MATLAB 中类定义中的函数重载

2025 年 7 月 26 日 | 7 分钟阅读

引言

MATLAB 支持函数重载，允许创建多个同名但参数列表不同的函数，即函数可以根据传入参数的数量和类型以不同的方式进行计算。这是通过一种称为多态性的机制实现的，多态性是面向对象软件技术（OOST）的一项重要特性。MATLAB 中之所以可以进行重载，是因为与输入参数类别相关联的不同方法实现会根据接收到的数据精确定义函数的行为。

例如，上述类定义中名为 computeArea 的方法可以通过检查传递给该方法的输入参数的类型和数量来重载，以计算圆形、矩形或三角形的面积。

类定义中重载函数的重要性

针对不同数据类型的自定义行为： 智能方法可以在同一类中以个性化的方式响应，使每个类都能在其领域内以最高效率运行。
增强可读性： 这样，用户就可以调用相同的函数名称，而不必关心其他具体信息，从而提高了代码的可读性和易用性。
便于代码重用： 通过重载，可以通过提供单个函数名称来最小化计算的出现次数，而不同的实现方法则处理其他任务。
封装类逻辑： 它们以有条理的方式隐藏了各种活动，用户可以通过它们以统一的方式与类接口进行交互。

重载对面向对象编程的好处

促进多态性： 重载有利于多态性，这是OOP 的原则之一，允许多个函数完全处理不同的对象。例如，调用 plotData 函数可以以相同的方式绘制时间序列数据、统计数据或图像数据。
提高代码模块化： 使用重载函数的另一个有力论据是能够分离相关行为，从而可以维护和扩展代码。例如，在 Shape 类层次结构中，可以为 Circle、Rectangle 或 Polygon 等子类重载单个描述方法。
简化用户与类的交互： 重载有助于隐藏类内部的所有复杂性，并允许用户与单个接口进行交互。在使用任何函数时，用户无需知道其工作原理以及需要什么才能产生结果，这增强了易用性。
支持高级数学和逻辑运算： MATLAB 重载类中运算符（+、-、*）的能力非常强大，使得对对象的运算尽可能地接近标量运算。
鼓励灵活性和可扩展性： 通过保持主代码简洁并对其进行重载，可以提供行为灵活性，从而使添加新功能或类型变得自然且可行。

MATLAB 中函数重载的关键概念

方法重载与运算符重载

方法重载： 方法重载体现了类中存在多个方法，但它们的区别在于参数的数量或函数的功能。
示例： 在一个名为几何形状的类中，名为 calculateArea 的方法可以被重载，以便在类参数给定为某种形式时计算圆的面积，或者在给定其他参数时计算矩形的面积。

classdef Shape
    methods
        function area = calculateArea(obj, radius)
            area = pi * radius^2; % Circle
        end
        function area = calculateArea(obj, length, width)
            area = length * width; % Rectangle
        end
    end
end

运算符重载： 运算符重载是指定义普通运算符（如 +、-、*、/）如何用于用户定义的类对象。定义运算符后，就可以提供适合类目的的有意义的操作。
示例： 在向量类中，您可以定义一个 + 运算符来执行向量加法。

classdef Vector
    properties
        Data
    end
    methods
        function obj = Vector(data)
            obj.Data = data;
        end
        function result = plus(obj1, obj2)
            result = Vector(obj1.Data + obj2.Data);
        end
    end
end

多态性在重载中的作用

多态性意味着函数或运算符能够处理不同形式的数据或对象。在 MATLAB 中，函数重载体现了多态性概念，一个名称可以指向多个实现。

编译时多态性： 在调用被调用的函数时，MATLAB 会在运行时根据参数的类别和类型确定执行哪个函数实现版本。
动态方法调度： MATLAB 具有智能的方式来识别要调用的正确方法，具体取决于对象的类别或其多个子类别。
示例： 在模拟包含汽车、自行车和飞机的居住环境的上下文中，move 方法可以为所有主题重载。

classdef Vehicle
    methods
        function move(obj)
            disp('The vehicle is moving.');
        end
    end
end

classdef Car < Vehicle
    methods
        function move(obj)
            disp('The car is driving on the road.');
        end
    end
end

classdef Plane < Vehicle
    methods
        function move(obj)
            disp('The plane is flying in the sky.');
        end
    end
end

内置函数重载与自定义函数重载之间的区别

内置函数重载： MATLAB 还允许重载 MATLAB 的基本数据类型（包括矩阵和单元格数组）的函数和运算符。这些重载行为是编码的且不变的，用户无法更改。
示例： + 运算符在用于数值数组和字符串数组时具有两个不同的功能。
自定义函数重载： 这就是为什么自定义重载允许您为类对象编码机制，因为您可以在类中实现特定的方法。结果是用户定义类型的运算符和方法的功能可以根据需要进行修改。
示例： 在 Polynomial 类中，您可以重载 * 运算符来执行多项式乘法。

classdef Polynomial
    properties
        Coefficients
    end
    methods
        function obj = Polynomial(coeff)
            obj.Coefficients = coeff;
        end
        function result = mtimes(obj1, obj2)
            coeff = conv(obj1.Coefficients, obj2.Coefficients);
            result = Polynomial(coeff);
        end
    end
end

关键区别

方面	内置重载	自定义重载
范围	仅限于 MATLAB 定义的函数	由用户为自定义类定义
灵活性	用户无法更改	可完全自定义以满足特定类别的需求
示例	用于矩阵的 +，用于对象的 disp	重载 +，disp，或自定义方法

MATLAB 中重载函数的语法和结构

通过在 MATLAB 中使用重载函数，开发人员可以定义方法和运算符如何为特定类别的对象工作。这种灵活性是 MATLAB 作为面向对象编程语言的一个基本特征。

在 MATLAB 中定义重载方法的通用语法

MATLAB 中的重载方法是在类中存在的函数，用于处理特定形式的输入参数或操作。定义重载方法的通用语法如下：

classdef ClassName
    methods
        function output = overloadedMethod(obj, inputArgs)
            % Implementation of the method
        end
    end
end

classdef ClassName: 指示进行重载函数定义的类。
methods: 声明一个块，其中定义所有类方法，包括重载方法。
function output = overloadedMethod(obj, inputArgs): 严格来说，它指定了函数的接口——要处理的数据类型以及函数执行后应返回的结果。第一个参数是称为 obj 的类对象，然后是其他输入参数，它们是函数的最终结构。

示例

classdef Circle
    properties
        Radius
    end
    methods
        function obj = Circle(radius)
            obj.Radius = radius;
        end
        
        function area = calculateArea(obj)
            area = pi * (obj.Radius)^2;
        end
    end
end

这里，calculateArea 方法用于计算 Circle 对象。该方法仅是 Circle 类的成员方法。

重载函数在类定义中的位置

正如我们所见，重载函数必须放置在类定义的正确部分；这些部分与重载的作用域相关。MATLAB 将方法组织到具有特定属性的块中。

在 methods 块内

重载方法通常在类的 methods 块下声明。
这确保它们与类相关联，并且可以被类的实例看到。

示例

classdef Rectangle
    properties
        Length
        Width
    end
    methods
        function obj = Rectangle(length, width)
            obj.Length = length;
            obj.Width = width;
        end
        
        function area = calculateArea(obj)
            area = obj.Length * obj.Width;
        end
    end
end

在主类定义文件之外： 如果方法很大或数量很多，它们可以定义在自己的文件中，但它们仍然与类相关。

示例

classdef Rectangle
    properties
        Length
        Width
    end
    methods
        Rectangle(length, width)
        area = calculateArea(obj)
    end
end
function area = calculateArea(obj)
    area = obj.Length * obj.Width;
end

MATLAB 的方法调度和重载规则

MATLAB 中的方法调度决定了在调用类方法时应该执行哪个过程。MATLAB 遵循特定的方法调度和重载规则。

1. 基于输入类型的解决方法

MATLAB 根据传递给过程的输入参数的数量和类型来决定调用哪个重载方法。
定义方法的另一个原因是允许重载来构思具有不同输入参数设置的方法。

示例

classdef Shape
    methods
        function describe(obj)
            disp('This is a shape.');
        end
        function describe(obj, type)
            disp(['This is a ', type, '.']);
        end
    end
end

这里，如果使用一个或两个参数调用所描述的方法，该方法会重写并提供不同的行为实现。

2. 运算符重载

同样，MATLAB 不仅允许重载方法，还允许重载运算符，如 +、-、*，以及逻辑运算符，如 > 和 <。
运算符重载需要具有适当名称的函数，例如加法的 plus，减法的 minus，依此类推。

示例

classdef Vector
    properties
        X
        Y
    end
    methods
        function obj = Vector(x, y)
            obj.X = x;
            obj.Y = y;
        end
        
        function result = plus(a, b)
            result = Vector(a.X + b.X, a.Y + b.Y);
        end
    end
end

plus 方法用于重新定义 + 运算符。

3. 歧义错误处理

例如，当重载 '+' 来处理多个可以匹配调用的重载时，MATLAB 会抛出错误。
面向方面编程的要求 3 是，开发人员必须确保函数签名没有歧义。

4. 继承和重载

子类可以通过修改父类开发的方法来重新设计类。
在这种情况下，使用 super 关键字调用父类的方法。

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重载对面向对象编程的好处

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