LISP - 类

Common Lisp 中的现代面向对象编程：Common Lisp 对象系统 (CLOS)

虽然 Common Lisp 早于面向对象编程（OOP）的主流应用，但它拥有有史以来设计最强大、最灵活的对象系统之一：Common Lisp 对象系统 (CLOS)。本章将介绍如何在现代 Lisp 风格中定义类、创建对象以及使用方法。

使用 defclass 定义类

defclass 宏是 CLOS 的基石。它定义了一个新类，作为创建对象的模板。其通用语法是：

(defclass class-name (superclass-name*)
  (slot-description*)
  class-option*)

• class-name：新类的名称。
• superclass-name*：此新类将继承的父类列表。这支持多重继承。
• slot-description*：将为此类的实例存储数据的槽位（成员变量或字段）列表。

每个槽位都由名称和可选的槽位选项定义，这些选项控制其行为。最重要的选项包括：

• :accessor function-name：创建一个既能读取又能写入槽位值的函数。
• :reader function-name：创建一个只能读取槽位值的函数。
• :writer function-name：创建一个只能写入槽位值的函数。
• :initarg :keyword-name：指定一个关键字，可与 make-instance 一起使用来初始化槽位值。
• :initform expression：如果槽位未通过其他方式初始化，则为其提供默认值。

让我们定义一个 Box 类，包含长度、宽度和高度，并使用现代最佳实践进行访问和初始化。

;; 一个定义良好的 Box 类，包含访问器、初始参数和默认值。
(defclass box ()
  ((length :accessor box-length
           :initarg :length
           :initform 1)
   (breadth :accessor box-breadth
            :initarg :breadth
            :initform 1)
   (height :accessor box-height
           :initarg :height
           :initform 1)))

创建类的实例

通用函数 make-instance 用于创建并返回一个类的新对象（即实例）。最佳实践是使用 defclass 中定义的 :initarg 关键字来提供初始值。

(make-instance class-name &key initarg1 value1 initarg2 value2 ...)

示例：创建和检查一个 Box

此示例演示了如何创建 box 实例并使用其访问器函数与其槽位进行交互。将此代码保存为 main.lisp。

main.lisp 文件

;; 定义 Box 类（如上所示）
(defclass box ()
  ((length :accessor box-length
           :initarg :length
           :initform 1)
   (breadth :accessor box-breadth
            :initarg :breadth
            :initform 1)
   (height :accessor box-height
           :initarg :height
           :initform 1)))

;; 使用 initargs 创建 'box' 类的一个实例。
;; 这是现代推荐的方式。
(defparameter *my-box* (make-instance 'box :length 10 :breadth 20 :height 5))

;; 使用访问器函数访问并打印槽位值。
(format t "Length of the Box is ~d~%" (box-length *my-box*))
(format t "Breadth of the Box is ~d~%" (box-breadth *my-box*))
(format t "Height of the Box is ~d~%" (box-height *my-box*))

;; 我们也可以使用 `setf` 和访问器来修改槽位的值。
(setf (box-height *my-box*) 7)
(format t "New height of the Box is ~d~%" (box-height *my-box*))

输出

Length of the Box is 10
Breadth of the Box is 20
Height of the Box is 5
New height of the Box is 7

定义通用函数和方法

在 CLOS 中，行为通过**通用函数（generic functions）和方法（methods）**定义。通用函数定义名称和参数签名，而方法则提供实际的实现，专门针对不同类的参数。defmethod 宏用于定义方法。

让我们添加一个 volume 方法。与其添加一个 volume 槽位（如果尺寸改变会过时），我们不如按需计算它。这是一种更健壮的设计。

main.lisp 文件（更新后）

;; Box 类（无需改动）
(defclass box ()
  ((length  :accessor box-length  :initarg :length  :initform 1)
   (breadth :accessor box-breadth :initarg :breadth :initform 1)
   (height  :accessor box-height  :initarg :height  :initform 1)))

;; 定义一个专门用于 `box` 类对象的 `volume` 方法。
(defmethod volume ((b box))
  "计算盒子体积。"
  ;; `with-slots` 提供了一种通过名称访问槽位的简洁方式，
  ;; 无需重复调用访问器函数。
  (with-slots (length breadth height) b
    (* length breadth height)))

;; 创建一个实例
(defparameter *my-box* (make-instance 'box :length 10 :breadth 10 :height 5))

;; 显示尺寸和计算出的体积
(format t "Length of the Box is ~d~%" (box-length *my-box*))
(format t "Breadth of the Box is ~d~%" (box-breadth *my-box*))
(format t "Height of the Box is ~d~%" (box-height *my-box*))
(format t "Volume of the Box is ~d~%" (volume *my-box*))

输出

Length of the Box is 10
Breadth of the Box is 10
Height of the Box is 5
Volume of the Box is 500

继承

继承允许一个新类（子类）基于一个现有类（父类），并继承其槽位和方法。子类可以添加新的槽位和方法，或者特化现有的槽位和方法。

示例：一个 Weighted-Box

让我们创建一个 weighted-box，它继承自 box 并添加一个 weight 槽位和一个 density 方法。

main.lisp 文件（更新，包含继承）

;; 基类
(defclass box ()
  ((length  :accessor box-length  :initarg :length  :initform 1)
   (breadth :accessor box-breadth :initarg :breadth :initform 1)
   (height  :accessor box-height  :initarg :height  :initform 1)))

(defmethod volume ((b box))
  (with-slots (length breadth height) b
    (* length breadth height)))

;; 派生类 'weighted-box' 继承自 'box'
(defclass weighted-box (box)
  ((weight :accessor box-weight
           :initarg :weight
           :initform 0)))

;; 专门用于 'weighted-box' 的新方法
(defmethod density ((wb weighted-box))
  "计算一个加权盒子的密度。"
  (when (plusp (volume wb))
    (/ (box-weight wb) (volume wb))))

;; 创建派生类的一个实例
(defparameter *my-weighted-box*
  (make-instance 'weighted-box :length 10 :breadth 10 :height 5 :weight 2500))

;; 显示值
(format t "Length of the Weighted Box is ~d~%" (box-length *my-weighted-box*))
(format t "Volume of the Weighted Box is ~d~%" (volume *my-weighted-box*)) ;; 继承的方法
(format t "Weight of the Weighted Box is ~d~%" (box-weight *my-weighted-box*))
(format t "Density of the Weighted Box is ~f~%" (density *my-weighted-box*))

输出

Length of the Weighted Box is 10
Volume of the Weighted Box is 500
Weight of the Weighted Box is 2500
Density of the Weighted Box is 5.0