第 6 章多态性与虚函数

第6章多态性与虚函数

主要内容 6.1 多态性概述 6.2 子类型 6.3 虚函数 6.4 纯虚函数和抽象类

6.1 多态性概述 所谓多态性就是不同对象收到相同的消息时，产生不同的动作。直观地说，多态性是指用一个名字定义不同的函数，这些函数执行不同但又类似的操作，从而可以使用相同的调用方式来调用这些具有不同功能的同名函数。

6.1.1 多态的分类 C++中的多态性可以分为四类: 参数多态（函数模板、类模板）包含多态（虚函数）重载多态（函数重载、运算符重载）强制多态（强制类型转换）。前面两种统称为通用多态，而后面两种统称为专用多态。

6.1.2多态的实现 多态性的实现和联编这一概念有关。所谓联编就是把函数名与函数体的程序代码连接（联系）在一起的过程。联编分成两大类：静态联编和动态联编。静态联编优点：调用速度快，效率高，但缺乏灵活性；动态联编优点：运行效率低，但增强了程序灵活性。 C++为了兼容C语言仍然是编译型的，采用静态联编。为了实现多态性，利用虚函数机制，可部分地采用动态联编。

6.1.2多态的实现 多态从实现的角度来讲可以划分为两类:编译时的多态和运行时的多态。编译时的多态是通过静态联编来实现的。静态联编就是在编译阶段完成的联编。编译时多态性主要是通过函数重载和运算符重载实现的。运行时的多态是用动态联编实现的。动态联编是运行阶段完成的联编。运行时多态性主要是通过虚函数来实现的。

6.2 子类型概念 子类型：有一个特定的类型U，当且仅当它至少提供了类型X的行为时，称类型U是类型X的子类型。如果类U从类X公有继承，则类U将继承了X的行为，同时类U还可以根据需求增加新的行为。这意味着类U提供了类X的行为，根据定义，类U是类X的子类型。

6.2.1 子类型作用 类型适应：类型U的对象能被用于类型X的对象所能使用的场合，称为类型U适应类型X。类型适应的四种情况： • 在使用X类型对象的场合，可以使用U类型对象； • 在使用X*指针或X&引用的场合，可以使用U*指针或U&引用； • 在使用使用const X*常指针或const X&常引用的场合，可以使用const U*常指针或const U&常引用；

6.2.1 子类型作用 子类型作用：一个函数可被重用于处理X类型的对象和X的各个子类型的对象，而不必为处理这些子类型的对象去重载该函数，可以减轻程序人员编写程序代码的负担。例6.1：分析下列程序的输出结果。

例6.1 子类型静态束定实例 private: int b; }; void fun(A& d) { cout<<d.Geta()*10<<endl; } void main() { B bb(9,5); A aa(5); aa=bb; aa.Print(); A *pa=new A(8); B *pb=new B(1,2); pa=pb; pa->Print(); fun(bb); } #include <iostream.h> class A { public: A() {a=0;} A(int i) {a=i;} void Print() {cout<<a<<endl;} int Geta() {return a;} private: int a; }; class B:public A { public: B() {b=0;} B(int i,int j):A(i),b(j) {} void Print() {A::Print();cout<<b<<endl;}

6.3 虚函数 虚函数提供了一种更为灵活的多态性机制。虚函数允许函数调用与函数体之间的联系在运行时才建立，也就是在运行时才决定如何动作，即所谓的动态联编。 6.3.1 虚函数的引入

例6.2 没有引入虚函数的实例1。 #include<iostream.h> class A{ public: void show(){ cout<<"A"; } }; class B:public A { public: void show(){ cout<<"B"; } }; main() { A a,*pc; B b; pc=&a; pc->show(); pc=&b; pc->show(); return 0; }

例6.3 没有引入虚函数的实例2 void show() { cout<<"Derived-------------------\n"; cout<<"c="<<c<<endl; } private: int c; }; void main() { Base mb(60,60),*pc; Derived mc(10,20,30); pc=&mb; pc->show(); pc=&mc; pc->show(); } #include<iostream.h> class Base{ public: Base(int x,int y) { a=x; b=y; } void show() {cout<<"Base---------------\n"; cout<<a<<" "<<b<<endl; } private: int a,b; }; class Derived:public Base {public: Derived(int x,int y,int z):Base(x,y) { c=z; }

6.3.2 虚函数的作用和定义 1.虚函数的作用虚函数同派生类的结合可使C++支持运行时的多态性，实现了在基类定义派生类所拥有的通用接口，而在派生类定义具体的实现方法，即常说的“同一接口，多种方法”，它帮助程序员处理越来越复杂的程序。

例6.4 虚函数的作用。 #include<iostream.h> class Base { public: Base(int x,int y) { a=x; b=y; } virtual void show() //定义虚函数show() { cout<<"Base----------\n"; cout<<a<<" "<<b<<endl;} private: int a,b; }; class Derived : public Base { public: Derived(int x,int y,int z):Base(x,y){c=z; } void show() //重新定义虚函数show() { cout<< "Derived---------\n"; cout<<c<<endl;} private: int c; };

void main() { Base mb(60,60),*pc; Derived mc(10,20,30); pc=&mb; pc->show(); //调用基类Base的show()版本 pc=&mc; pc->show(); //调用派生类Derived的show()版本 } 程序运行结果如下: Base--------- 60 60 Derived-------- 30

2. 虚函数的定义 定义虚函数的方法如下: virtual 函数类型函数名(形参表) { // 函数体 }

说明： 1.派生类应该从它的基类公有派生。 2.必须首先在基类中定义虚函数。 3.派生类对基类中声明虚函数重新定义时，关键字virtual可以不写。 4.一般通过基类指针访问虚函数时才能体现多态性。 5.一个虚函数无论被继承多少次，保持其虚函数特性。 6.虚函数必须是其所在类的成员函数，而不能是友元函数，也不能是静态函数。 7.内联函数不能是虚函数。 8.构造函数不能是虚函数。 9.析构函数可以使虚函数，通常说明为虚函数。

例6.5 虚函数的定义举例。 #include<iostream.h> class Grandam { public: virtual void introduce_self() // 定义虚函数introduce_self() { cout<<"I am grandam."<<endl; } }; class Mother:public Grandam { public: void introduce_self() // 重新定义虚函数introduce_self() { cout<<"I am mother."<<endl;} }; class Daughter:public Mother { public: void introduce_self() // 重新定义虚函数introduce_self() { cout<<"I am daughter."<<endl;} };

void main() { Grandam *ptr; Grandam g; Mother m; Daughter d; ptr=&g; ptr->introduce_self();//调用基类Grandam的introduce_self() ptr=&m; ptr->introduce_self();// 调用派生类Mother的introduce_self() ptr=&d; ptr->introduce_self(); //调用派生类 // Daughter的introduce_self() }

C＋＋规定，如果在派生类中，没有用virtual显式地给出虚函数声明，这时系统就会遵循以下规则来判断一个成员函数是不是虚函数：C＋＋规定，如果在派生类中，没有用virtual显式地给出虚函数声明，这时系统就会遵循以下规则来判断一个成员函数是不是虚函数：（1）该函数与基类的虚函数有相同的名称；（2）该函数与基类的虚函数有相同的参数个数及相同的对应参数类型；（3）该函数与基类的虚函数有相同的返回类型或者满足赋值兼容性规则的指针、引用型的返回类型。

3.成员函数调用虚函数（例6.6） #include <iostream.h> class A { public: virtual double funA(double x) { cout<<"funA of class A called."<<endl; return x*x; } double funB(double x) { return funA(x)/2; } }; class B:public A { public: virtual double funA(double x) { cout<<"funA of class B called."<<endl; return 2*x*x; } }; class C:public B { public: virtual double funA(double x) { cout<<"funA of class C called."<<endl; return 3*x*x; } }; void main() { C objc; cout<<objc.funB(3)<<endl; B objb; cout<<objb.funB(3)<<endl; }

A B C 调用虚函数构造(析构)函数一般成员函数 4.构造函数和析构函数内调用虚函数 • 构造函数中调用虚函数时，采用静态束定，即构造函数调用的虚函数是自己类中实现的虚函数，如果自己类中没有实现这个虚函数，则调用基类中的虚函数，而不是任何派生类中实现的虚函数； • 析构函数中调用虚函数同构造函数，即析构函数所调用的虚函数是自身类中的或者基类中实现的虚函数；

构造函数和析构函数内调用虚函数（例6.7） #include <iostream.h> class A { public: A(){ cout<<"default constructor of class A is called! \n";} ~A(){ cout<<"destructor of class A is called!\n";} virtual void funA() { cout<<"funA of class A called."<<endl; } }; class B:public A { public: B(){ cout<<"default constructor of class B is called! \n";funA();} ~B(){ cout<<"destructor of class B is called!\n";funA();} void funB() { funA(); } }; class C:public B { public: C(){ cout<<"default constructor of class C is called! \n";} ~C(){ cout<<"destructor of class C is called!\n";} virtual void funA() {cout<<"funA of class C called.“ <<endl; } }; void main() { cout<<"creating object...\n"; C objc; cout<<"executing objc.funB()...\n"; objc.funB(); cout<<"exiting...\n"; }

5.虚析构函数 class B { public: virtual ~B( ); //虚析构函数 } 这样，用指针去释放对象时，基类指针指向哪个层次的对象，则调用的就是该类的析构函数，释放掉该对象。注意： 1. 基类析构函数被声明为虚析构函数，则派生类中的析构函数会自动成为虚析构函数。 2. 如果一个类拥有虚函数，则该类即使不需要虚析构函数，也应该为它提供一个。注意：构造函数不能是虚函数

5.虚析构函数（例6.8） void fun(A *a) { delete a; } void main() { A *a=new B(10) ; fun(a); } #include <iostream.h> class A { public: virtual ~A() { cout<<"A's ~A()"<<endl; } }; class B:public A { char *buf; public: B(int i) { buf=new char[i]; } virtual ~B() { delete [] buf; cout<<"B's ~B()"<<endl; } };

上堂课总结 1.普通成员函数调用虚函数（体现多态性）。实质：基类指针指向普通成员函数（派生类自己或从基类继承过来），而此成员函数又调用虚函数则调用派生类所指的虚函数。 2.构造函数和析构函数调用虚函数（静态联编）。实质：构造函数和析构函数是系统自动调用的，并不需要使用基类指针调用，所以是静态的。 3.虚析构函数。作用：保证使用基类类型的指针能够调用适当的析构函数针对不同的对象进行清理。实质：如果删除该指针，就会调用该指针指向的派生类的析构函数。

6.3.4虚函数与重载函数的关系 在一个派生类中重新定义基类的虚函数是函数重载的另一种形式，但它不同于一般的函数重载。 ◆ 普通的函数重载时，其函数的参数或参数类型必须有所不同，函数的返回类型也可以不同。 ◆ 当重载一个虚函数时，也就是说在派生类中重新定义虚函数时，要求函数名、返回类型、参数个数、参数的类型和顺序与基类中的虚函数原型完全相同。 ◆ 如果仅仅返回类型不同，其余均相同，系统会给出错误信息; ◆若仅仅函数名相同，而参数的个数、类型或顺序不同，系统将它作为普通的函数重载，这时将丢失虚函数的特性。

虚函数与重载函数关系（例6_8） #include<iostream.h> class Base { public: virtual void func1(); virtual void func2(); virtual void func3(); void func4(); }; class Derived:public Base { public: virtual void func1(); void func2(int x); //char func3(); void func4(); }; void Base::func1() { cout<<"--Base func1--"<<endl;} void Base::func2() { cout<<"--Base func2--"<<endl;} void Base::func3() { cout<<"--Base func3--"<<endl;} void Base::func4() { cout<<"--Base func4--"<<endl;} void Derived::func1() { cout<<"--Dervied func1--"<<endl;} void Derived::func2(int x) { cout<<"--Dervied func2--"<<endl;} void Derived::func4() { cout<<"--Dervied func4--"<<endl;} int main() { Base d1,*bp; Derived d2;bp=&d2; bp->func1();bp->func2();bp->func4(); }

6.4 纯虚函数和抽象类 6.4.1 纯虚函数纯虚函数是一个在基类中说明的虚函数，它在该基类中没有定义，但要求在它的派生类中必须定义自己的版本，或重新说明为纯虚函数。纯虚函数的定义形式如下: virtual 函数类型函数名(参数表)=0;

例6.9纯虚函数的使用。 #include<iostream.h> class Circle { public: void setr(int x){ r=x; } virtual void show()=0; // 纯虚函数 protected: int r; }; class Area:public Circle{ public: void show(){ cout<<"Area is "<<3.14*r*r<<endl;} }; // 重定义虚函数show( ) class Perimeter:public Circle{ public: void show(){cout<<"Perimeter is "<<2*3.14*r<<endl;} }; // 重定义虚函数show( )

void main() { Circle *ptr; Area ob1; Perimeter ob2; ob1.setr(10); ob2.setr(10); ptr=&ob1; ptr->show(); ptr=&ob2; ptr->show(); }

6.4.2 抽象类 如果一个类至少有一个纯虚函数，那么就称该类为抽象类。抽象类只能作为其他类的基类来使用，不能建立抽象类对象，其纯虚函数的实现由派生类给出。

6.4.2 抽象类 （1）抽象类只能作为其他类的基类来使用，不能建立类对象；（2）不允许从具体类派生出抽象类；（3）抽象类不能用作参数类型、函数返回类型或显式转换的类型；（4）可以声明指向抽象类的指针或引用；（5）派生类没有重定义纯虚函数，它仍然是一个抽象类；（6）在抽象类可以定义普通成员函数或虚函数。

6.5 程序应用举例 例6-10 应用抽象类，求圆、圆内接正方形和圆外切正方形的面积和周长例6-11建立两种类型的表：队列与堆栈。虽然两个表的特性完全不同，但它们可用同一接口访问。

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