MATLAB - 函数重载

MATLAB - 函数重载与方法重写

在 MATLAB 中，处理同名函数主要有两种方式：通过改变输入参数数量来实现函数重载（function overloading），以及在面向对象编程中实现方法重写（method overriding）。这使您能够创建灵活直观的接口，其中单个函数名可以根据其被调用的上下文调整其行为。

为何使用重载与重写？

这些技术是编写整洁、可复用且专业的 MATLAB 代码的基础。它们使您能够：

• 创建灵活的函数：设计一个能够根据输入数量或类型执行不同操作的单一函数，从而减少创建许多类似命名函数（例如，addTwoNumbers、addThreeNumbers）的必要。
• 为自定义类定制行为：使您的自定义类对象表现得像 MATLAB 的内置类型一样。例如，您可以定义 plot 或 disp 函数应如何专门为您的对象工作。
• 扩展现有功能：在面向对象编程中，子类可以提供其从父类继承的方法的专门版本（重写），从而在不改变父类的情况下定制其行为。

实现重载与重写

MATLAB 的方法取决于您是在编写过程式脚本还是在定义类。

1. 使用可变参数 (nargin) 进行重载

对于标准函数（不在类中），您可以通过使用 nargin 关键字检查用户提供的输入参数数量来模拟重载。这允许单个函数展现不同的行为。

2. 面向对象编程 (OOP) 中的方法重写

在 OOP 中，当您创建一个类时，您可以定义与现有 MATLAB 函数（例如 plot、disp）或超类中的方法同名的方法。当您使用您的类对象调用该函数时，MATLAB 的调度机制会调用您类特有的方法。这被称为重写（overriding）。

• 主导参数规则（Dominant Argument Rule）：当函数使用不同类的参数调用时，MATLAB 根据类层次结构确定要调用的方法。用户定义的类优先于内置类型。
• 实现：要重写一个函数，只需在您的 classdef 文件中定义一个同名方法。此方法必须接受您的类对象作为参数。

代码示例

示例 1：按输入数量的函数重载

与其创建多个 add 方法，不如使用 nargin 或 varargin 在单个方法中处理可变数量的输入，这是一种更现代、更健壮的方法。下面是一个计算矩形或正方形面积的函数。

function area = calculateArea(width, height)
    % Calculates the area of a shape.
    % If one input is provided, it's treated as a square.
    % If two inputs are provided, it's treated as a rectangle.

    % 计算形状的面积。
    % 如果提供一个输入，则将其视为正方形。
    % 如果提供两个输入，则将其视为矩形。

    narginchk(1, 2); % Ensure 1 or 2 inputs are given
    % 确保给定 1 或 2 个输入

    if nargin == 1
        % Square: area = side^2
        % 正方形：面积 = 边长^2
        area = width^2;
        fprintf('Calculating area of a square with side %.2f\n', width);
    else
        % Rectangle: area = width * height
        % 矩形：面积 = 宽 * 高
        area = width * height;
        fprintf('Calculating area of a rectangle with width %.2f and height %.2f\n', width, height);
    end
end

% --- How to use it ---
% --- 如何使用 ---
area1 = calculateArea(5);      % Called with one argument
% 使用一个参数调用
disp(['Area 1: ', num2str(area1)]);

area2 = calculateArea(5, 10);  % Called with two arguments
% 使用两个参数调用
disp(['Area 2: ', num2str(area2)]);

当您运行此代码时，MATLAB 的 nargin 检查会将流程导向正确的计算，从而有效地重载了 calculateArea 函数的行为。

示例 2：为自定义类重写 disp 函数

让我们创建一个 Patient 类并重写内置的 disp 函数，以便在 Patient 对象打印到控制台时提供自定义的、信息更丰富的显示。

classdef Patient
    properties
        Name string
        ID   double
        Data double
    end

    methods
        function obj = Patient(name, id, data)
            if nargin > 0
                obj.Name = name;
                obj.ID = id;
                obj.Data = data;
            end
        end

        % Override the built-in disp() function
        % 重写内置的 disp() 函数
        function disp(obj)
            fprintf('--- Patient Record ---\n');
            fprintf('  Name: %s\n', obj.Name);
            fprintf('  ID:   %d\n', obj.ID);
            fprintf('  Data Points: %d\n', numel(obj.Data));
            fprintf('  Mean Value:  %.2f\n', mean(obj.Data));
            fprintf('----------------------\n');
        end
    end
end

% --- How to use it ---
% --- 如何使用 ---
% Create an instance of the Patient class
% 创建 Patient 类的实例
p = Patient("John Doe", 123, [98.6, 99.1, 98.4, 98.7]);

% Now, just typing the variable name in the command window will call our custom disp method
% 现在，只需在命令窗口中输入变量名就会调用我们自定义的 disp 方法
disp(p);

如果没有重写 disp 方法，MATLAB 将显示一个通用的对象属性列表。有了它，我们就能得到一个为我们的类量身定制的整洁、格式化的摘要。

示例 3：继承中的方法重写

方法重写是继承的核心。子类可以提供其超类中方法的自己的版本。在这里，Circle 和 Rectangle 都继承自 Shape，但它们都提供了自己特定的 calculateArea 方法。

% --- Base Class: Shape.m ---
% --- 基类：Shape.m ---
classdef Shape
    methods
        function a = calculateArea(obj)
            disp('Area calculation not defined for a generic shape.');
            % 泛型形状未定义面积计算。
            a = NaN; % Not a Number
            % 非数字
        end
    end
end

% --- Subclass: Circle.m ---
% --- 子类：Circle.m ---
classdef Circle < Shape
    properties
        Radius
    end
    methods
        function obj = Circle(r)
            obj.Radius = r;
        end
        % Override calculateArea for Circle
        % 为 Circle 重写 calculateArea
        function a = calculateArea(obj)
            a = pi * obj.Radius^2;
        end
    end
end

% --- Subclass: Rectangle.m ---
% --- 子类：Rectangle.m ---
classdef Rectangle < Shape
    properties
        Width
        Height
    end
    methods
        function obj = Rectangle(w, h)
            obj.Width = w;
            obj.Height = h;
        end
        % Override calculateArea for Rectangle
        % 为 Rectangle 重写 calculateArea
        function a = calculateArea(obj)
            a = obj.Width * obj.Height;
        end
    end
end

% --- How to use it ---
% --- 如何使用 ---
shape = Shape();
circle = Circle(10);
rectangle = Rectangle(5, 8);

area1 = shape.calculateArea();     % Calls Shape's method
% 调用 Shape 的方法
area2 = circle.calculateArea();    % Calls Circle's method
% 调用 Circle 的方法
area3 = rectangle.calculateArea(); % Calls Rectangle's method
% 调用 Rectangle 的方法

fprintf('Generic Shape Area: %.2f\n', area1);
disp(['Circle Area: ', num2str(area2)]);
disp(['Rectangle Area: ', num2str(area3)]);