C++程序设计自考4737第8章

第8章多态性、虚函数C+支持两种多态性，即编译时的多态性和运行时的多态性。编译时的多态性通过使用重载函数或模板获得，运行时的多态性通过使用继承和虚函数来获得。联编是描述编译器决定在程序运行时，一个函数调用应执行哪段代码的一个术语，是实现多态性的基础。由于多态性是一个与实现有关的概念，因而难于理解和掌握。本章将重点介绍运行时的多态性，并结合图解和程序实例帮助读者更好地理解多态性。,主要内容,8.1多态性8.2虚函数8.3多重继承与虚函数8.4类成员函数的指针与多态性,8.1多态性多态性也称后约束(latebinding)或动态约束(dynamicbinding)，它常用虚函数(virtualfunctions)来实现。静态联编所支持的多态性称为编译时的多态性。当调用重载函数时，编译器可以根据调用时所使用的实参在编译时就确定下来应调用哪个函数。动态联编所支持的多态性称为运行时的多态性，这由虚函数来支持。虚函数类似于重载函数，但与重载函数的实现策略不同，即对虚函数的调用使用动态联编。,8.1.1静态联编中的赋值兼容性及名字支配规律派生一个类的原因并非总是为了添加新的数据成员或成员函数，有时是为了重新定义基类的函数。例如在第6章的【例6.2】中，类Point和类Rectangle各有一个Show(void)函数，各自完成不同的功能。类的对象和调用的函数一一对应，编译时即可确定调用关系，从而产生编译时的多态性。,【例8.1】分析下面程序的输出结果。#includeusingnamespacestd;constdoublePI=3.14159;classPointprivate:doublex,y;public:Point(doublei,doublej)x=i;y=j;doublearea()return0;,classCircle:publicPointprivate:doubleradius;public:Circle(doublea,doubleb,doubler):Point(a,b)radius=r;doublearea()returnPI*radius*radius;,voidmain()Pointa(1.5,6.7);Circlec(1.5,6.7,2.5);coutarea()area()”调用哪个函数，等程序运行到这里时再决定。说到底，想让程序给出如下输出：areaofPointis0areaofCircleis19.6349areaofCircleis19.6349areaofCircleis19.6349为了实现这一目的，就要使类Point的指针p指向派生类函数area的地址。显然，目前是做不到的。必须给这两个函数一个新的标识符，以便使它们与目前介绍的成员函数区别开来。,假设使用关键字virtual声明Point类的area函数，将这种函数称为虚函数。下面是使用内联函数完成的定义：virtualdoublearea()return0.0;当编译系统编译含有虚函数的类时，为它建立一个虚函数表，表中的每一个元素都指向一个虚函数的地址。此外，编译器也为类增加一个数据成员，这个数据成员是一个指向该虚函数表的指针，通常称为vptr。Point只有一个虚函数，所以虚函数表里也只有一项。图8.3给出它的对象示意图。,如果派生类Circle没有重写这个area虚函数，则派生类的虚函数表里的元素所指向的地址就是基类Point的虚函数area的地址，即派生类仅继承基类的虚函数，它调用的也是基类的area函数。现在将它改写如下：virtualdoublearea()returnPI*radius*radius;这时，编译器也将派生类虚函数表里的元素指向Circle:area()，即指向派生类area函数的地址。图9.3图示了Circle的对象c和Point的对象a的对象地址分配图。,由此可见，虚函数的地址翻译取决于对象的内存地址。编译器为含有虚函数类的对象首先建立一个入口地址，这个地址用来存放指向虚函数表的指针vptr，然后按照类中虚函数的声明次序，一一填入函数指针。当调用虚函数时，先通过vptr找到虚函数表，然后再找出虚函数的真正地址。派生类能继承基类的虚函数表，而且只要是和基类同名的(参数也相同)成员函数，无论是否使用virtual声明，它们都自动成为虚函数。如果派生类没有改写继承基类的虚函数，则函数指针调用基类的虚函数。如果派生类改写了基类的虚函数，编译器将重新为派生类的虚函数建立地址，则函数指针调用这个改写过的虚函数。如图8.3所示，派生类Circle的函数指针调用的是Circle:area()。,虚函数的调用规则是：根据当前对象，优先调用对象本身的虚成员函数。这有点像名字支配规律，不过虚函数是动态绑定的，是在执行期“间接”调用实际上欲绑定的函数。显然，程序运行到语句p-area();时，才能确定p指向的是派生类Circle的对象，应该调用Circle:area()函数。,8.2虚函数虚函数是实现多态性的基础。一旦基类定义了虚函数，该基类的派生类中的同名函数也自动成为虚函数。8.2.1虚函数的定义为实现某种功能而假设的函数称作虚函数。虚函数只能是类中的一个成员函数，但不能是静态成员，关键字virtual用于类中该函数的声明中。例如：classApublic:virtualvoidfun();/声明虚函数;voidA:fun()./定义虚函数,当在派生类中定义了一个同名的成员函数时，只要该成员函数的参数个数和相应类型以及它的返回类型与基类中同名的虚函数完全一样（例如voidarea(void)函数），则无论是否为该成员函数使用virtual，它都将成为一个虚函数。在上节的例子中，基类Point声明成员函数area为“virtualvoidarea(void);”，则派生类Circle中的area函数自动成为虚函数。,8.2.2虚函数实现多态性的条件关键字virtual指示C+编译器对调用虚函数进行动态联编。这种多态性是程序运行到此处才动态确定的，所以称为运行时的多态性。不过，使用虚函数并不一定产生多态性，也不一定使用动态联编。例如，在调用中对虚函数使用成员名限定，可以强制C+对该函数的调用使用静态联编。产生这种多态性的前提有如下3条：(1)类之间的继承关系满足赋值兼容性规则;(2)改写了同名虚函数;(3)根据赋值兼容性规则使用指针（或引用）。满足前两条并不一定产生动态联编，必须有第3条才能保证实现动态联编。第3条又有两种情况。第1种是已经演示过的按赋值兼容性定义使用基类指针(或引用)访问虚函数。第2种是把指针(或引用)作为函数参数。即这个函数不一定是类的成员函数，可以是普通函数，而且可以重载。,【例8.2】就是设计一个外部函数display，通过指针和引用实现多态性。【例8.2】分别使用指针和引用的display函数。分析下面程序的输出结果：#includeusingnamespacestd;constdoublePI=3.14159;classPointprivate:doublex,y;public:Point(doublei,doublej)x=i;y=j;virtualdoublearea()return0;,classCircle:publicPointprivate:doubleradius;public:Circle(doublea,doubleb,doubler):Point(a,b)radius=r;doublearea()returnPI*radius*radius;voiddisplay(Point*p)coutarea()endl;voiddisplay(Point,voidmain()Pointa(1.5,6.7);Circlec(1.5,6.7,2.5);Point*p=程序输出如下：019.634919.6349,由于动态联编是在运行时进行的，相对于静态联编，它的运行效率比较低，但它可以使程序员对程序进行高度抽象，设计出可扩充性好的程序。,8.2.3构造函数和析构函数调用虚函数在构造函数和析构函数中调用虚函数时，采用静态联编，即它们所调用的虚函数是自己的类或基类中定义的函数，但不是任何在派生类中重定义的虚函数。下面给出一个具体的例子。【例8.3】在构造函数和析构函数中调用虚函数。#includeusingnamespacestd;classApublic:A()virtualvoidfunc()coutConstructingAendl;A()virtualvoidfund()coutDestructorAendl;,classB:publicApublic:B()func();voidfun()coutComehereandgo.;func();B()fund();classC:publicBpublic:C()voidfunc()coutClassCendl;C()fund();voidfund()coutDestructorCendl;,voidmain()Cc;c.fun();输出结果如下：ConstructingA/建立对象c调用B()产生Comehereandgo.ClassC/c.fun()输出DestructorC/析构对象c时，由C()产生DestructorA/析构对象c时调用B()产生在建立C类的对象c时，它所包含的基类子对象在派生类中定义的成员建立之前被建立。在对象撤消时，该对象所包含的在派生类中定义的成员要先于基类子对象之前撤消。,函数func是虚函数，构造对象c时，类A构造函数是空函数，没有输出。执行类B的构造函数时调用func，但B没有定义func，所以调用基类A定义的虚函数func。类C的构造函数为空函数，所以构造对象c时，只有一句输出信息。执行语句“c.fun();”时，类C自己没有函数fun，转去执行它的直接基类B的fun，输出“Comehereandgo.”。这个函数fun接着调用func，此时是执行基类B的func还是派生类的func？显然，c是派生类C的对象，类C有自己的func。按照虚函数调用规则，它不会去调用基类A的func，而应该执行自己的func，输出“ClassC”。析构时应先调用C的析构函数，输出“DestructorC”。接着调用类B的析构函数，这个析构函数调用虚函数fund。这个虚函数分别在类B的基类A和派生类C中定义，它只能调用它的基类中的虚函数fund，输出“DestructorA”。基类A中的析构函数没有输出信息，程序结束运行。目前推荐的C+标准不支持虚构造函数。由于析构函数不允许有参数，因此一个类只能有一个虚析构函数。,虚析构函数使用virtual说明。只要基类的析构函数被说明为虚函数，则派生类的析构函数，无论是否使用virtual进行说明，都自动地成为虚函数。delete运算符和析构函数一起工作（new和构造函数一起工作），当使用delete删除一个对象时，delete隐含着对析构函数的一次调用，如果析构函数为虚函数，则这个调用采用动态联编。一般说来，如果一个类中定义了虚函数，析构函数也应说明为虚函数，尤其是在析构函数要完成一些有意义的任务时，例如释放内存等。如果基类的析构函数为虚函数，则在派生类未定义析构函数时，编译器所生成的析构函数也为虚函数。,8.2.4纯虚函数与抽象类在许多情况下，在基类中不能为虚函数给出一个有意义的定义，这时可以将它说明为纯虚函数。它的定义留给派生类来做。说明纯虚函数的一般形式为：class类名virtual函数类型函数名（参数列表）=0;点没有面积，可以说明为：virtualdoublearea()=0;一个类可以说明多个纯虚函数，包含有纯虚函数的类称为抽象类。一个抽象类只能作为基类来派生新类，不能说明抽象类的对象。例如，将Point类的area()函数声明为纯虚函数，则Pointa(1.5,6.7);/错就是错误的。但可以说明指向抽象类对象的指针（或引用），例如：,Point*pa;从一个抽象类派生的类必须提供纯虚函数的实现代码，或在该派生类中仍将它说明为纯虚函数，否则编译器将给出错误信息。说明了纯虚函数的派生类仍是抽象类。如果派生类中给出了基类所有纯虚函数的实现，则该派生类不再是抽象类。抽象类的这一特点保证了进入类等级的每个类都具有（提供）纯虚函数所要求的行为，这保证了围绕这个类等级所建立起来的软件能正常运行，避免了这个类等级的用户由于偶然的失误而影响系统正常运行。抽象类至少含有一个虚函数，而且至少有一个虚函数是纯虚函数，以便将它与空的虚函数区分开来。下面是两种不同的表示方法:virtualvoidarea()=0;/纯虚函数virtualvoidarea()/空的虚函数在成员函数内可以调用纯虚函数，但在构造函数或析构函数内调用一个纯虚函数将导致程序运行错误，因为没有为,纯虚函数定义代码。【例8.4】编写一个程序，用于计算正方形、矩形、直角三角形和圆的总面积。classshape/抽象类public:virtualdoublearea()=0;/纯虚函数;classsquare:publicshape/抽象类派生正方形类protected:doubleH;public:square(doublei)H=i;doublearea()returnH*H;,classcircle:publicsquare/正方形派生圆类public:circle(doubler):square(r)doublearea()returnH*H*3.14159;classtriangle:publicsquare/正方形类派生直角三角形类protected:doubleW;public:triangle(doubleh,doublew):square(h)W=w;doublearea()returnH*W*0.5;classrectangle:publictriangle/直角三角形类派生矩形类public:,rectangle(doubleh,doublew):triangle(h,w)doublearea()returnH*W;doubletotal(shape*s,intn)/计算总面积函数doublesum=0.0;for(inti=0;iarea();returnsum;#includeusingnamespacestd;voidmain(),shape*s5;s0=newsquare(4);s1=newtriangle(3,6);s2=newrectangle(3,6);s3=newsquare(6);s4=newcircle(10);for(inti=0;iarea()endl;doublesum=total(s,5);coutThetotalareais:sumendl;程序输出结果如下：s0=16s1=9s2=18,s3=36s4=314.159Thetotalareais:393.159shape类中的虚函数area仅起到为派生类提供一个一致的接口的作用，派生类中重定义的area用于决定