Common Lisp对象系统

Common Lisp对象系统

编程范型	面向对象
實作者	ANSI X3J13委员会
发行时间	1988年​（1988）
實作語言	Common Lisp
操作系统	跨平台
網站	Common Lisp HyperSpec, Chapter 7: Objects
啟發語言
MIT Flavors, Xerox CommonLoops
影響語言
Dylan, Tiny CLOS, COOPS, STklos, Gauche

Common Lisp对象系统（CLOS）是一种面向对象编程设施，它是ANSI Common Lisp的一部份。CLOS是强力的动态对象系统，在根本上不同于静态语言，比如C++或Java中的那种OOP设施。CLOS受到更早期的Lisp对象系统，比如MIT Flavors和Xerox CommonLoops的启发，然而它比二者要更加泛化。

历史

CLOS最初被提议作为一种附加件，首次出现在1988年发表的《Common Lisp面向对象编程》，和1990年出版的《Common Lisp语言》第二版（也叫做CLtL2）中。在1994年，CLOS被接受为ANSI标准Common Lisp的一部份，并且已经被适配入其他Lisp方言比如EuLisp和Emacs Lisp之中。

特征

CLOS的基本建造块是类、方法、泛化函数和类的实例。CLOS提供了定义它们的宏：defclass、defmethod和defgeneric。实例通过方法make-instance来创建。CLOS不是基于原型语言，类必须声明于对象可以实例化为这个类的成员之前。

类

类是槽的一个列表，它可以有多个超类，和一个特定的元类。槽（C++/Java用语中的成员变量），可以由类（一个类的所有实例共享这个槽）或实例来分配。每个槽都有一个名字，而一个槽的值可以使用函数slot-value，通过这个名字来访问。可以定义额外的特定泛化函数，来写或读这些槽的值。在CLOS类中的每个槽，都必须有一个唯一的名字。

如同多数动态语言中的OO系统那样，CLOS不强制封装。任何槽都可以使用slot-value函数，或通过（可选的自动生成的）访问子方法来访问。要通过slot-value进行访问，就要知道这个槽的名字。CL编程者使用这个语言的包设施，来声明哪些函数或数据结构意图被导出。

CLOS允许多重继承。在多重继承中方法执行的缺省次序不正确的时候，编程者可以通过指定方法组合的次序，来解决这种菱形继承问题（类D同时继承一个超类A的两个子类B和C，四者形成菱形，如果A的某一方法被B和C覆写，D该继承二者中哪一个？）。在CLOS中已经解决了圆–椭圆问题（圆是椭圆的长轴与短轴相等的特殊情况，故而是其子类，但圆不能继承椭圆的使得其不再为圆的方法，比如单独改变长轴或短轴）。而多数OOP设计模式，要么消失，要么在性质上更加简单了。

CLOS是动态的，意味着不只是内容，它的对象的“结构”，也可以在运行时间修改。CLOS支持现场（on-the-fly）变更类定义，即使正在考虑的这个类的实例已经存在；还有通过change-class算子，变更一个给定实例的类成员关系。CLOS还允许在运行时间增加、重新定义和移除方法。

多分派

CLOS是一个多分派系统，这意味着方法，可以依据它们所要求的任何或所有实际参数来指定。多数OO语言是单分派的，意味着方法只能依据第一个实际参数来指定。其他不常见特征是方法不“属于”类；类不为泛化函数或方法提供命名空间。方法是独立于类而定义的，并且它们对类的槽没有特殊的访问（比如this、self或protected）。

在CLOS中的方法被组织入泛化函数。泛化函数是像函数一样可调用的一个对象，它关联着有共享的名字和参数结构的方法的一个搜集，其中每个都特定于不同的实际参数。因为Common Lisp为结构和内建数据类型（数值、字符串、字符、符号等）提供了非CLOS类，CLOS分派也工作在这些非CLOS类之上。CLOS还支持分派在个体对象之上（eql特殊化者）。CLOS缺省的不支持分派于所有Common Lisp数据类型上，比如分派不工作于完全特殊化的数组类型，或通过deftype介入的类型。然而多数Common Lisp实现，提供了元对象协议，它允许泛化函数提供特定于应用的特殊化和分派规则。例如采用SBCL演示的下述代码：

; 声明共同的实际参数结构原型
* (defgeneric f (x y))
#<STANDARD-GENERIC-FUNCTION COMMON-LISP-USER::F (0)>

; 定义对(f integer t)的实现，这里的t匹配所有类型
* (defmethod f ((x integer) y) 1)
#<STANDARD-METHOD COMMON-LISP-USER::F (INTEGER T) {10018B1F03}>

* (f 1 2.0)
1

; 定义对(f integer real)的实现
* (defmethod f ((x integer) (y real)) 2)
#<STANDARD-METHOD COMMON-LISP-USER::F (INTEGER REAL) {1001A0BB83}>

* (f 1 2.0) ; 分派发生在运行时间
2

方法组合

在ANSI common lisp中的标准方法组合，这里色泽最浅的是类A，类B是类A的子类，色泽最深的类C是类B的子类。合成有效方法的各个方法的执行次序是：
①类A的:around方法、类B的:around方法、类C的:around方法，
②类A的:before方法、类B的:before方法、类C的:before方法，
③类A的主要方法、类B的主要方法、类C的主要方法，
④类C的:after方法、类B的:after方法、类A的:after方法。

在CLOS中的分派还不同于多数OO语言：

1. 给出一个实际参数列表，确定一个可应用的方法的列表。
2. 这个列表依据它们的形式参数的特殊化者（specializer）的特殊性（specificity）来排序。
3. 接着使用泛化函数所用的那个方法组合，将从这个列表选择出的那些方法组合成一个有效方法。
4. 接着用最初的实际参数调用这个有效方法。

这个分派机制工作在运行时间。增加或移除方法，将导致在运行时间变更有效方法（即使在以相同实际参数调用泛化函数的时候）。变更方法组合还导致不同的有效方法。

除了常规（“主要”）方法之外，还有:before、:after和:around这些“辅助”方法。前两个方法按照基于类层级的特定次序，分别先于或后于主要方法而调用。:around方法可能控制主要方法是否执行。此外，编程者可以指定沿着类层级的所有可能的主要方法，是都应当被调用，还是只调用提供最接近匹配的那个方法。

“标准方法组合”提供上述的主要、之前、之后和围绕方法。还有具有其他方法类型的其他方法组合。可以定义新的（简单和复杂二者）方法组合和方法类型。

元对象协议

在ANSI Common Lisp标准之外，有一个广泛实现的对CLOS的扩展，叫做元对象协议（MOP）。MOP定义到CLOS实现基础支撑的标准接口，将类、槽描述、泛化函数和方法自身，当作元类的实例，并允许定义新的元类，和修改所有CLOS行为。CLOS MOP的灵活性，预示了面向方面编程，它是由同一群工程师比如Gregor Kiczales开发的。MOP通过一组协议，定义了整个对象系统的行为。这些定义是依据CLOS定义的。因此有可能通过扩展或变更已提供的CLOS系统的功能，来建立新的对象系统。1991年出版的图书《元对象协议的艺术》描述了CLOS MOP的使用和实现。

各种Common Lisp实现对元对象协议有稍微不同的支持。Closer计划致力于提供缺失的特征。

来自更早的基于Lisp的对象系统的影响

Flavor（和它的后继者New Flavors），是MIT Lisp机器上的对象系统。Lisp机器操作系统的很大部份和它的很多应用，使用了Flavors或New Flavors。Flavors介入了多重继承和mixin和其他一些特征。Flavors几乎废止了，尽管存在针对Common Lisp实现。Flavors使用消息传递范型。New Flavors介入了泛化函数。

CommonLoops，是Xerox Interlisp-D的LOOPS的后继者。CommonLoops是针对Common Lisp的实现。叫做可移植CommonLoops（PCL）的可移植实现，是第一个CLOS实现。PCL被广泛的移植了，并仍为很多Common Lisp实现提供CLOS实现的基础。PCL绝大部份以可移植的Common Lisp实现，而只有很少的系统依赖部份。

其他语言中的CLOS

由于CLOS的能力和表达力，还有历史上能获得到TinyCLOS，它是Gregor Kiczales为用于Scheme而书写的简化的可移植的CLOS实现，故而类CLOS的基于MOP的对象系统，成为大多数Lisp方言实现的事实规范，还能在一些其他语言的OOP设施中找到它：

• COS，C对象系统。
• Dylan
• Dynace，（很大程度上）CLOS的C实现。
• EIEIO，用于Emacs Lisp。
• ILOS，用在ISLISP中。
• PyCLOS，为Python 3实现了CLOS风格的泛化函数。
• 具有CLOS的Scheme实现：
  • Chicken Scheme使用COOPS。
  • Gauche。
  • GNU Guile使用GOOPS。
  • MIT Scheme使用SOS。
  • Sagittarius。
  • STklos。
• Meroon，用Scheme编写的对象系统。
• R7RS CLOS，基于Tiny CLOS的具有语法糖的R⁷RS Scheme库。
• Swindle，用在Racket中。
• Tiny CLOS，Gregor Kiczales开发。

延伸阅读

• Jim Veitch. A History and Description of CLOS. Peter H. Salus (编). Handbook of Programming Languages, Volume IV: Functional and Logic Programming Languages. Macmillan Technical Publishing. 1998 (1st edition): 107–158. ISBN 1-57870-011-6. 

参考文献

• Sonya Keene. Object-Oriented Programming in Common Lisp: A Programmer's Guide to CLOS (PDF). Addison-Wesley. 1988 [2022-02-05]. ISBN 0-201-17589-4. （原始内容 (PDF)存档于2022-05-06）. 
• Gregor Kiczales, Jim des Rivieres, Daniel G. Bobrow. The Art of the Metaobject Protocol (PDF). MIT Press. 1991 [2022-02-05]. ISBN 0-262-61074-4. （原始内容 (PDF)存档于2022-02-05）. 
• Jo A. Lawless and Molly M. Miller, Understanding CLOS: the Common Lisp Object System, 1991, Digital Press, ISBN 1-55558-064-5
• Andreas Paepcke. Object-Oriented Programming: the CLOS Perspective. The MIT Press. 1993 [2022-02-05]. ISBN 0-262-16136-2. （原始内容存档于2022-02-05）. 
• The Common Lisp Object System: An Overview （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Richard P. Gabriel and Linda DeMichiel provides a good introduction to the motivation for defining classes by means of generic functions.
• Fundamentals of CLOS （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Nick Levine provides a step-by-step exposure to the implementation of OO concepts in CLOS, and how to utilize them. It is intended for anybody with a basic knowledge of Lisp or Scheme.
• Common Lisp HyperSpec, Chapter 7: Objects （页面存档备份，存于互联网档案馆）