c++ -- 多态(类）

假期 2020.02.06

学习资源来源于中国MOOC以及c语言中文网

前言

c++之所以是面向对象的是因为该语言既支持类也支持多态，而多态是什么呢？

定义

多态就是同一个操作作用于不同的对象会产生不同的结果。这个操作一般指的是函数的调用等等。
标准定义是对于通过基类指针调用基类和派生类中都有的同名、同参数表的虚函数的语句，编译时并不确定要执行的是基类还是派生类的虚函数；而当程序运行到该语句时，如果基类指针指向的是一个基类对象，则基类的虚函数被调用，如果基类指针指向的是一个派生类对象，则派生类的虚函数被调用。这种机制就叫作“多态（polymorphism）”。
虚函数：在成员函数前加virtual即可生成虚函数。注意虚函数只能在类的内部定义成员函数时使用，不能在类外部写成员函数时使用，构造函数与静态成员都不能是虚函数。
多态类：包含虚函数的类称为“多态类”。

如何构成多态

常判断条件是

有继承关系
继承关系中有同名的虚函数，并且是覆盖关系
存在基类的指针，指向派生类的虚函数，或者引用

那么什么时候声明虚函数呢？

成员函数所在的类是否是基类
成员函数在继承后是否会被新定义或者更改，是的话，需要；否则，不需要。

多态应用

举一个指针类型的例子：
在这里插入图片描述
注意：多态的语句调用哪个类的成员函数是在运行时才能确定的，编译时不能确定。多态的函数调用语句被称为是“动态联编”，而普通的函数调用语句是“静态联编”。

上述程序是通过指针调用的虚函数，而引用也可以实现该功能。如果引用的是基类的对象，则调用的是基类的虚函数，若引用的是派生类的对象，那么调用的是派生类的虚函数。还需注意的是通过基类的指针只能访问从基类继承过去的成员，不能访问派生类新增的成员，即另外添加的函数或者变量成员。

再看一个引用类型的例子
在这里插入图片描述
在基类中没有添加virtual会发现调用的时候，两个都是基类的成员函数，根本没有访问派生类的成员函数。显然，通过基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。为了消除这种困境，让基类指针能够访问派生类的成员函数，C++ 增加了虚函数。

再看修改后的引用结果

在这里插入图片描述
这里用到一个简便方式，如果派生类中出现覆盖函数，那么只需要在基类中将被覆盖函数定义为虚函数即可，那么编译时会默认派生类中的函数也为虚函数。

注意：

当基类中有虚函数，但是派生类没有定义覆盖函数，那么调用该函数时，将使用基类的虚函数。
构造函数不能是虚函数。对于基类的构造函数，它仅仅是在派生类构造函数中被调用，这种机制不同于继承。
析构函数可以声明为虚函数。

对于为什么构造函数不能设置成虚函数的原因，本贾尼·斯特劳斯特卢普(C++语言之父)说道：虚函数调用是在部分信息下完成工作的机制，允许我们只知道接口而不知道对象的确切类型。要创建一个对象，你需要知道对象的完整信息。特别是，你需要知道你想要创建的确切类型。因此，构造函数不应该被定义为虚函数。

多态中的特殊例子：

在这里插入图片描述
以上程序中，因为class B中没有fun1，因此调用基类函数fun1，但fun1函数调用fun2函数使用的是B中的覆盖函数，与前面B的指针有关。

纯虚函数与抽象类

纯虚函数不含有函数实体，只有声明。在虚函数声明的结尾加上=0，表明此函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类成为抽象类，因为他无法实例化，无法创建对象。
例如：

virtual 返回值类型 函数名(函数参数） = 0;

程序

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
protected:
	int a;
public:
	virtual int aa() = 0;//纯虚函数
	virtual void ab() = 0;
};
class B :public A {
protected:
	int b1;
	int b2;
public:
	B(int _i,int _n):b1(_i),b2(_n){ }
	int aa() {//定义两个虚函数的实体
		return b1 * b2;
	}
	void ab() {
		cout << "第二个虚函数被调用" << endl;
	}
};
class C :public A {
protected:
	int c;
public:
	C(int _i):c(_i){ }
	int aa() {//定义两个虚函数的实体
		return c;
	}
	void ab() {
		cout << "第二个虚函数被调用" << endl;
	}
};
int main()
{
	C t(2);
	cout << t.aa() << endl;
	t.ab();
	B tq(2, 3);
	cout << tq.aa() << endl;
	tq.ab();
	return 0;
}

执行结果
在这里插入图片描述
分析：A 类不需要被实例化，但也不能直接用来定义类的对象，但是它为派生类提供了“约束条件”，派生类必须要实现这两个函数，才能使用这两个函数。即如果一个类从抽象类派生而来，那么当且仅当它实现了基类中的所有纯虚函数，它才能成为非抽象类。

简单说来就是基类只是提供一个简要的框架，具体内容需要派生类自己去完善自己需要的部分。

注意：

只要包含纯虚函数的类就都是抽象类
虚函数只能在类中才能被声明为纯虚函数
在抽象类的成员函数内可以调用纯虚函数，但是在构造函数或析构函数内部不能调用纯虚函数。

几何体处理程序

在这里插入图片描述

#include<iostream>
using namespace std;
constexpr auto PAI = 3.14159265;
int MyCompare(const void* s1, const void* s2);
class shape {
public:
	virtual double aera() = 0;//虚函数
	virtual void print() = 0;
};
class retangle :public shape {
public:
	double width, length;
	double aera() { return width * length; }
	void print() { cout << "retangle:" << aera() << endl; }
};
class circle :public shape {
public:
	int r;
	double aera() { return PAI* r* r; }
	void print() { cout << "circle:" << aera() << endl; }
};
class triangle :public shape {
public:
	int a, b, c;
	double aera() {
		double temp = (a + b + c) / 2;
		return sqrt(temp * (temp - a) * (temp - b) * (temp - c));
	}
	void print() { cout << "triangle:" << aera() << endl; }
};
int MyCompare(const void* s1, const void* s2) {
	double a1, a2; 
	shape** p1 = (shape**)s1; //s1,s2指向shape数组中的元素，数组元素的类型是shape * 
	shape** p2 = (shape**)s2; // 故 p1,p2都是指向指针的指针，类型为 shape ** 
	a1 = (*p1)->aera(); // * p1 的类型是 shape * ,是基类指针，故此句为多态 
	a2 = (*p2)->aera();
	if( a1 < a2 ) 
		return -1;
	else 
		return 1;
}
int main()
{
	shape* sh[100];
	retangle* ptr;
	circle* pc;
	triangle* pt;
	int n;
	cin >> n;
	for(int i = 0; i <  n; i++)
	{
		char c;
		cin >> c;
		switch (c) {
			case 'R':
				ptr = new  retangle;
				cin >> ptr->width >> ptr->length;
				sh[i] = ptr;
				break;
			case 'C':
				pc = new circle;
				cin >> pc->r;
				sh[i] = pc;
				break;
			case 'T':
				pt = new triangle;
				cin >> pt->a >> pt->b >> pt->c;
				sh[i] = pt;
				break;
		}
	}
	qsort(sh, n, sizeof(shape*), MyCompare);
	for (int i = 0; i < n; i++)
		sh[i]->print();
	return 0;
}

执行效果
在这里插入图片描述
分析：用基类指针数组存放指向各种派生类对象的指针，然后遍历该数组，就能对各个派生类对象做各种操作，是很常用的做法。

比较好的一个处理是：派生类中和基类中虚函数同名同参数表的函数，不加virtual也自动成为虚函数。

虚函数的访问权限

在这里插入图片描述
分析：存在编译错误的原因是私有成员不可访问，即使我们访问的是该函数的覆盖函数，因为语法检查是不考虑运行结果的。解决方案是将private换成public即可通过。

多态的实现原理

动态联编定义：“多态”的关键在于通过基类指针或引用调用一个虚函数时，编译时不确定到底调用的是基类还是派生类的函数，运行时才确定。

示例
在这里插入图片描述
我们会发现每一个输出的字节数中都比原来的大4（32位时），其实这是因为每一个虚函数类都有一个虚函数边，该类的任何对象中都放着虚函数边的指针，即存着表的地址。这列的虚函数暂时不用考虑内存空间，因为还没有进行实体定义。
多态的函数调用语句被编译成一系列根据基类指针所指向的（或基类引用所引用的）对象中存放的虚函数表的地址，在虚函数表中查找虚函数地址，
并调用虚函数的指令。

虚析构函数

通过基类的指针删除派生类对象时，通常情况下只调用基类的析构函数。但是，删除一个派生类的对象时，应该先调用派生类的析构函数，然后调用基类的析构函数。
解决办法：把基类的析构函数声明为virtual  派生类的析构函数可以virtual不进行声明。通过基类的指针删除派生类对象时，首先调用派生类的析构函数，然后调用基类的析构函数
一般来说，一个类如果定义了虚函数，则应该将析构函数也定义成虚函数。或者，一个类打算作为基类使用，也应该将析构函数定义成虚函数。

如果是一个基类，那通常情况下需要将析构函数定义成虚函数，这样子，他会先调用派生函数的析构函数，然后在调用基类析构函数，达到释放两者的目的。

德林恩宝

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