类型都参与分派。CLOS是早期和著名的多分派语言。

数据类型

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对于编译时间可以区分数据类型的编程语言，在交替（英语：Alternation (formal language theory)）（alternative）函数中进行选择，可以发生在编译时间，创建交替函数用于编译时间选择的活动，通常被叫做函数重载。

在有些编程语言中，这种数据类型的识别，可以被延后至运行时间（后期绑定（英语：Late binding））。交替函数的选择发生在运行时间，并依据动态确定的函数实际参数的类型。以这种方式选择交替实现的函数，通常被称为多方法。

例子

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可以通过例子更加清晰的区分多分派和单一分派。假想一个游戏，它有两种（用户可见的）物体：飞船和小行星。当两个物体要相撞的时候，程序需要依据什么物体要相撞而做不同的事情。

具有内建多分派的语言

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Common Lisp

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在具有多分派的Common Lisp语言中，可以在Common Lisp对象系统中如下这样实现： 

(defgeneric collide (x y))
(defclass asteroid () ())
(defclass spaceship () ())
(defmethod collide-with ((x asteroid) (y asteroid))
  ;; deal with asteroid hitting asteroid
  )
(defmethod collide-with ((x asteroid) (y spaceship))
  ;; deal with asteroid hitting spaceship
  )
(defmethod collide-with ((x spaceship) (y asteroid))
  ;; deal with spaceship hitting asteroid
  )
(defmethod collide-with ((x spaceship) (y spaceship))
  ;; deal with spaceship hitting spaceship
  )

并且对其他方法也是类似的。没有使用显式测试和“动态转换”。

由于多分派的存在，方法要定义在类中并包含在对象中的传统想法，变得不再吸引人了，上述每个collide-with方法，都附属于两个不同的类而非一个类。因此方法调用的特殊语法，一般会消失，从而方法调用看起来完全就像正常的函数调用，并且方法被组织入泛化函数而非类中。

Julia

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Julia有内建的多分派，并且它是语言设计的中心[3]。Julia版本的例子如下： 

collide_with(x::Asteroid, y::Asteroid) = ... # deal with asteroid hitting asteroid
collide_with(x::Asteroid, y::Spaceship) = ... # deal with asteroid hitting spaceship
collide_with(x::Spaceship, y::Asteroid) = ... # deal with spaceship hitting asteroid
collide_with(x::Spaceship, y::Spaceship) = ... # deal with spaceship hitting spaceship

C#

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C#在版本4（2010年4月），使用关键字dynamic，介入了对动态多方法的支持[4]。下面的例子展示多方法协同于在版本8（2019年9月）中介入的switch表达式[5]。像很多其他静态类型的语言语言一样，C#还支持静态方法重载[6]，Microsoft预期开发者在多数场景下会选用静态类型超过动态类型[7]。dynamic关键字支持COM对象和动态类型的.NET语言的互操作。 

class Program
{
    static void Main()
    {
        Console.WriteLine(Collider.Collide(new Asteroid(101),  new Spaceship(300)));
        Console.WriteLine(Collider.Collide(new Asteroid(10),   new Spaceship(10)));
        Console.WriteLine(Collider.Collide(new Spaceship(101), new Spaceship(10)));
    }
}

static class Collider
{
    public static string Collide(SpaceObject x, SpaceObject y) =>
        ((x.Size > 100) && (y.Size > 100)) ?
            "Big boom!" : CollideWith(x as dynamic, y as dynamic);
    private static string CollideWith(Asteroid x, Asteroid y) => "a/a";
    private static string CollideWith(Asteroid x, Spaceship y) => "a/s";
    private static string CollideWith(Spaceship x, Asteroid y) => "s/a";
    private static string CollideWith(Spaceship x, Spaceship y) => "s/s";
}

abstract class SpaceObject
{
    public SpaceObject(int size) => Size = size;

    public int Size { get; }
}

class Asteroid : SpaceObject
{
    public Asteroid(int size) : base(size) { }
}

class Spaceship : SpaceObject
{
    public Spaceship(int size) : base(size) { }
}

输出： 

big-boom
a/s
s/s

Groovy

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Groovy是通用的Java兼容/互用的JVM语言，它对立于Java，使用后期绑定/多分派[8]。 

/*
    Groovy implementation of C# example above
    Late binding works the same when using non-static methods or compiling class/methods statically
    (@CompileStatic annotation)
*/
class Program {
    static void main(String[] args) {
        println Collider.collide(new Asteroid(101), new Spaceship(300))
        println Collider.collide(new Asteroid(10), new Spaceship(10))
        println Collider.collide(new Spaceship(101), new Spaceship(10))
    }
}

class Collider {
    static String collide(SpaceObject x, SpaceObject y) {
        (x.size > 100 && y.size > 100) ? "big-boom" : collideWith(x, y)  // Dynamic dispatch to collideWith method
    }

    private static String collideWith(Asteroid x, Asteroid y) { "a/a" }
    private static String collideWith(Asteroid x, Spaceship y) { "a/s" }
    private static String collideWith(Spaceship x, Asteroid y) { "s/a" }
    private static String collideWith(Spaceship x, Spaceship y) { "s/s"}
}

class SpaceObject {
    int size
    SpaceObject(int size) { this.size = size }
}

@InheritConstructors class Asteroid extends SpaceObject {}
@InheritConstructors class Spaceship extends SpaceObject {}

用多分派库扩展的语言

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在不于语言定义或语法层次支持多分派的语言中，可能经常使用库扩展来增加多分派。

JavaScript

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JavaScript和TypeScript不在语言语法层次上支持多方法，但可以通过库来增加多分派。例如，使用multimethod包[9]，它提供了多分派、泛化函数的实现。JavaScript的动态类型版本： 

import { multi, method } from '@arrows/multimethod'

class Asteroid {}
class Spaceship {}

const collideWith = multi(
  method([Asteroid, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting asteroid
  }),
  method([Asteroid, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting spaceship
  }),
  method([Spaceship, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting asteroid
  }),
  method([Spaceship, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting spaceship
  }),
)

TypeScript有对应的静态类型版本。[a]

Python

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可以使用库扩展来向Python增加多分派。例如，最早的模块multimethods.py[10]，它为Python提供了CLOS风格的多方法而不用变更语言的底层语法或关键字。在功能上，这非常类似于CLOS例子，但是语法是常规Python的。[b] Guido van Rossum使用Python 2.4介入的修饰器（decorator），出品了多方法的具有简化了的语法的一个简单实现，他为此定义了multimethod修饰器[11]。[c] multipledispatch[12]采用的形式与之一致。

模块multimethod[13]，采用了修饰器和Python 3.5介入的类型提示实现多方法： 

from multimethod import multimethod

class Asteroid(): pass

class Spaceship(): pass

@multimethod
def collide_with(x: Asteroid, y: Asteroid):
    '''deal with asteroid hitting asteroid'''
    print("asteroid hitting asteroid")

@multimethod
def collide_with(x: Asteroid, y: Spaceship):
    '''deal with asteroid hitting spaceship'''
    print("asteroid hitting spaceship")

@multimethod
def collide_with(x: Spaceship, y: Asteroid):
    '''deal with spaceship hitting asteroid'''
    print("spaceship hitting asteroid")

@multimethod
def collide_with(x: Spaceship, y: Spaceship):
    '''deal with spaceship hitting spaceship'''
    print("spaceship hitting spaceship")

>>> a = Asteroid()
>>> b = Spaceship()
>>> collide_with(a, b)
asteroid hitting spaceship

此外，还有PEAK-Rules包提供语法类似上述例子的多分派[14]，它后来被替代为PyProtocols[15]。Reg库也支持多分派和谓词分派[16]。

C

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C语言使用C Object System库[17]，可以支持类似于CLOS的动态分派。它是完全可扩展的并且方法不需要任何的手工处理。动态消息（方法）通过COS分派器来分派，它比Objective-C更快。下面是使用COS的例子： 

#include <stdio.h>
#include <cos/Object.h>
#include <cos/gen/object.h>

/* 类 */
defclass (Asteroid)
/* 数据成员 */
endclass

defclass (Spaceship)
/* 数据成员 */
endclass

/* 泛化函数 */
defgeneric (_Bool, collide_with, _1, _2);

/* 多方法 */
defmethod (_Bool, collide_with, Asteroid, Asteroid)
 /* deal with asteroid hitting asteroid */
endmethod

defmethod (_Bool, collide_with, Asteroid, Spaceship)
 /* deal with asteroid hitting spaceship */
endmethod

defmethod (_Bool, collide_with, Spaceship, Asteroid)
 /* deal with spaceship hitting asteroid */
endmethod

defmethod (_Bool, collide_with, Spaceship, Spaceship)
 /* deal with spaceship hitting spaceship */
endmethod

/* 用例 */
int main(int argc, char *argv[])
{
  OBJ a = gnew(Asteroid);
  OBJ s = gnew(Spaceship);

  printf("<a,a> = %d\n", collide_with(a, a));
  printf("<a,s> = %d\n", collide_with(a, s));
  printf("<s,a> = %d\n", collide_with(s, a));
  printf("<s,s> = %d\n", collide_with(s, s));

  grelease(a);
  grelease(s);
}

编程语言支持

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主范型

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支持通用的多方法

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通过扩展

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模拟多分派

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C

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C语言没有动态分派，也可以不使用C Object System库，而以某种形式手工实现。动态分派经常使用enum来标识一个对象的子类型，然后可通过在函数指针分支表（英语：branch table）中查找这个值来完成。C语言模拟多方法的简单例子： 

typedef void (*CollisionCase)(void);

void collision_AA(void) { /* handle Asteroid-Asteroid collision  */ };
void collision_AS(void) { /* handle Asteroid-Spaceship collision */ };
void collision_SA(void) { /* handle Spaceship-Asteroid collision */ };
void collision_SS(void) { /* handle Spaceship-Spaceship collision*/ };

typedef enum {
    THING_ASTEROID = 0,
    THING_SPACESHIP,
    THING_COUNT /* not a type of thing itself, instead used to find number of things */
} Thing;

CollisionCase collisionCases[THING_COUNT][THING_COUNT] = {
    {&collision_AA, &collision_AS},
    {&collision_SA, &collision_SS}
};

void collide(Thing a, Thing b) {
    (*collisionCases[a][b])();
}

int main(void) {
    collide(THING_SPACESHIP, THING_ASTEROID);
}

Java

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在只有单一分派的语言比如Java中，多分派可以用多层单一分派来模拟： 

interface Collideable {
    void collideWith(final Collideable other);

    /* These methods would need different names in a language without method overloading. */
    void collideWith(final Asteroid asteroid);
    void collideWith(final Spaceship spaceship);
}

class Asteroid implements Collideable {
    public void collideWith(final Collideable other) {
        // Call collideWith on the other object.
        other.collideWith(this);
   }

    public void collideWith(final Asteroid asteroid) {
        // Handle Asteroid-Asteroid collision.
    }

    public void collideWith(final Spaceship spaceship) {
        // Handle Asteroid-Spaceship collision.
    }
}

class Spaceship implements Collideable {
    public void collideWith(final Collideable other) {
        // Call collideWith on the other object.
        other.collideWith(this);
    }

    public void collideWith(final Asteroid asteroid) {
        // Handle Spaceship-Asteroid collision.
    }

    public void collideWith(final Spaceship spaceship) {
        // Handle Spaceship-Spaceship collision.
    }
}

运行时间instanceof检查可以在一个或两个层次上使用。

代码示例

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  1. ^ TypeScript的多方法示例： 
    import { multi, method, Multi } from '@arrows/multimethod'

class Asteroid {}
class Spaceship {}

type CollideWith = Multi & {
  (x: Asteroid, y: Asteroid): void
  (x: Asteroid, y: Spaceship): void
  (x: Spaceship, y: Asteroid): void
  (x: Spaceship, y: Spaceship): void
}

const collideWith: CollideWith = multi(
  method([Asteroid, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting asteroid
  }),
  method([Asteroid, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with asteroid hitting spaceship
  }),
  method([Spaceship, Asteroid], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting asteroid
  }),
  method([Spaceship, Spaceship], (x, y) => {
    // deal with spaceship hitting spaceship
  }),
)
  2. ^ Python的multimethods.py示例： 
    from multimethods import Dispatch
from game_objects import Asteroid, Spaceship
from game_behaviors import as_func, ss_func, sa_func
collide = Dispatch()
collide.add_rule((Asteroid, Spaceship), as_func)
collide.add_rule((Spaceship, Spaceship), ss_func)
collide.add_rule((Spaceship, Asteroid), sa_func)
def aa_func(a, b):
    """Behavior when asteroid hits asteroid."""
    # ...define new behavior...
collide.add_rule((Asteroid, Asteroid), aa_func)

    # ...later...
collide(thing1, thing2)
  3. ^ Python的van Rossum最初的多方法实现： 
    @multimethod(Asteroid, Asteroid)
def collide(a, b):
    """Behavior when asteroid hits a asteroid."""
    # ...define new behavior...
@multimethod(Asteroid, Spaceship)
def collide(a, b):
    """Behavior when asteroid hits a spaceship."""
    # ...define new behavior...
# ... define other multimethod rules ...

引用

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  1. ^ Ranka, Sanjay; Banerjee, Arunava; Biswas, Kanad Kishore; Dua, Sumeet; Mishra, Prabhat; Moona, Rajat. Contemporary Computing: Second International Conference, IC3 2010, Noida, India, August 9–11, 2010. Proceedings. Springer. 2010-07-26 [2021-03-23]. ISBN 9783642148248. （原始内容存档于2021-04-27）. 
  2. ^ Igor Wojda. Programmer dictionary: Receiver. Kt.Academy. 2018-02-08 [2020-02-27] （英语）. 
  3. ^ Bezanson, Jeff; Edelman, Alan; Karpinski, Stefan; Shah, Viral B. Julia: A fresh approach to numerical computing. SIAM Review. 7 February 2017, 59 (1): 65–98. arXiv:1411.1607  . doi:10.1137/141000671. 
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  7. ^ Dynamic .NET - Understanding the Dynamic Keyword in C# 4. [2020-05-14]. （原始内容存档于2021-05-24）. 
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  9. ^ 9.0 9.1 9.2 @arrows/multimethod （页面存档备份，存于互联网档案馆） Multiple dispatch in JavaScript/TypeScript with configurable dispatch resolution by Maciej Cąderek.
  10. ^ multimethods.py （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Multiple dispatch in Python with configurable dispatch resolution by David Mertz, et al.
  11. ^ Five-minute Multimethods in Python. [2014-07-13]. （原始内容存档于2021-05-29）. 
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  13. ^ 13.0 13.1 Coady, Aric, multimethod: Multiple argument dispatching., [2021-01-28], （原始内容存档于2020-12-31） 
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外部链接

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  • Dynamic multiple dispatch. docs.racket-lang.org. [2018-03-12]. （原始内容存档于2021-04-29）. 


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