計算機(jī)科學(xué)及編程導(dǎo)論模塊6

模塊6多態(tài)性計算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論2本章主要內(nèi)容1多態(tài)性的概念2函數(shù)重載3

運算符重載4虛函數(shù)3多態(tài)性的概念多態(tài)性是面向?qū)ο蟮闹匾匦?，是指不同對象收到相同的消息時產(chǎn)生不同的行為。消息是指調(diào)用類的成員函數(shù)，不同的行為指不同的實現(xiàn)，即調(diào)用不同的函數(shù)。4多態(tài)性的概念C++支持兩種多態(tài)性：編譯時的多態(tài)性和運行時的多態(tài)性；編譯時的多態(tài)是在程序編譯過程中確定函數(shù)操作的具體對象，通過函數(shù)重載來實現(xiàn)；運行時的多態(tài)是在程序運行過程中才能確定函數(shù)操作的具體對象，通過虛函數(shù)來實現(xiàn)。5多態(tài)的具體實現(xiàn)在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，將確定操作對象(確定調(diào)用哪個函數(shù)實現(xiàn))的過程稱為聯(lián)編，即把一條消息（調(diào)用類的成員函數(shù)）與一個對象的方法（具體的函數(shù)版本）相結(jié)合的過程。6多態(tài)的具體實現(xiàn)聯(lián)編有兩種：靜態(tài)聯(lián)編，在編譯階段確定操作的具體對象，也稱早期聯(lián)編、早綁定，C語言中所有的函數(shù)調(diào)用都使用早期聯(lián)編；動態(tài)聯(lián)編，在系統(tǒng)運行過程中確定某一操作對象，也稱滯后聯(lián)編、晚綁定。main(){execute25}triplelt(){execute38}prNames(){}02538main(){execute34025}triplelt(){execute34038}prNames(){}main(){execute45025}triplelt(){execute45038}prNames(){}編譯執(zhí)行（34000）執(zhí)行（45000）編譯：函數(shù)地址是相對地址運行：函數(shù)地址是絕對地址靜態(tài)聯(lián)編和動態(tài)聯(lián)編靜態(tài)聯(lián)編和動態(tài)聯(lián)編，都是針對函數(shù)調(diào)用中的地址而言，而非函數(shù)定義本身靜態(tài)聯(lián)編意味著編譯時就確定了調(diào)用函數(shù)的相對地址動態(tài)聯(lián)編意味著運行時才能確定調(diào)用函數(shù)的相對地址92函數(shù)重載靜態(tài)多態(tài)性即編譯時的多態(tài)是指在編譯階段就決定調(diào)用哪個同名函數(shù)；通過函數(shù)重載來實現(xiàn)。10構(gòu)造函數(shù)的重載

一個類可以定義多個構(gòu)造函數(shù)，使用戶選用不同的方式完成對象數(shù)據(jù)的初始化；重載的所有構(gòu)造函數(shù)同名，但其參數(shù)類型、參數(shù)個數(shù)必須有所區(qū)別。11例1

構(gòu)造函數(shù)重載。

重載構(gòu)造函數(shù)的例子在類中聲明的多種構(gòu)造函數(shù)：classCArea{public:CArea(){x=0;y=0;}//無參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)

CArea(intrx,intry=0);//帶缺省參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)

CArea(floatrr){rr=0;}//帶一個參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)

CArea(floatrr,char*ra);//帶兩個參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)

};123運算符重載運算符重載是對已有的運算符賦予多重含義必要性C++中預(yù)定義的運算符其運算對象只能是基本數(shù)據(jù)類型，而不適用于用戶自定義類型（如類）實現(xiàn)機(jī)制將指定的運算表達(dá)式轉(zhuǎn)化為對運算符函數(shù)的調(diào)用，運算對象轉(zhuǎn)化為運算符函數(shù)的實參。編譯系統(tǒng)對重載運算符的選擇，遵循函數(shù)重載的選擇原則。13規(guī)則和限制可以重載C++中除下列運算符外的所有運算符：

.*::?:只能重載C++語言中已有的運算符，不可臆造新的。不改變原運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性。不能改變操作數(shù)個數(shù)。經(jīng)重載的運算符，其操作數(shù)中至少應(yīng)該有一個是自定義類型。14兩種形式重載為類成員函數(shù)。重載為友元函數(shù)。15運算符函數(shù)聲明形式函數(shù)類型operator運算符（形參）{......}重載為類成員函數(shù)時

參數(shù)個數(shù)=原操作數(shù)個數(shù)-1 （后置++、--除外）重載為友元函數(shù)時參數(shù)個數(shù)=原操作數(shù)個數(shù)，且至少應(yīng)該有一個自定義類型的形參。16運算符成員函數(shù)的設(shè)計雙目運算符B如果要重載B為類成員函數(shù)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)表達(dá)式oprd1Boprd2，其中

oprd1為A類對象，則B應(yīng)被重載為A類的成員函數(shù)，形參類型應(yīng)該是oprd2

所屬的類型。經(jīng)重載后，表達(dá)式

oprd1Boprd2

相當(dāng)于oprd1.operatorB(oprd2)運算符重載17

例2重載運算符“＋”，實現(xiàn)兩個復(fù)數(shù)相加。將“+”運算重載為復(fù)數(shù)類的成員函數(shù)。規(guī)則:實部和虛部分別相加。操作數(shù):兩個操作數(shù)都是復(fù)數(shù)類的對象。18#include<iostream.h>classcomplex //復(fù)數(shù)類聲明{public: //外部接口

complex(doubler=0.0,doublei=0.0){real=r;imag=i;//構(gòu)造函數(shù)

complexoperator+(complexc2);//+重載為成員函數(shù)

voiddisplay(); //輸出復(fù)數(shù)

private: //私有數(shù)據(jù)成員

doublereal; //復(fù)數(shù)實部

doubleimag; //復(fù)數(shù)虛部}; 1819complexcomplex::operator+(complex&c2)//重載函數(shù)實現(xiàn){ complexc; c.real=c2.real+real; c.imag=c2.imag+imag; returncomplex(c.real,c.imag);}1920voidcomplex::display(){cout<<"("<<real<<","<<imag<<“I”<<“)"<<endl;}intmain()//主函數(shù){ complexc1(3,4),c2(5,-10),c3;//聲明復(fù)數(shù)類的對象

c3=c1+c2; //使用重載運算符完成復(fù)數(shù)加法

cout<<"c1=";c1.display(); cout<<"c2=";c2.display(); cout<<"c1+c2=";c3.display();return0;}2021程序輸出的結(jié)果為：c1=(3,4i)c2=(5,-10i)c1+c2=(8,-6i)2122

重載為類的友元函數(shù)運算符重載形式與重載為類的成員函數(shù)相同，只是參數(shù)表中的參數(shù)要求不同；單目運算符要求1個操作數(shù)，雙目運算符要求2個操作數(shù)，對同一個運算符，重載為成員函數(shù)總比重載為友元函數(shù)時少一個參數(shù)。友元定義重載運算符時，所有的操作對象需要參數(shù)來傳遞。23運算符友元函數(shù)的設(shè)計如果需要重載一個運算符，使之能夠用于操作某類對象的私有成員，可以此將運算符重載為該類的友元函數(shù)。函數(shù)的形參代表依自左至右次序排列的各操作數(shù)。雙目運算符B重載后，

表達(dá)式oprd1Boprd2

等同于operatorB(oprd1,oprd2)運算符重載24例3采用友元運算符函數(shù)實現(xiàn)復(fù)數(shù)相加。將+（雙目）重載為復(fù)數(shù)類的友元函數(shù)。兩個操作數(shù)都是復(fù)數(shù)類的對象。25#include<iostream.h>classcomplex //復(fù)數(shù)類聲明{public: //外部接口

complex(doubler=0.0,doublei=0.0)

{real=r;imag=i;} //構(gòu)造函數(shù)

friendcomplexoperator+(complex&c1,complex&c2);//運算符+重載為友元函數(shù)

voiddisplay(); //顯示復(fù)數(shù)的值

private: //私有數(shù)據(jù)成員

doublereal; doubleimag;}; 2526complexoperator+(complex&c1,complex&c2) //運算符重載友元函數(shù)實現(xiàn){ return

complex(c2.real+c1.real,c2.imag+c1.imag);}//其它函數(shù)和主函數(shù)同上例2627“++”和“--”的重載前置“++”和“--”重載為類成員函數(shù)

com.operator++()重載為友元函數(shù)

operator++(Xcom)，com是X類的對象例5：計數(shù)器中的自加與自減。28“++”和“--”的重載后置“++”和“--”重載為類成員函數(shù)

com.operator++(int)重載為友元函數(shù)

operator++(Xcom,int)com是X類的對象，int的參數(shù)值為029

賦值運算符的重載“=”(賦值)也可以被重載，將賦值號右邊的對象數(shù)據(jù)內(nèi)容逐域拷貝到賦值號左邊的類對象中；只能重載為成員函數(shù)，并且不能被繼承；一般，系統(tǒng)為每個類都生成一個缺省的賦值運算符，但有些特殊情況下，使用缺省的賦值運算符會出現(xiàn)“指針懸掛問題”,賦值運算符重載可以解決。30

賦值運算符的重載“&”不必重載，它能返回對象在內(nèi)存的起始地址。31運行時的多態(tài)性運行時的多態(tài)性是指許多對象及對象的操作不能在編譯時就確定下來，需要在運行過程中確定；這種多態(tài)性是用虛函數(shù)來實現(xiàn)的。324虛函數(shù)在類的聲明中，在函數(shù)原型之前寫virtual。virtual

只用來說明類聲明中的原型，不能用在函數(shù)實現(xiàn)時。具有繼承性，基類中聲明了虛函數(shù)，派生類中無論是否說明，同原型函數(shù)都自動為虛函數(shù)。調(diào)用方式：通過基類指針或引用，執(zhí)行時會

根據(jù)指針指向的對象的類，決定調(diào)用哪個函數(shù)。4虛函數(shù)虛函數(shù)提供了OOP方法的動態(tài)聯(lián)編體系進(jìn)一步學(xué)習(xí)之前，了解“類家族”的概念，記住一個與虛函數(shù)使用相關(guān)的規(guī)則類家族類家族：同一個繼承層次結(jié)構(gòu)中的所有相關(guān)的類在一條繼承線上發(fā)展的類家族從一個父親派生出多個類的類家族一個簡單規(guī)則指向基類的指針可以指向派生類的對象公有派生36對象指針對象指針就是對象存儲區(qū)的首地址。指向?qū)ο蟮闹羔樣校阂话銓ο蟮闹羔?；引入派生類后的對象指針?7

一般對象的指針定義對象時要初始化，初始化后的對象會占有一定的內(nèi)存空間，存儲空間的地址就是指向?qū)ο蟮闹羔?。例?Base*p_Base;//聲明對象指針Baseobj;//定義對象objp_Base=&obj;//指針p_Base指向?qū)ο髈bj……p_Base->show();//通過對象指針訪問成員函數(shù)38

引入派生類后的對象指針引入派生類概念后，任何一個被說明為指向基類對象的指針都可以指向它的公有派生類對象；指向基類對象的指針，可以指向它的公有派生類的對象，而不能指向它的私有派生類的對象。39

引入派生類后的對象指針

不能將一個聲明為指向派生類對象的指針指向其基類的一個對象；聲明為指向基類對象的指針，當(dāng)其指向公有派生類對象時，只能用它來訪問派生類中從基類繼承來的成員，不能訪問公有派生類中新添的成員。例8計算和顯示研究生和本科生的學(xué)費。40虛函數(shù)的作用在例8中，基類中calfee()和disp()無virtual聲明，則當(dāng)指向基類對象的指針ptr指向其派生類Graduate對象時，通過ptr只能訪問Graduate中從基類繼承下來的成員如calfee()和disp()，而不能訪問派生類的calfee()和disp()。41虛函數(shù)的作用給基類calfee()和disp()加上virtual聲明(即虛函數(shù))后，當(dāng)ptr指向其派生類Graduate對象時，調(diào)用ptr->calfee()和ptr->disp()時就覆蓋了基類的同名函數(shù)，調(diào)用派生類的成員calfee()和disp()；虛函數(shù)的定義，使用戶可通過將指向基類對象的指針指向不同的派生類對象，來調(diào)用派生類中與基類同名、實現(xiàn)算法不同的函數(shù)，實現(xiàn)運行時的多態(tài)。42虛函數(shù)的聲明虛函數(shù)的定義在基類中進(jìn)行，即在基類中給想定義為虛函數(shù)的成員函數(shù)聲明前加關(guān)鍵詞virtual

，即：virtual類型說明符函數(shù)名（參數(shù)表）在基類中的某成員函數(shù)被聲明為虛函數(shù)后，此虛函數(shù)可以在一個或多個派生類中被重新定義；虛函數(shù)重新定義時，不需要virtual聲明；43虛函數(shù)的聲明在派生類中重新定義虛函數(shù)，要求函數(shù)原型包括返回類型、函數(shù)名、參數(shù)個數(shù)、參數(shù)類型的順序，必須與基類中的原型完全一致，僅函數(shù)實現(xiàn)不同；可通過成員函數(shù)調(diào)用、指針或引用來訪問虛函數(shù)；定義一個指向基類對象的指針ptr，并讓它指向同一類族中要調(diào)用此虛函數(shù)的對象；通過ptr調(diào)用的虛函數(shù)就是ptr指向的對象的函數(shù)。44例9#include<iostream.h>classB0 //基類B0聲明{public: //外部接口

virtualvoiddisplay()//虛成員函數(shù)

{cout<<"B0::display()"<<endl;}};classB1:publicB0 //公有派生{public:voiddisplay(){cout<<"B1::display()"<<endl;}};classD1:publicB1 //公有派生{public: voiddisplay(){cout<<"D1::display()"<<endl;}};虛函數(shù)voidfun(B0*ptr) //普通函數(shù){ptr->display();}voidmain() //主函數(shù){ B0b0,*p; //聲明基類對象和指針

B1b1; //聲明派生類對象

D1d1; //聲明派生類對象

p=&b0; fun(p); //調(diào)用基類B0函數(shù)成員

p=&b1; fun(p); //調(diào)用派生類B1函數(shù)成員

p=&d1; fun(p); //調(diào)用派生類D1函數(shù)成員}運行結(jié)果：B0::display()B1::display()D1::display()4546例10虛函數(shù)的例子47

虛函數(shù)與重載函數(shù)的區(qū)別函數(shù)重載中要求重載函數(shù)的參數(shù)類型、參數(shù)個數(shù)不同，僅是函數(shù)名相同；虛函數(shù)的重定義，要求函數(shù)名、返回類型、參數(shù)個數(shù)、參數(shù)類型和順序都與基類中的函數(shù)原型完全一致(特殊的函數(shù)重載)。若不一致，按如下情況處理：

1、函數(shù)參數(shù)相同，僅返回類型不同，作出錯處理；

2、函數(shù)參數(shù)有差異，僅函數(shù)名相同，系統(tǒng)會將它認(rèn)為是一般的函數(shù)重載，將丟失虛特性。48在基類中訪問虛函數(shù)，可使用指向基類對象的指針，也可以使用對象名直接訪問；派生類中沒重新定義虛函數(shù)時，該類的對象將使用基類中的虛函數(shù)代碼（繼承下來的）；虛函數(shù)必須是一個類的成員函數(shù)；構(gòu)造函數(shù)不能被聲明為virtual，但析構(gòu)函數(shù)可以被聲明為virtual。

虛函數(shù)使用注意：

虛析構(gòu)函數(shù)如果派生類層次中包含析構(gòu)函數(shù)，那么把基類的析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)若基類的析構(gòu)函數(shù)聲明為虛函數(shù)，則由該基類派生的所有派生類的析構(gòu)函數(shù)也都自動成為虛函數(shù)，即使派生類的析構(gòu)函數(shù)與基類的析構(gòu)函數(shù)不同名虛析構(gòu)函數(shù)的作用保證使用操作符delete時能夠調(diào)用正確的析構(gòu)函數(shù)虛析構(gòu)函數(shù)的例子不聲明虛析構(gòu)函數(shù)的結(jié)果虛函數(shù)使用注意在同一個類家族中，希望一個指針能指向不同的類，那么把它定義為指向基類定義了指向類家族中對象的指針，且不同類中有同名函數(shù)時，使用虛函數(shù)定義基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，可以保證派生類被正確析構(gòu)虛函數(shù)使用注意（續(xù)）成員函數(shù)才能聲明為虛函數(shù)構(gòu)造函數(shù)不能是虛函數(shù)內(nèi)聯(lián)函數(shù)不能是虛函數(shù)類家族的存在對象尚未建立內(nèi)聯(lián)是代碼展開，不是地址54如果基類只表達(dá)一些抽象的概念，而不和具體的事物相聯(lián)系，就不在此基類中定義函數(shù)。但希望基類必須為它的派生類提供一個公共的界面，可以通過在基類中加入純虛函數(shù)(pruevirtualfunction)來實現(xiàn)。純虛函數(shù)55純虛函數(shù)是一個在基類中說明的虛函數(shù)，它在該基類中沒有定義，但要求任何派生類都必須定義自己的虛函數(shù)版本。純虛函數(shù)定義形式：

virtualtype

函數(shù)名(參數(shù)表)

=0；“=0”只表示該成員函數(shù)是純虛的。純虛函數(shù)56例如：#include<iostream.h>classshape//定義基類{public:

virtualfloatarea()=0;

//定義純虛函數(shù)

virtualvoidDisp()=0;

//定義純虛函數(shù)};classrectangles:publicshape//定義圖形的派生類矩形類{public:

floatarea();//可以定義

voidDisp();

//可以定義};57

純虛函數(shù)使用注意：純虛函數(shù)只有函數(shù)的名字，不具備函數(shù)功能，不能被調(diào)用。只有在派生類中定義以后，它才有函數(shù)的功能，才可以調(diào)用；純虛函數(shù)的作用只是在基類中保留一個函數(shù)的名字，以便派生類中定義它的版本；如果基類中沒有保留名字，無法實現(xiàn)多態(tài)性；如果在派生類中沒有定義純虛函數(shù)的版本，則該虛函數(shù)在派生類中仍然是純虛函數(shù)。58抽象類作用抽象類為抽象和設(shè)計的目的而聲明，將有關(guān)的數(shù)據(jù)和行為組織在一個繼承層次結(jié)構(gòu)中，保證派生類具有要求的行為。對于暫時無法實現(xiàn)的函數(shù)，可以聲明為純虛函數(shù)，留給派生類去實現(xiàn)。注意抽象類只能作為基類來使用。不能聲明抽象類的對象。59例11抽象類的例子#include<iostream.h>classB0//抽象基類B0聲明{public://外部接口

virtualvoiddisplay()=0;//純虛函數(shù)成員};classB1:publicB0//公有派生{public: voiddisplay(){cout<<"B1::display()"<<endl;}//虛成員函數(shù)};classD1:publicB1//公有派生{public: voiddisplay(){cout<<"D1::display()"<<endl;}//虛成員函數(shù)};voidfun(B0*ptr) //普通函數(shù){ ptr->display();}voidmain() //主函數(shù){ B0*p; //聲明抽象基類指針

B1b1; //聲明派生類對象

D1d1; //聲明派生類對象

p=&b1; fun(p); //調(diào)用派生類B1函數(shù)成員

p=&d1; fun(p); //調(diào)用派生類D1函數(shù)成員}運行結(jié)果：B1::display()D1::display()60編寫一個程序，計算正方體和球體的表面積和體積重載、覆蓋與隱藏重載成員函數(shù)被重載的特征：相同的范圍（在同一個類中）函數(shù)名字相同參數(shù)不同與virtual無關(guān)把重載函數(shù)的本名和參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，創(chuàng)造函數(shù)的新名字例如有如下兩個函數(shù)原型intmyAns(floatx,int

j);intmyAns(inti,char

c);用如下語句調(diào)用ans1=myAns(14.2,25);ans2=myAns(62,’x’);intmyAnsFLAOTINT(flaot

x,int

i);int

myAnsINTCHAR(int

i,

char

c);ans1=myAnsFLAOTINT(14,2,25);ans2=myAnsINTCHAR(62,’x’);classCube{public:Cube(){height=1;width=1;length=1;}Cube(int

h,intw,intl);{height=h;width=w;length=l;}

private:

int

height;

intwidth;

intlength;};voidmain(){Cubecube1;Cubecube2(4,5,6);}Cube()CubeIntIntInt(4,5,6)覆蓋覆蓋是指派生類函數(shù)覆蓋基類函數(shù)，特征是：不同的范圍（分別位于派生類與基類）函數(shù)名字相同參數(shù)相同基類函數(shù)必須有virtual關(guān)鍵字覆蓋規(guī)則其實就是C++虛函數(shù)表的實現(xiàn)原理虛函數(shù)表一個虛擬函數(shù)地址表，稱為vtable。每個類的vtable中記錄的是所有聲明為virtual的成員函數(shù)的地址如果在派生類中沒有覆蓋基類的成員函數(shù)，則在vtable中記錄的是基類成員函數(shù)的地址如果在派生類中有覆蓋到基類的成員函數(shù)，則在vtable中記錄的是派生類成員函數(shù)的地址classbase{

public:

func();

virtualvfunc1();

virtualvfunc2();

virtualvfunc3();

private:

int_data1;

int_data2;

};

classderived:publicbase{

public:vfunc2();};void

main()

{

Derivedd;

Base*pb=&d;

pb->vfunc2();

}

base對象實例

vtable

--------------------------------------------------------------------------

vptr--------->(*vfunc1)()----------->base::vfunc1();

_data1

(*vfunc2)()----------->base::vfunc2();

_data2

(*vfunc3)()----------->base::vfunc3();

--------------------------------------------------------------------------derived對象實例

vtable

--------------------------------------------------------------------------

vptr

--------->(*vfunc1)()----------->base::vfunc1()

_data1;

(*vfunc2)()----------->derived::vfunc2()

_data2;

(*vfunc3)()----------->base::vfunc3()

--------------------------------------------------------------------------

如果基類中有虛函數(shù)，編譯器會自動為每個由該基類及其派生類所定義的對象加上一個叫v-pointer的指針，簡稱vptr。編譯器還為每個類加上了一個叫做vtable的表vptr指向vtable開頭的地方

A對象實例

vtable

-----------------------------------------------