C++ 多态与虚函数

多态按字面的意思就是多种形态。当类之间存在层次结构,并且类之间是通过继承关联时,就会用到多态。C++ 多态意味着调用成员函数时,会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。下面的实例中,基类 Shape 被派生为两个类,如下所示:


#include <iostream> 
using namespace std;
 
class Shape {
   protected:
      int width, height;
   public:
      Shape( int a=0, int b=0)
      {
         width = a;
         height = b;
      }
      int area()
      {
         cout << "Parent class area :" <<endl;
         return 0;
      }
};
class Rectangle: public Shape{
   public:
      Rectangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) { }
      int area ()
      { 
         cout << "Rectangle class area :" <<endl;
         return (width * height); 
      }
};
class Triangle: public Shape{
   public:
      Triangle( int a=0, int b=0):Shape(a, b) { }
      int area ()
      { 
         cout << "Triangle class area :" <<endl;
         return (width * height / 2); 
      }
};
// 程序的主函数
int main( )
{
   Shape *shape;
   Rectangle rec(10,7);
   Triangle  tri(10,5);
 
   // 存储矩形的地址
   shape = &rec;
   // 调用矩形的求面积函数 area
   shape->area();
 
   // 存储三角形的地址
   shape = &tri;
   // 调用三角形的求面积函数 area
   shape->area();
   
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

Parent class area
Parent class area

导致错误输出的原因是,调用函数 area() 被编译器设置为基类中的版本,这就是所谓的静态多态,或静态链接 - 函数调用在程序执行前就准备好了。有时候这也被称为早绑定,因为 area() 函数在程序编译期间就已经设置好了。

但现在,让我们对程序稍作修改,在 Shape 类中,area

() 的声明前放置关键字 virtual,如下所示:


class Shape {
   protected:
      int width, height;
   public:
      Shape( int a=0, int b=0)
      {
         width = a;
         height = b;
      }
      virtual int area()
      {
         cout << "Parent class area :" <<endl;
         return 0;
      }
};

修改后,当编译和执行前面的实例代码时,它会产生以下结果:

Rectangle class area
Triangle class area

此时,编译器看的是指针的内容,而不是它的类型。因此,由于 tri 和 rec 类的对象的地址存储在 *shape 中,所以会调用各自的 area() 函数。

正如您所看到的,每个子类都有一个函数 area() 的独立实现。这就是多态的一般使用方式。有了多态,您可以有多个不同的类,都带有同一个名称但具有不同实现的函数,函数的参数甚至可以是相同的。

虚函数

虚函数 是在基类中使用关键字 virtual 声明的函数。在派生类中重新定义基类中定义的虚函数时,会告诉编译器不要静态链接到该函数。

我们想要的是在程序中任意点可以根据所调用的对象类型来选择调用的函数,这种操作被称为动态链接,或后期绑定

纯虚函数

您可能想要在基类中定义虚函数,以便在派生类中重新定义该函数更好地适用于对象,但是您在基类中又不能对虚函数给出有意义的实现,这个时候就会用到纯虚函数。

我们可以把基类中的虚函数 area() 改写如下:


class Shape {
   protected:
      int width, height;
   public:
      Shape( int a=0, int b=0)
      {
         width = a;
         height = b;
      }
      // pure virtual function
      virtual int area() = 0;
};

= 0 告诉编译器,函数没有主体,上面的虚函数是纯虚函数

哪些函数不能设置为虚函数

设置虚函数须注意:
1:只有类的成员函数才能说明为虚函数;
2:静态成员函数不能是虚函数;
3:内联函数不能为虚函数;
4:构造函数不能是虚函数;
5:析构函数可以是虚函数,而且通常声明为虚函数。

虚函数可以实现多态,那么那些函数不能申明为虚函数呢?

1.普通的函数

因为普通函数只能被overload(重载),不能被override,也不能被继承,所以在编译的时候就绑定函数,所以不能申明为virtual,没有意义!

2.构造函数

这个也很简单。主要因为构造函数是用来确定初始化对象的,而virtual主要是为了在不了解具体的情况下实现动态绑定,调用不同类型中合适的成员函数而存在的,现在对象都没产生,怎么能实现多态呢。一个是为了具体化,一个是为了在不同对象类型中确定合适的函数,这是不可能的!

此外,构造函数不能被继承,所以不能virtual;构造函数是系统默认提供或者自己写的,并且和类名相同,就算继承了也不是自己的了,所以不能被继承;

构造函数是在为了创建初始化对象存在的,对象不存在实现多态是不可能的;

3.内联函数

inline函数在编译时被展开,在调用处将整个函数替换为代码块,省去了函数跳转的时间,提高了SD,减少函数调用的开销,虚函数是为了继承后对象能够准确的调用自己的函数,执行相应的动作。

主要的原因是:inline函数在编译时被展开,用函数体去替换函数,而virtual是在运行期间才能动态绑定的,这也决定了inline函数不可能为虚函数。(inline函数体现的是一种编译机制,而virtual体现的是一种动态运行机制)

4.静态成员函数

静态成员函数是类的组成部分,但是不是任何对象的组成部分,所有对象共享一份,没有必要动态绑定,也不能被继承【效果能,但机理不能。静态成员函数就一份实体,在父类里;子类继承父类时也无需拷贝父类的静态函数,但子类可以使用父类的静态成员函数】,并且静态成员函数只能访问静态变量。所以不能为virtual。

5.友员函数

友员函数不是类的成员函数,C++不支持友员被继承,所以不能为virtual。

 

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