面试题：Fortran复杂数据类型定义与多态性结合应用

Question

定义一个基类派生类型，包含一些通用成员和过程。然后派生出多个子类派生类型，每个子类对基类的某个过程进行重写以实现不同的行为。编写一个主程序，使用基类指针来操作不同子类的对象，展示多态性在Fortran中的实现，并阐述这种实现方式的原理和优势。

Answer 1

Fortran 代码实现

! 定义基类
module base_module
    implicit none
    type, abstract :: base_type
    contains
        procedure(abstract_method), deferred :: method
    end type base_type

    abstract interface
        subroutine abstract_method(self)
            import base_type
            class(base_type), intent(inout) :: self
        end subroutine abstract_method
    end interface
end module base_module

! 定义子类1
module child1_module
    use base_module
    implicit none
    type, extends(base_type) :: child1_type
    contains
        procedure :: method => child1_method
    end type child1_type
contains
    subroutine child1_method(self)
        class(child1_type), intent(inout) :: self
        print *, 'Child1 method implementation'
    end subroutine child1_method
end module child1_module

! 定义子类2
module child2_module
    use base_module
    implicit none
    type, extends(base_type) :: child2_type
    contains
        procedure :: method => child2_method
    end type child2_type
contains
    subroutine child2_method(self)
        class(child2_type), intent(inout) :: self
        print *, 'Child2 method implementation'
    end subroutine child2_method
end module child2_module

! 主程序
program polymorphism_example
    use base_module
    use child1_module
    use child2_module
    implicit none
    type(base_type), pointer :: base_ptr
    type(child1_type) :: child1_obj
    type(child2_type) :: child2_obj

    base_ptr => child1_obj
    call base_ptr%method()

    base_ptr => child2_obj
    call base_ptr%method()

    nullify(base_ptr)
end program polymorphism_example

实现原理

1. 抽象基类和虚函数：在 Fortran 中，通过定义一个包含抽象过程（使用 abstract 和 deferred 关键字）的抽象基类。抽象过程没有具体实现，需要在子类中重写。
2. 子类重写：每个子类继承自抽象基类，并提供对基类中抽象过程的具体实现。在子类定义中，使用 procedure :: method => childX_method 这种方式将基类的抽象方法绑定到子类的具体实现。
3. 运行时多态：通过基类指针指向不同子类的对象，在运行时根据指针实际指向的对象类型来决定调用哪个子类的重写方法。当调用 base_ptr%method() 时，Fortran 运行时系统会根据 base_ptr 实际指向的是 child1_type 还是 child2_type 对象，来调用相应的 child1_method 或 child2_method。

优势

1. 代码灵活性：允许在不修改现有代码的情况下添加新的子类，只要新子类遵循基类的接口，程序就可以正确处理这些新类型的对象。
2. 可维护性：将通用部分放在基类中，特定行为在子类中实现，使得代码结构更加清晰，易于维护和扩展。
3. 提高代码复用性：基类中定义的通用成员和过程可以被所有子类复用，减少了重复代码。