C++程序設(shè)計 大學(xué)基礎(chǔ)教程第十一章

C++大學(xué)基礎(chǔ)教程第11章多態(tài)性

北京科技大學(xué)信息基礎(chǔ)科學(xué)系2023/12/221北京科技大學(xué)多態(tài)性（Polymorphism）是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的主要特征之一。多態(tài)性對于軟件功能的擴展和軟件重用都有重要的作用。是學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計必須要掌握的主要內(nèi)容之一。2第十一章多態(tài)性11.1多態(tài)性的概念11.2繼承中的靜態(tài)聯(lián)編11.3虛函數(shù)和運行時的多態(tài)11.4純虛函數(shù)和抽象類11.5繼承和派生的應(yīng)用11.6模板

311.1多態(tài)性的概念

2023/12/224北京科技大學(xué)11.1.1面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中多態(tài)的表現(xiàn)

總的來說，不同對象對于相同的消息有不同的響應(yīng)，就是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的多態(tài)性。具體在程序中，多態(tài)性有兩種表現(xiàn)的方式：同一個對象調(diào)用名字相同、但是參數(shù)不同的函數(shù)，表現(xiàn)出不同的行為。在同一個類中定義的重載函數(shù)的調(diào)用，屬于這種情況。不同的對象調(diào)用名字和參數(shù)都相同的函數(shù)，表現(xiàn)出不同的行為。在派生類的應(yīng)用中，經(jīng)常會看到這樣的調(diào)用。511.1.1面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中多態(tài)的表現(xiàn)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中多態(tài)性表現(xiàn)為以下幾種形式：重載多態(tài)：通過調(diào)用相同名字的函數(shù)，表現(xiàn)出不同的行為。運算符重載也是一種重載多態(tài)。

運行多態(tài)：通過基類的指針，調(diào)用不同派生類的同名函數(shù)，表現(xiàn)出不同的行為。許多面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的書籍中所說的多態(tài)性，就是這種多態(tài)。模板多態(tài)，也稱為參數(shù)多態(tài)：611.1.2多態(tài)的實現(xiàn)：聯(lián)編

一個具有多態(tài)性的程序語句，在執(zhí)行的時候，必須確定究竟是調(diào)用哪一個函數(shù)。也就是說，在執(zhí)行的時候調(diào)用哪個函數(shù)是唯一地確定的。確定具有多態(tài)性的語句究竟調(diào)用哪個函數(shù)的過程稱為聯(lián)編（Binding），有的資料也翻譯成“綁定”。711.1.2多態(tài)的實現(xiàn)：聯(lián)編聯(lián)編有兩種方式：靜態(tài)聯(lián)編和動態(tài)聯(lián)編。在源程序編譯的時候就能確定具有多態(tài)性的語句調(diào)用哪個函數(shù)，稱為靜態(tài)聯(lián)編。對于重載函數(shù)的調(diào)用就是在編譯的時候確定具體調(diào)用哪個函數(shù)，所以是屬于靜態(tài)聯(lián)編。811.1.2多態(tài)的實現(xiàn)：聯(lián)編動態(tài)聯(lián)編則是必須在程序運行時，才能夠確定具有多態(tài)性的語句究竟調(diào)用哪個函數(shù)。用動態(tài)聯(lián)編實現(xiàn)的多態(tài)，也稱為運行時的多態(tài)。911.2繼承中的靜態(tài)聯(lián)編

2023/12/2210北京科技大學(xué)11.2.1派生類對象調(diào)用同名函數(shù)

在派生類中可以定義和基類中同名的成員函數(shù)。這是對基類進行改造，為派生類增加新的行為的一種常用的方法。通過不同的派生類的對象，調(diào)用這些同名的成員函數(shù)，實現(xiàn)不同的操作，也是多態(tài)性的一種表現(xiàn)。在程序編譯的時候，就可以確定派生類對象具體調(diào)用哪個同名的成員函數(shù)。這是通過靜態(tài)聯(lián)編實現(xiàn)的多態(tài)。11

例11.1定義Circle類和Rectangle類為Shape類的派生類，通過Circle類和Rectangle類的對象調(diào)用重載函數(shù)getArea()顯示對象的面積。

//例11.1:shape.h#ifndefSHAPE_H#defineSHAPE_H

classShape{ public: doublegetArea()const; voidprint()const; }; //Shape類定義結(jié)束12

classCircle:publicShape{ public: Circle(int=0,int=0,double=0.0); doublegetArea()const; //返回面積

voidprint()const; //輸出Circle類對象private:

intx,y; //圓心座標(biāo)

doubleradius; //圓半徑}; //派生類Circle定義結(jié)束classRectangle:publicShape{ public: Rectangle(int=0,int=0); //構(gòu)造函數(shù)

doublegetArea()const; //返回面積

voidprint()const; //輸出Rectangle類對象private:

inta,b; //矩形的長和寬}; //派生類Rectangle定義結(jié)束#endif13

//例11.1:shape.cpp#include<iostream>usingnamespacestd;#include"shape.h"

doubleShape::getArea()const{

cout<<"基類的getArea函數(shù)，面積是";return0.0;} //Shape類getArea函數(shù)的定義voidShape::print()const{

cout<<"BaseclassObject"<<endl;} //Shape類print函數(shù)定義基類成員函數(shù)的定義14

Circle::Circle(int

xValue,int

yValue,doubleradiusValue){ x=xValue;y=yValue; radius=radiusValue;} //Circle類構(gòu)造函數(shù)doubleCircle::getArea()const{

cout<<"Circle類的getArea函數(shù)，面積是";

return3.14159*radius*radius;} //Circle類getArea函數(shù)定義voidCircle::print()const{

cout<<"centeris";

cout<<"x="<<x<<"y="<<y;

cout<<";radiusis"<<radius<<endl;} //Circle類print函數(shù)定義Circle類成員函數(shù)的定義15

Rectangle::Rectangle(int

aValue,int

bValue){ a=aValue;b=bValue;} //Rectangle類構(gòu)造函數(shù)doubleRectangle::getArea()const{

cout<<"Rectangle類的getArea函數(shù)，面積是";

returna*b;} //Rectangle類getArea函數(shù)定義voidRectangle::print()const{

cout<<"hightis"<<a;

cout<<"widthis"<<b<<endl;} //Rectangle類print函數(shù)定義

Rectangle類成員函數(shù)的定義16

//例11.1:11_1.cpp#include<iostream>usingstd::cout;usingstd::endl;

#include"shape.h" //包含頭文件voidmain(){Circlecircle(22,8,3.5);//創(chuàng)建Circle類對象

Rectanglerectangle(10,10);//創(chuàng)建Rectangle類對象

cout<<"調(diào)用的是";

cout<<circle.getArea()<<endl;//靜態(tài)聯(lián)編

cout<<"調(diào)用的是";

cout<<rectangle.getArea()<<endl;//靜態(tài)聯(lián)編} 例11.1的主函數(shù)調(diào)用的是Circle類的getarea函數(shù)，面積是38.4845

調(diào)用的是Ractangle類的getarea函數(shù)，面積是100

1711.2.1派生類對象調(diào)用同名函數(shù)對于派生類對象調(diào)用成員函數(shù)，可以有以下的結(jié)論：

派生類對象可以直接調(diào)用本類中與基類成員函數(shù)同名的函數(shù)，不存在二義性；在編譯時就能確定對象將調(diào)用哪個函數(shù)，屬于靜態(tài)聯(lián)編，不屬于運行時的多態(tài)。

1811.2.2通過基類指針調(diào)用同名函數(shù)

從繼承的角度來看，派生類對象是基類對象的一個具體的特例?；蛘哒f，派生類對象是某一種特定類型的基類對象。例如，Circle類是Shape類的公有繼承，“圓”是“圖形”的一種特例?；蛘哒f，圓是一種特定的圖形，具有圖形的基本特征。但是，這種關(guān)系不是可逆的。不可以說基類的對象具有派生類對象的特征，基類對象也不是派生類對象的一個特例。1911.2.2通過基類指針調(diào)用同名函數(shù)

在關(guān)于基類對象和派生類對象的操作上，可以允許以下的操作：派生類對象可以賦值給基類對象；派生類對象的地址可以賦值給基類對象的指針?；蛘哒f，可以用派生類對象的地址初始化基類對象的指針；可以將基類對象的引用，定義為派生類對象的別名，或者說，用派生類對象初始化基類的引用。通過派生類對象的地址初始化的基類對象的指針，可以訪問基類的公有成員，也可以訪問和基類成員函數(shù)同名的函數(shù)。2011.2.2通過基類指針調(diào)用同名函數(shù)

以下這些操作是不可以進行的：不可以將基類對象賦值給派生類對象；不可以用基類對象的地址初始化派生類對象的指針；不可以將派生類對象的引用定義為基類對象的別名；不可以通過用派生類對象初始化的基類對象的指針，訪問派生類新增加的和基類公有成員不重名的公有成員。21

例11.2在例11.1所定義的類的基礎(chǔ)上，觀察通過派生類對象地址初始化的基類對象的指針訪問getArea函數(shù)的結(jié)果。

#include<iostream>usingnamespacestd;#include"shape.h" voidmain(){Shape*shape_ptr;

Circlecircle(22,8,3.5);

Rectanglerectangle(10,10);

shape_ptr=&circle;

cout<<shape_ptr->getArea()<<endl;//靜態(tài)聯(lián)編

shape_ptr=&rectangle;

cout<<shape_ptr->getArea()<<endl;//靜態(tài)聯(lián)編} circle對象初始化shape_ptr指針訪問的getArea函數(shù)是基類的getArea函數(shù)，面積是0rectangle對象初始化shape_ptr指針訪問的getArea函數(shù)是基類的getArea函數(shù)，面積是02211.2.2通過基類指針調(diào)用同名函數(shù)

程序運行結(jié)果表明：確實可以用派生類對象的地址初始化基類對象的指針；通過用派生類對象地址初始化的基類對象指針，只能調(diào)用基類的公有成員函數(shù)。在以上例子中，就是調(diào)用基類的getArea函數(shù)，而不是派生類的getArea函數(shù)。這種調(diào)用關(guān)系的確定，也是在編譯的過程中完成的，屬于靜態(tài)聯(lián)編，而不屬于運行時的多態(tài)。

2311.3虛函數(shù)和運行時的多態(tài)

2023/12/2224北京科技大學(xué)11.3虛函數(shù)和運行時的多態(tài)通過指向基類的指針訪問基類和派生類的同名函數(shù)，是實現(xiàn)運行時的多態(tài)的必要條件，但不是全部條件。除此以外，還必須將基類中的同名函數(shù)定義為虛函數(shù)。2511.3.1虛函數(shù)虛函數(shù)可以在類的定義中聲明函數(shù)原型的時候來說明，格式如下：virtual<返回值類型>函數(shù)名(參數(shù)表);在函數(shù)原型中聲明函數(shù)是虛函數(shù)后，具體定義這個函數(shù)時就不需要再說明它是虛函數(shù)了。如果在基類中直接定義同名函數(shù)，定義虛函數(shù)的格式是：virtual<返回值類型>函數(shù)名(參數(shù)表){<函數(shù)體>}2611.3.1虛函數(shù)基類中的同名函數(shù)聲明或定義為虛函數(shù)后，派生類的同名函數(shù)無論是不是用virtual來說明，都將自動地成為虛函數(shù)。從程序可讀性考慮，一般都會在這些函數(shù)的聲明或定義時，用virtual來加以說明。只要對例11.2中的頭文件稍加修改，也就是將基類和派生類中的getArea函數(shù)都聲明為虛函數(shù)，再重新編譯和運行程序，就可以得到運行時的多態(tài)的效果。27

例11.3將例11.2進行修改，使得程序具有運行時的多態(tài)的效果。

//例11.3:shape1.h#ifndefSHAPE_H#defineSHAPE_H

classShape{ public:

virtualdoublegetArea()const; voidprint()const; }; //Shape類定義結(jié)束28

classCircle:publicShape{ public: Circle(int=0,int=0,double=0.0);

virtualdoublegetArea()const; //返回面積

voidprint()const; //輸出Circle類對象tprivate:

intx,y; //圓心座標(biāo)

doubleradius; //圓半徑}; //派生類Circle定義結(jié)束classRectangle:publicShape{ public: Rectangle(int=0,int=0); //構(gòu)造函數(shù)

virtual

doublegetArea()const; //返回面積

voidprint()const; //輸出Rectangle類對象private:

inta,b; //矩形的長和寬}; //派生類Rectangle定義結(jié)束#endif29

例11.2在例11.1所定義的類的基礎(chǔ)上，觀察通過派生類對象地址初始化的基類對象的指針訪問getArea函數(shù)的結(jié)果。

#include<iostream>usingnamespacestd;#include"shape1.h" voidmain(){Shape*shape_ptr;

Circlecircle(22,8,3.5);

Rectanglerectangle(10,10);

shape_ptr=&circle;

cout<<shape_ptr->getArea()<<endl;//動態(tài)聯(lián)編

shape_ptr=&rectangle;

cout<<shape_ptr->getArea()<<endl;//動態(tài)聯(lián)編} circle對象初始化shape_ptr指針訪問的getArea函數(shù)是Circle類的getArea函數(shù)，面積是38.4845rectangle對象初始化shape_ptr指針訪問的getArea函數(shù)是Rectangle類的getArea函數(shù)，面積是1003011.3.1虛函數(shù)這個結(jié)果和例11.2的結(jié)果大不相同。同樣的shape_ptr->getArea()函數(shù)調(diào)用，當(dāng)shape_ptr指針中是Circle類對象地址時，訪問的是Circle類的getArea函數(shù)。而shape_ptr指針中是Rectangle類對象的地址時，訪問的是Rectangle類的getArea函數(shù)。這種方式的函數(shù)調(diào)用，在編譯的時候是不能確定具體調(diào)用哪個函數(shù)的。只有程序運行后，才能知道指針shape_ptr中存放的是什么對象的地址，然后再決定調(diào)用哪個派生類的函數(shù)。是一種運行時決定的多態(tài)性。3111.3.1虛函數(shù)要實現(xiàn)運行時的多態(tài)，需要以下條件：必須通過指向基類對象的指針訪問和基類成員函數(shù)同名的派生類成員函數(shù)；或者用派生類對象初始化的基類對象的引用訪問和基類成員函數(shù)同名的派生類成員函數(shù)；派生類的繼承方式必須是公有繼承；基類中的同名成員函數(shù)必須定義為虛函數(shù)。3211.3.2虛函數(shù)的使用虛函數(shù)必須正確的定義和使用。否則，即使在函數(shù)原型前加了virtual的說明，也可能得不到運行時多態(tài)的特性。必須首先在基類中聲明虛函數(shù)。在多級繼承的情況下，也可以不在最高層的基類中聲明虛函數(shù)。例如在第二層定義的虛函數(shù)，可以和第三層的虛函數(shù)形成動態(tài)聯(lián)編。但是，一般都是在最高層的基類中首先聲明虛函數(shù)。3311.3.2虛函數(shù)的使用基類和派生類的同名函數(shù)，必須函數(shù)名、返回值、參數(shù)表全部相同，才能作為虛函數(shù)來使用。否則，即使函數(shù)用virtual來說明，也不具有虛函數(shù)的行為。靜態(tài)成員函數(shù)不可以聲明為虛函數(shù)。構(gòu)造函數(shù)也不可以聲明為虛函數(shù)。析構(gòu)函數(shù)可以聲明為虛函數(shù)，即可以定義虛析構(gòu)函數(shù)。34

例11.4虛函數(shù)的正確使用。分析以下程序，編譯時哪個語句會出現(xiàn)錯誤？為什么？將有錯誤的語句屏蔽掉以后，程序運行結(jié)果如何？其中哪些調(diào)用是靜態(tài)聯(lián)編，哪些是動態(tài)聯(lián)編？

#include<iostream.h>classBB{public:virtualvoidvf1(){cout<<"BB::vf1被調(diào)用\n";}virtualvoidvf2(){cout<<"BB::vf2被調(diào)用\n";}voidf(){cout<<"BB::f被調(diào)用\n";}};classDD:publicBB{public:virtualvoidvf1(){cout<<"DD::vf1被調(diào)用\n";}voidvf2(inti){cout<<i<<endl;}voidf(){cout<<"DD::f\n被調(diào)用";}};35

voidmain(){DDd;BB*bp=&d;

bp->vf1();

bp->vf2();

bp->vf2(10);

bp->f();}將這個語句注釋掉后，運行結(jié)果將顯示：

DD::vf1被調(diào)用BB::vf2被調(diào)用BB::f被調(diào)用函數(shù)調(diào)用bp->vf2(10);是錯誤的。因為派生類的vf2函數(shù)和基類的vf2函數(shù)的參數(shù)不同，派生類的vf2就不是虛函數(shù)。

其中bp->vf1()調(diào)用是動態(tài)聯(lián)編。bp->vf2()是靜態(tài)聯(lián)編。bp->f()也是靜態(tài)聯(lián)編。

3611.3.3虛析構(gòu)函數(shù)如果用動態(tài)創(chuàng)建的派生類對象的地址初始化基類的指針，創(chuàng)建的過程不會有問題：仍然是先調(diào)用基類構(gòu)造函數(shù)，再執(zhí)行派生類構(gòu)造函數(shù)。但是，在用delete運算符刪除這個指針的時候，由于指針是指向基類的，通過靜態(tài)聯(lián)編，只會調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，釋放基類成員所占用的空間。而派生類成員所占用的空間將不會被釋放。37

#include<iostream>usingnamespacestd;classShape{ public: Shape(){cout<<"Shape類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用\n";} ~Shape(){cout<<"Shape類析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用\n";} }; classCircle:publicShape{ public: Circle(int

xx=0,int

yy=0,doublerr=0.0) {x=xx;y=yy;radius=rr;

cout<<"Circle類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用\n";} ~Circle(){cout<<"Circle類析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用\n";}private:

intx,y;

doubleradius; }; voidmain(){Shape*shape_ptr;shape_ptr=newCircle(3,4,5);deleteshape_ptr;}例11.5定義簡單的Shape類和Circle類，觀察基類指針的創(chuàng)建和釋放時如何調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。程序運行后在屏幕上顯示：Shape類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用Circle類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用Shape類析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用3811.3.3虛析構(gòu)函數(shù)為了解決派生類對象釋放不徹底的問題，必須將基類的析構(gòu)函數(shù)定義為虛析構(gòu)函數(shù)。格式是在析構(gòu)函數(shù)的名字前添加virtual關(guān)鍵字。函數(shù)原型如下：

virtual~Shape();此時，無論派生類析構(gòu)函數(shù)是不是用virtual來說明，也都是虛析構(gòu)函數(shù)。再用deleteshape_ptr來釋放基類指針時，就會通過動態(tài)聯(lián)編調(diào)用派生類的析構(gòu)函數(shù)。3911.3.3虛析構(gòu)函數(shù)將例11.5程序中的~Shape析構(gòu)函數(shù)作以上修改后，運行的結(jié)果將是：

Shape類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用

Circle類構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用

Circle類析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用

Shape類析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用4011.4純虛函數(shù)和抽象類

4111.4純虛函數(shù)和抽象類在前面的幾個例子中，基類Shape本身并不是一個具體的“形狀”的抽象，而是各種實際的“形狀”的抽象。在C++中，對于那些在基類中不需要定義具體的行為的函數(shù)，可以定義為純虛函數(shù)。

對于那些只是反映一類事物公共特