Полиморфизм

Слово полиморфизм происходит от греческого πολύμορφος — «многообразный, имеющий множество форм». В программировании это означает способность одной и той же команды, функции или метода вести себя по-разному в зависимости от типа данных, с которыми он работает.

Пример на Python:

class Dog:
    def make_sound(self):
        return "Woof!"


class Cat:
    def make_sound(self):
        return "Meow!"


def animal_sound(animal):
    print(animal.make_sound())


animal_sound(Dog())
animal_sound(Cat())

Функция animal_sound() не знает, кто перед ней — Dog или Cat, но работает одинаково с обоими. Это и есть полиморфизм.

Принципы ООП

Полиморфизм — один из четырех базовых принципов объектно-ориентированного программирования (ООП) наряду с:

1. Инкапсуляцией — сокрытием деталей реализации.

2. Наследованием — механизмом повторного использования кода.

3. Абстракцией — выделением значимых свойств объекта.

Эти принципы связаны логически. Наследование создает иерархию классов, инкапсуляция прячет детали, абстракция задает общие контракты, а полиморфизм позволяет взаимодействовать с объектами по этому контракту, не заботясь об их типе.

Принцип подстановки Лисков (LSP)

Полиморфизм подтипов невозможен без соблюдения принципа подстановки Лисков (Liskov Substitution Principle). Барбара Лисков сформулировала его в 1987 году так:

Если S — подтип T, то объекты типа T в программе можно заменить объектами типа S без нарушения корректности.

Иными словами, дочерний класс должен сохранять поведение базового, а не ломать ожидания клиента.

Пример нарушения LSP:

class Rectangle:
    def set_width(self, w): self.w = w

    def set_height(self, h): self.h = h

    def area(self): return self.w * self.h

class Square(Rectangle):
    def set_width(self, w):
        self.w = self.h = w


    def set_height(self, h):
        self.w = self.h = h

Square нарушает ожидания клиента, потому что меняет семантику методов базового класса. Формально тип совместим, но поведение — нет. Это антипример корректного полиморфизма.

Виды полиморфизма

Полиморфизм бывает разных видов. Классификация зависит от момента связывания (compile-time / run-time) и способа выражения.

Полиморфизм подтипов

Самый классический вид, реализуемый через наследование и интерфейсы.

interface Drawable {
    void draw();
}

class Circle implements Drawable {
    public void draw() { System.out.println("Draw circle"); }
}

class Square implements Drawable {
    public void draw() { System.out.println("Draw square"); }
}

void render(Drawable d) { d.draw(); }

Метод render() работает с любым объектом, реализующим интерфейс Drawable. Такой подход облегчает расширение API — можно добавить Triangle, не изменяя render().

Параметрический полиморфизм

Характерен для обобщённого программирования — Generics в Java, C# или Templates в C++.
Функция становится универсальной для разных типов.

template<typename T>

T sum(T a, T b) {
    return a + b;
}

cout << sum(2, 3);      // int
cout << sum(2.5, 3.7);  // double

Код компилируется отдельно для каждого конкретного типа — так работает compile-time полиморфизм.

Ad hoc-полиморфизм

Это перегрузка функций и операторов, когда несколько реализаций имеют одно имя, но разные сигнатуры.

int Sum(int a, int b) => a + b;

double Sum(double a, double b) => a + b;

string Sum(string a, string b) => a + b;

Такой полиморфизм тоже «многоформен», но решается на этапе компиляции.

Статический и динамический полиморфизм

Статический (compile-time) реализуется с помощью перегрузки функций, операторов и шаблонов. Все решения принимаются на этапе компиляции, что делает код быстрым, но менее гибким.

Динамический (run-time) работает через виртуальные функции и vtable. Он позволяет выбирать нужную реализацию во время выполнения программы.

Пример на C++

class Shape {

public:
    virtual void draw() { cout << "Shape"; }
};

class Circle : public Shape {

public:
    void draw() override { cout << "Circle"; }
};

Shape* s = new Circle();

s->draw(); // вызовется реализация Circle, а не Shape

Здесь используется динамическая диспетчеризация через таблицу виртуальных функций (vtable).

Цена вызова: динамический полиморфизм чуть медленнее (1–2 % накладных расходов), но современные компиляторы часто инлайнят виртуальные вызовы при предсказуемом типе.

Полиморфизм в популярных языках программирования

C++

• virtual, override — основа динамического полиморфизма.

• templates — параметрический вариант.

• CRTP (Curiously Recurring Template Pattern) — шаблон, позволяющий имитировать виртуальные вызовы на этапе компиляции.

Java

• Поддерживает динамический полиморфизм через abstract и interface.

• Перегрузка (overloading) работает статически.

• Generics реализованы через type erasure — типы стираются при компиляции, оставляя единый байт-код.

C#

• Generics более мощные: типовая информация сохраняется во время выполнения (reified generics).

• virtual, override обеспечивают полиморфизм подтипов.

• dynamic — отдельный механизм позднего связывания.

Python и JavaScript

• Основываются на duck typing — «если объект крякает как утка, значит, он утка».

• Нет формальных интерфейсов (в Python — появились abc и typing.Protocol).

• Механизм гибкий, но ошибки проявляются только в рантайме.

C

• В классическом C нет ООП, но полиморфизм можно реализовать вручную:

typedef struct {
    void (*draw)(void*);
} Drawable;

typedef struct {
    Drawable base;
} Circle;

void draw_circle(void* self) { printf("Circlen"); }

int main() {
    Circle c = { .base = { .draw = draw_circle } };
    c.base.draw(&c);
}

Структура с указателем на функцию — ручная версия виртуального метода.

Практическая реализация

Overriding vs Overloading vs Operator Overloading

Типичная ошибка — путать overriding и overloading, ожидая полиморфизма, где его нет.

Интерфейсы против абстрактных классов

• Интерфейс определяет контракт (только сигнатуры методов).

• Абстрактный класс может содержать реализацию.

• Если нужно описать, что делает объект — используйте интерфейс, если как делает — абстрактный класс.

Композиция против наследования

«Предпочитай композицию наследованию» (GoF)

Композиция позволяет гибко собирать объекты, избегая жестких иерархий. Например, класс Car может содержать Engine, а не наследоваться от него.

Расширяемость API: фабрики, стратегии, плагины

Полиморфизм лежит в основе паттернов:

• Фабричный метод — создает экземпляры разных подклассов по единому интерфейсу.

• Стратегия — позволяет подменять алгоритм на лету.

• Плагин-архитектура — динамическое подключение модулей.

Преимущества и ограничения

Плюсы:

• Унификация интерфейсов, читаемость кода.

• Возможность расширять функциональность без изменения существующего кода (Open-Closed Principle).

• Повторное использование, модульность.

Минусы:

• Усложнение архитектуры при чрезмерных иерархиях.

• Потери производительности (незначительные, но есть).

• Затрудненная отладка в глубоко наследуемых структурах.

Практический совет: начинайте с композиции и интерфейсов, добавляйте наследование только при явной необходимости.

Частые ошибки, анти-паттерны

• Глубокие иерархии — трудно сопровождать.

• Нарушение LSP — подтип ломает ожидания клиента.

• Смешение overloading и overriding — методы не переопределяются, а перегружаются по ошибке.

• Преждевременная абстракция — добавление интерфейсов «на будущее».

Лучше немного дублировать код, чем создавать абстракцию, которую никто не использует.

FAQ

Что такое полиморфизм в программировании простыми словами? Это способность функции или метода вести себя по-разному в зависимости от типа объекта, с которым он работает.

Чем отличается статический полиморфизм от динамического? Статический определяется во время компиляции (overload, templates), а динамический — во время выполнения (virtual methods, duck typing).

Что такое принцип подстановки Лисков? Это правило, требующее, чтобы объект подкласса можно было использовать вместо базового без изменения поведения программы.

Можно ли реализовать полиморфизм в C? Да, вручную через структуры с указателями на функции — аналог виртуальных методов.

Глоссарий

• Подтип — тип, совместимый с базовым, удовлетворяющий LSP.

• Интерфейс — набор сигнатур методов без реализации.

• Абстракция — выделение существенных свойств.

• Перегрузка (overloading) — одинаковое имя, разные параметры.

• Переопределение (overriding) — новая реализация метода базового класса.

• Vtable — таблица виртуальных функций, используемая для диспетчеризации вызовов.

• Диспетчеризация — выбор нужной реализации метода.

• Generics/Templates — механизм параметрического полиморфизма.

• Duck typing — поведение определяется набором методов, а не типом.

Ссылки и источники

• Barbara Liskov, "Data Abstraction and Hierarchy" (1987)

• Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software — GoF

• Effective Java — Joshua Bloch

• C++ Templates: The Complete Guide — David Vandevoorde

• cppreference.com — документация по C++

• docs.oracle.com/javase/tutorial/java/IandI/polymorphism.html

• python.org/docs

• Microsoft Learn — Polymorphism in C#