C++【05】多态性与虚函数

一、多态性的概念

      多态性(polymorphism)是面向对象程序设计的一个重要特征。如果一种语言只支持类而不支持多态，是不能被称为面向对象语言的，只能说是基于对象的，如Ada、VB。C++支持多态性，利用多态性可以设计和实现一个易于扩展的系统。
      在C++程序设计中，多态性是指具有不同功能的函数可以用同一个函数名，这样就可以用一个函数名调用不同内容的函数。在面向对象方法中一般是这样表述多态性的: 向不同的对象发送同一个消息，不同的对象在接收时会产生不同的行为(即方法)。也就是说，每个对象可以用自己的方式去响应共同的消息。
      从系统实现的角度看，多态性分为两类: 静态多态性和动态多态性。以前学过的函数重载和运算符重载实现的多态性属于静态多态性，在程序编译时系统就能决定调用的是哪个函数，因此静态多态性又称编译时的多态性。静态多态性是通过函数的重载实现的(运算符重载实质上也是函数重载)。动态多态性是在程序运行过程中才动态地确定操作所针对的对象。它又称运行时的多态性。动态多态性是通过虚函数(virtual function)实现的。
      有关静态多态性的应用已经介绍过了，在本章中主要介绍动态多态性和虚函数。
要研究的问题是: 当一个基类被继承为不同的派生类时，各派生类可以使用与基类成员相同的成员名，如果在运行时用同一个成员名调用类对象的成员，会调用哪个对象的成员？也就是说，通过继承而产生了相关的不同的派生类，与基类成员同名的成员在不同的派生类中有不同的含义。也可以说，多态性是“一个接口，多种方法”。

多态性的例子

      下面是一个承上启下的例子。一方面它是有关继承和运算符重载内容的综合应用的例子，通过这个例子可以进一步融会贯通前面所学的内容，另一方面又是作为讨论多态性的一个基础用例。
例6.1 先建立一个Point(点)类，包含数据成员x,y(坐标点)。以它为基类，派生出一个Circle(圆)类，增加数据成员r(半径)，再以Circle类为直接基类，派生出一个Cylinder(圆柱体)类，再增加数据成员h(高)。要求编写程序，重载运算符“<<”和“>>”，使之能用于输出以上类对象。
(1) 声明基类Point类

#include <iostream.h>
//声明类Point
class Point
{public:
      Point(float x=0,float y=0);//有默认参数的构造函数
      void setPoint(float,float);                 //设置坐标值
      float getX( ) const {return x;}              //读x坐标
      float getY( ) const {return y;}              //读y坐标
      friend ostream & operator<<(ostream &,const Point &);
      //重载运算符“<<”
 protected:                                   //受保护成员
     float x,y;
};
//下面定义Point类的成员函数
//Point的构造函数
Point::Point(float a,float b)                 //对x,y初始化
{x=a;y=b;}
//设置x和y的坐标值
void Point::setPoint(float a,float b)         //为x,y赋新值
{x=a;y=b;}
//重载运算符“<<”，使之能输出点的坐标
ostream & operator<<(ostream &output,const Point &p)
{output<<″[″<<p.x<<″,″<<p.y<<″]″<<endl;
 return output;
}
int main( )
{Point p(3.5,6.4);//建立Point类对象p
 cout<<″x=″<<p.getX( )<<″,y=″<<p.getY( )<<endl;//输出p的坐标值
 p.setPoint(8.5,6.8);                            //重新设置p的坐标值
 cout<<″p(new):″<<p<<endl;   //用重载运算符“<<”输出p点坐标
}

运行结果

x=3.5,y=6.4
p(new):[8.5,6.8]

(2) 声明派生类Circle

class Circle:public Point//circle是Point类的公用派生类
{public:
      Circle(float x=0,float y=0,float r=0); //构造函数
      void setRadius(float);                 //设置半径值
      float getRadius( ) const;               //读取半径值
      float area ( ) const;                   //计算圆面积
      friend ostream &operator<<(ostream &,const Circle &);//重载运算符“<<”
 private:
     float radius;
};
//定义构造函数，对圆心坐标和半径初始化
Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){ }

void Circle::setRadius(float r)    //设置半径值
{radius=r;}

float Circle::getRadius( ) const {return radius;} //读取半径值

float Circle::area( ) const   //计算圆面积
{return 3.14159*radius*radius;}

//重载运算符“<<”，使之按规定的形式输出圆的信息
ostream &operator<<(ostream &output,const Circle &c)
{output<<″Center=[″<<c.x<<″,″<<c.y<<″],r=″<<c.radius<<″,area=″<<c.area( )<<endl;
 return output;
}
int main( )
{Circle c(3.5,6.4,5.2);  //建立Circle类对象c，并给定圆心坐标和半径
 cout<<″original circle:\nx=″<<c.getX()<<″,  
            y=″<<c.getY()<<″, r=″<<c.getRadius( ) <<″, 
            area=″<<c.area( )<<endl;     //输出圆心坐标、半径和面积
 c.setRadius(7.5);                   //设置半径值
 c.setPoint(5,5);                    //设置圆心坐标值x,y
 cout<<″new circle:\n″<<c; //用重载运算符“<<”输出圆对象的信息
 Point &pRef=c;     //pRef是Point类的引用变量，被c初始化 
 cout<<″pRef:″<<pRef;                //输出pRef的信息
 return 0;
}

运行结果：

original circle:(输出原来的圆的数据)
x=3.5, y=6.4, r=5.2, area=84.9486
new circle:                                (输出修改后的圆的数据)
Center=[5,5], r=7.5, area=176.714
pRef:[5,5]                                 (输出圆的圆心“点”的数据)

(3) 声明Circle的派生类Cylinder

前面已从基类Point派生出Circle类，现在再从Circle派生出Cylinder类。
class Cylinder:public Circle  // Cylinder是Circle的公用派生类
{public:
      Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0);//构造函数
      void setHeight(float);                      //设置圆柱高
      float getHeight( ) const;                    //读取圆柱高
      float area( ) const;                         //计算圆柱表面积
      float volume( ) const;                       //计算圆柱体积
      friend ostream& operator<<(ostream&,const Cylinder&);
        //重载运算符“<<”
 protected:
     float height;                               //圆柱高
};

Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h) //定义构造函数
    :Circle(a,b,r),height(h){}

void Cylinder::setHeight(float h){height=h;} //设置圆柱高
float Cylinder::getHeight( ) const {return height;} //读取圆柱高

float Cylinder::area( ) const    //计算圆表面积
{ return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;}

float Cylinder::volume() const    //计算圆柱体积
{return Circle::area()*height;}

ostream &operator<<(ostream &output,const Cylinder& cy) //重载运算符“<<”
{output<<″Center=[″<<cy.x<<″,″<<cy.y<<″],r=″<<cy.radius<<″,h=″<<cy.height
       <<″\narea=″<<cy.area( )<<″, volume=″<<cy.volume( )<<endl;
 return output;}
 int main( )
{Cylinder cy1(3.5,6.4,5.2,10);  //定义Cylinder类对象cy1
 cout<<″\noriginal cylinder:\nx=″<<cy1.getX( )<<″, y=″<<cy1.getY( )<<″, r=″
     <<cy1.getRadius( )<<″, h=″<<cy1.getHeight( )<<″\narea=″<<cy1.area()
     <<″,volume=″<<cy1.volume()<<endl;//用系统定义的运算符“<<”输出cy1的数据
 cy1.setHeight(15);                     //设置圆柱高
 cy1.setRadius(7.5);                    //设置圆半径
 cy1.setPoint(5,5);                     //设置圆心坐标值x,y
 cout<<″\nnew cylinder:\n″<<cy1;        //用重载运算符“<<”输出cy1的数据
 Point &pRef=cy1;                       //pRef是Point类对象的引用变量
 cout<<″\npRef as a Point:″<<pRef;      //pRef作为一个“点”输出
 Circle &cRef=cy1;                      //cRef是Circle类对象的引用变量
 cout<<″\ncRef as a Circle:″<<cRef;     //cRef作为一个“圆”输出
 return 0;
}

运行结果：

original cylinder:                         (输出cy1的初始值)
x=3.5, y=6.4, r=5.2, h=10                  (圆心坐标x,y。半径r，高h)
area=496.623, volume=849.486               (圆柱表面积area和体积volume)

new cylinder:                              (输出cy1的新值)
Center=[5,5], r=7.5, h=15                 (以[5,5]形式输出圆心坐标)
area=1060.29, volume=2650.72               (圆柱表面积area和体积volume)

pRef as a Point:[5,5]                      (pRef作为一个“点”输出)
cRef as a Circle: Center=[5,5], r=7.5, area=176.714(cRef作为一个“圆”输出)

二、虚函数

虚函数的作用

      在类的继承层次结构中，在不同的层次中可以出现名字相同、参数个数和类型都相同而功能不同的函数。编译系统按照同名覆盖的原则决定调用的对象。
在例程序中用cy1.area( )调用的是派生类Cylinder中的成员函数area。如果想调用cy1中的直接基类Circle的area函数，应当表示为: cy1.Circle::area( )。用这种方法来区分两个同名的函数。但是这样做很不方便。
      人们提出这样的设想，能否用同一个调用形式，既能调用派生类又能调用基类的同名函数。在程序中不是通过不同的对象名去调用不同派生层次中的同名函数，而是通过指针调用它们。例如，用同一个语句“pt->display( );”可以调用不同派生层次中的display函数，只需在调用前给指针变量pt赋以不同的值(使之指向不同的类对象)即可。
      C++中的虚函数就是用来解决这个问题的。虚函数的作用是允许在派生类中重新定义与基类同名的函数，并且可以通过基类指针或引用来访问基类和派生类中的同名函数。
分析例，这个例子开始时没有使用虚函数，然后再讨论使用虚函数的情况。
例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//声明基类Student
class Student
{public:
      Student(int, string,float);//声明构造函数
      void display( );                                             //声明输出函数
  protected:                                      //受保护成员，派生类可以访问 
      int num;
      string name;
      float score;
 };
 //Student类成员函数的实现
Student::Student(int n, string nam,float s)                     //定义构造函数
 {num=n;name=nam;score=s;}

void Student::display( )                                        //定义输出函数
{cout<<″num:″<<num<<″\\nname:″<<name<<″\\nscore:″<<score<<″\\n\\n″;}
//声明公用派生类Graduate
class Graduate:public Student
{public:
      Graduate(int, string, float, float);                          //声明构造函数
      void display( );                                             //声明输出函数
private:
     float pay;
};
// Graduate类成员函数的实现
void Graduate::display( )                                       //定义输出函数 {cout<<″num:″<<num<<″\\nname:″<<name<<″\\nscore:″<<score<<″\\npay=″<<pay<<endl;}

Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){ }
int main()
 {Student stud1(1001,″Li″,87.5);                   //定义Student类对象stud1
   Graduate grad1(2001,″Wang″,98.5,563.5);          //定义Graduate类对象grad1
  Student *pt=&stud1;                            //定义指向基类对象的指针变量pt
  pt->display( );
  pt=&grad1;
  pt->display( );
  return 0;
 }

      由虚函数实现的动态多态性就是: 同一类族中不同类的对象，对同一函数调用作出不同的响应。虚函数的使用方法是:
(1) 在基类用virtual声明成员函数为虚函数。这样就可以在派生类中重新定义此函数，为它赋予新的功能，并能方便地被调用。
在类外定义虚函数时，不必再加virtual。
(2) 在派生类中重新定义此函数，要求函数名、函数类型、函数参数个数和类型全部与基类的虚函数相同，并根据派生类的需要重新定义函数体。
      C++规定，当一个成员函数被声明为虚函数后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数。因此在派生类重新声明该虚函数时，可以加virtual，也可以不加，但习惯上一般在每一层声明该函数时都加virtual，使程序更加清晰。
      如果在派生类中没有对基类的虚函数重新定义，则派生类简单地继承其直接基类的虚函数。
(3) 定义一个指向基类对象的指针变量，并使它指向同一类族中需要调用该函数的对象。
(4) 通过该指针变量调用此虚函数，此时调用的就是指针变量指向的对象的同名函数。

静态关联与动态关联

      编译系统要根据已有的信息，对同名函数的调用作出判断。例如函数重载，系统是根据参数的个数和类型进行匹配的。对于调用同一类族中的虚函数，应当在调用时用一定的方式告诉编译系统，你要调用的是哪个类对象中的函数。例如直接提供对象名，如stud1.display()或grad1.display()。这样编译系统在对程序进行编译时，即能确定调用的是哪个类对象中的函数。
      确定调用的具体对象的过程称为关联(binding)。在这里是指把一个函数名与一个类对象捆绑在一起，建立关联。一般地说，关联指把一个标识符和一个存储地址联系起来。
      前面所提到的函数重载和通过对象名调用的虚函数，在编译时即可确定其调用的虚函数属于哪一个类，其过程称为静态关联(static binding)，由于是在运行前进行关联的，故又称为早期关联(early binding)。函数重载属静态关联。
在上一小节程序中看到了怎样使用虚函数，在调用虚函数时并没有指定对象名，那么系统是怎样确定关联的呢？是通过基类指针与虚函数的结合来实现多态性的。
      先定义了一个指向基类的指针变量，并使它指向相应的类对象，然后通过这个基类指针去调用虚函数(例如“pt->display( )”)。显然，对这样的调用方式，编译系统在编译该行时是无法确定调用哪一个类对象的虚函数的。因为编译只作静态的语法检查，光从语句形式是无法确定调用对象的。
      在这样的情况下，编译系统把它放到运行阶段处理，在运行阶段确定关联关系。在运行阶段，基类指针变量先指向了某一个类对象，然后通过此指针变量调用该对象中的函数。此时调用哪一个对象的函数无疑是确定的。
      例如，先使pt指向grad1，再执行“pt->display( )”，当然是调用grad1中的display函数。由于是在运行阶段把虚函数和类对象“绑定”在一起的，因此，此过程称为动态关联(dynamic binding)。这种多态性是动态的多态性，即运行阶段的多态性。
      在运行阶段，指针可以先后指向不同的类对象，从而调用同一类族中不同类的虚函数。由于动态关联是在编译以后的运行阶段进行的，因此也称为滞后关联(late binding)。

在什么情况下应当声明虚函数

使用虚函数时，有两点要注意:
(1)只能用virtual声明类的成员函数，使它成为虚函数，而不能将类外的普通函数声明为虚函数。因为虚函数的作用是允许在派生类中对基类的虚函数重新定义。显然，它只能用于类的继承层次结构中。
(2) 一个成员函数被声明为虚函数后，在同一类族中的类就不能再定义一个非virtual的但与该虚函数具有相同的参数(包括个数和类型)和函数返回值类型的同名函数。
根据什么考虑是否把一个成员函数声明为虚函数呢？主要考虑以下几点:
(1) 首先看成员函数所在的类是否会作为基类。然后看成员函数在类的继承后有无可能被更改功能，如果希望更改其功能的，一般应该将它声明为虚函数。
(2) 如果成员函数在类被继承后功能不需修改，或派生类用不到该函数，则不要把它声明为虚函数。不要仅仅考虑到要作为基类而把类中的所有成员函数都声明为虚函数。
(3) 应考虑对成员函数的调用是通过对象名还是通过基类指针或引用去访问，如果是通过基类指针或引用去访问的，则应当声明为虚函数。
(4) 有时，在定义虚函数时，并不定义其函数体，即函数体是空的。它的作用只是定义了一个虚函数名，具体功能留给派生类去添加。在6.4节中将详细讨论此问题。
      需要说明的是: 使用虚函数，系统要有一定的空间开销。当一个类带有虚函数时，编译系统会为该类构造一个虚函数表(virtual function table，简称vtable)，它是一个指针数组，存放每个虚函数的入口地址。系统在进行动态关联时的时间开销是很少的，因此，多态性是高效的。

虚析构函数

      析构函数的作用是在对象撤销之前做必要的“清理现场”的工作。当派生类的对象从内存中撤销时一般先调用派生类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。
      但是，如果用new运算符建立了临时对象，若基类中有析构函数，并且定义了一个指向该基类的指针变量。在程序用带指针参数的delete运算符撤销对象时，会发生一个情况: 系统会只执行基类的析构函数，而不执行派生类的析构函数。
      当基类的析构函数为虚函数时，无论指针指的是同一类族中的哪一个类对象，系统会采用动态关联，调用相应的析构函数，对该对象进行清理工作。
      如果将基类的析构函数声明为虚函数时，由该基类所派生的所有派生类的析构函数也都自动成为虚函数，即使派生类的析构函数与基类的析构函数名字不相同。
      最好把基类的析构函数声明为虚函数。这将使所有派生类的析构函数自动成为虚函数。这样，如果程序中显式地用了delete运算符准备删除一个对象，而delete运算符的操作对象用了指向派生类对象的基类指针，则系统会调用相应类的析构函数。
      虚析构函数的概念和用法很简单，但它在面向对象程序设计中却是很重要的技巧。专业人员一般都习惯声明虚析构函数，即使基类并不需要析构函数，也显式地定义一个函数体为空的虚析构函数，以保证在撤销动态分配空间时能得到正确的处理。
      构造函数不能声明为虚函数。这是因为在执行构造函数时类对象还未完成建立过程，当然谈不上函数与类对象的关联。

三、纯虚函数与抽象类

1.纯虚函数

      有时在基类中将某一成员函数定为虚函数，并不是基类本身的要求，而是考虑到派生类的需要，在基类中预留了一个函数名，具体功能留给派生类根据需要去定义。
      例如在本章的例6.1程序中，基类Point中没有求面积的area函数，因为“点”是没有面积的，也就是说，基类本身不需要这个函数，所以在例6.1程序中的Point类中没有定义area函数。但是，在其直接派生类Circle和间接派生类Cylinder中都需要有area函数，而且这两个area函数的功能不同，一个是求圆面积，一个是求圆柱体表面积。
      因此自然会想到，在这种情况下应当将area声明为虚函数。可以在基类Point中加一个area函数，并声明为虚函数:
virtual float area( ) const {return 0;}
其返回值为0，表示“点”是没有面积的。其实，在基类中并不使用这个函数，其返回值也是没有意义的。为简化，可以不写出这种无意义的函数体，只给出函数的原型，并在后面加上“=0”，如
virtual float area( ) const =0;//纯虚函数
这就将area声明为一个纯虚函数(pure virtual function)。纯虚函数是在声明虚函数时被“初始化”为0的函数。声明纯虚函数的一般形式是
virtual 函数类型 函数名 (参数表列) =0;
注意: ①纯虚函数没有函数体；②最后面的“=0”并不表示函数返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是纯虚函数”; ③这是一个声明语句，最后应有分号。
纯虚函数只有函数的名字而不具备函数的功能，不能被调用。它只是通知编译系统: “在这里声明一个虚函数，留待派生类中定义”。在派生类中对此函数提供定义后，它才能具备函数的功能，可被调用。
      纯虚函数的作用是在基类中为其派生类保留一个函数的名字，以便派生类根据需要对它进行定义。如果在基类中没有保留函数名字，则无法实现多态性。
如果在一个类中声明了纯虚函数，而在其派生类中没有对该函数定义，则该虚函数在派生类中仍然为纯虚函数。

2.抽象类

      如果声明了一个类，一般可以用它定义对象。但是在面向对象程序设计中，往往有一些类，它们不用来生成对象。定义这些类的惟一目的是用它作为基类去建立派生类。它们作为一种基本类型提供给用户，用户在这个基础上根据自己的需要定义出功能各异的派生类。用这些派生类去建立对象。
      一个优秀的软件工作者在开发一个大的软件时，决不会从头到尾都由自己编写程序代码，他会充分利用已有资源(例如类库)作为自己工作的基础。
      这种不用来定义对象而只作为一种基本类型用作继承的类，称为抽象类(abstract class)，由于它常用作基类，通常称为抽象基类(abstract base class)。
凡是包含纯虚函数的类都是抽象类。因为纯虚函数是不能被调用的，包含纯虚函数的类是无法建立对象的。抽象类的作用是作为一个类族的共同基类，或者说，为一个类族提供一个公共接口。
      一个类层次结构中当然也可不包含任何抽象类，每一层次的类都是实际可用的，可以用来建立对象的。但是，许多好的面向对象的系统，其层次结构的顶部是一个抽象类，甚至顶部有好几层都是抽象类。
      如果在抽象类所派生出的新类中对基类的所有纯虚函数进行了定义，那么这些函数就被赋予了功能，可以被调用。这个派生类就不是抽象类，而是可以用来定义对象的具体类(concrete class)。如果在派生类中没有对所有纯虚函数进行定义，则此派生类仍然是抽象类，不能用来定义对象。
      虽然抽象类不能定义对象(或者说抽象类不能实例化)，但是可以定义指向抽象类数据的指针变量。当派生类成为具体类之后，就可以用这种指针指向派生类对象，然后通过该指针调用虚函数，实现多态性的操作。