董正言 面向对象++程序设计第九章

9.2 虚函数和动态绑定
使用虚函数实现多态调用(1)
• 第8章的例8.11试图创建一个通用的函数displayShapeArea，用来输 出各种图形的面积 ，代码如下：
void displayShapeArea(Shape *s) //函数的参数为基类的指针 { cout<<"图形的面积为:"<<s->area()<<endl;//通过基类指针只能调用基类中定义的成员函 } void main() { Shape *s1,*s2,*s3; //定义基类的指针 Circle c(10.0); Rectangle r(15.0,10.0); Cylinder cy(10.0,20.0); s1=&c; //基类指针指向派生类对象 s2=&r; //基类指针指向派生类对象 s3=&cy; //基类指针指向派生类对象 displayShapeArea(s1); displayShapeArea(s2); displayShapeArea(s3); }
用类的成员函数实现运算符重载
• 当运算符重载函数被定义为类的成员函数时，声明和定义的语法格式如下： 在类中声明运算符重载函数(类的成员函数) ： 返回值类型 operator 运算符 (形参列表)； 定义运算符重载函数(类的成员函数) ： 返回值类型 类名::operator 运算符 (形参列表) { 函数体； }
使用虚函数实现多态调用(2)
• 程序中用3个Shape类的指针s1、s2、s3分别引用Circle类、Rectangle 类和Cylinder类的对象c、r和cy，并用s1、s2、s3作参数分别调用函数 displayShapeArea。但程序的运行结果并没有如期望的一样输出3个不 同对象的面积。这是因为虽然可以用基类指针引用派生类对象，但是 通过这些指针只能调用在基类中定义的成员函数。那么当基类指针指 向派生类对象时，能否通过基类的指针调用派生类中定义的成员函数 呢？解决问题的方法是将成员函数声明为虚函数。 • 声明虚成员函数的语法格式如下： virtual 返回值类型 成员函数名(型参列表)； • 如果在基类中声明虚成员函数，则在所有派生类中该函数都是虚函数， 即使在派生类中声明该函数时没有使用关键字virtual。 • 当使用基类指针或引用调用虚成员函数时，实际调用的是指针指向的 具体对象所属类中定义(覆盖)的成员函数。这种函数调用方式称为多态 调用。
• C++中现有的绝大多数运算符只能以基本数据类型的量作 为其操作的对象。运算符重载就是要给现有的运算符赋予 新的功能，使其可以操作类的对象。 • 运算符重载的本质是函数重载。如果为某个类设计了运算 符op的重载函数，则当使用op操作该类的对象时，编译 器将调用运算符重载函数完成操作任务。 • 由于运算符重载函数的调用方式是静态绑定，所以可以将 运算符重载称之为编译期多态。
第九章 多态
本章要点
• • • • • 什么是多态 虚函数和动态绑定 纯虚函数和抽象类 编译期多态―运算符重载 运行时类型识别(RTTI)
9.1 什么是多态
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在面向对象程序设计技术中，简单地说，多态是指给不同类型的对象发送相 同的消息时，这些不同类型的对象会做出不同的反应，产生不同的行为，导 致不同的结果。 具体而言，多态性是指：在由继承形成的类家族的各个类中可以存在具有相 同名称的方法，这些同名的方法在不同类中的具体行为各不相同；当使用基 类的引用变量或指针引用不同的派生类对象时，如果给它们发送相同的消息， 请求它们执行同名的方法，则根据对象实际所属的类，在程序运行时动态地 选用在该类中定义的方法，不同类的对象响应消息的具体行为各不相同。 例如对于描述几何图形的类家族，每个图形类中都有计算面积的方法；当利 用向上转型技术，使用基类Shape的指针引用派生类对象，并通过该指针调 用计算面积的方法时，根据该对象所属的类型，在程序运行过程中动态地来 选用相应类中的方法来计算具体图形的面积；若该对象是一个圆类的对象， 则应该选取圆类中计算面积的方法；若该对象是一个矩形，则应该选用矩形 类中计算面积的方法；这就是所谓的“运行时多态” 。 利用多态技术，可以使用通用的语句形式来处理不同类的对象。多态机制不 仅可以增加程序设计的灵活性，而且使编程者不必过多地考虑具体类型实现 方法的细节，从而设计出通用于于各种不同类型的“一般化”程序。这种一 般化的程序具有更好的可读性、可重用性和可扩充性。 在C++语言中，多态性是通过类的虚成员函数实现的；动态绑定技术为使用 虚函数提供了保证；而对象的向上转型则是实现多态的必要条件。
形参列表中是运算符的操作对象，需要注意，因为被定义为是类的成员函数，所以参 数的个数应该比运算符实际的操作数个数少一个，因为调用函数的对象本身就是运算 符的一个操作数。例如，如果为A类重载了加法运算符“+”，用来完成两个A类对象的 相加操作，且运算符重载函数为类的成员函数，则函数的声明语句为： A operator+ (A a); 执行下面的语句时将调用这个运算符重载函数： a3=a1+a2; 其中，a1、a2、a3都是A类的对象，而这条语句等价于下面的语句： a3=a1.operator+(a2);
例9.1 修改l例8.11中的程序，将Shape类的成员函数area声 明为虚函数。并对其进行多态调用。
使用虚函数实现多态调用(3)
• 注意：虚函数的声明应该放在基类中，如果只在派生类中 将成员函数声明为虚函数，则即使基类指针实际指向的是 派生类的对象，也不能通过该指针调用派生类中的虚成员 函数。例如，如果在上例中没有将Shape类中的area函数 声明为虚函数，而将其派生类Circle和Rectangle中的area 声明为虚函数，则再次运行程序后，仍然不能得到预期的 结果 。 • 如果想在某个类层次中实现多态，则应该在这个层次中的 基类里声明虚函数。
例9.3 随机地创建图形派生类对象，并使用基类指针对该对 象的虚成员函数进行多态调用。
题目要求： （1）本例中将定义一个函数creatOneShape，该函数根据一个随机产生的整数 值，在程序运行过程中动态地创建派生类的对象，并返回一个指向该对象的 Shape类指针。 （2）随机整数通过调用C++库函数rand产生，随机整数的范围是0到2，当产生 的随机整数为0时，函数creatOneShape将动态创建一个Circle类的对象；当产 生的随机整数为1时，函数creatOneShape将动态创建一个Rectangle类的对象； 当产生的随机整数为2时，函数creatOneShape将动态创建一个Cylinder类的对 象。 （3）在main函数中将使用函数creatOneShape返回的对象指针作为参数调用函 数displayShapeArea输出图形的相关信息和面积值。 问题分析：由于本例中的对象是在程序运行期动态产生的，所以在程序编译期是 无法确定对象类型的。也就是说，在程序编译期，编译器无法根据对象类型对虚 函数displayInfo的调用进行静态绑定；而通过程序的运行结果，可以看到，实 际上程序对虚函数displayInfo进行的是多态调用。所以对虚函数的调用必须使 用动态绑定技术。
例9.2 在某个类的层次中利用虚函数实现多态 。
பைடு நூலகம்
虚函数和动态绑定
• 为什么只有虚成员函数才能实现多态调用呢？这是由编译器处理函数 调用的方式决定的。非虚函数的调用方式为静态绑定，而虚函数的调 用方式为动态绑定。 • 绑定是指将函数调用和实际的函数相连接的过程。分为静态绑定和动 态绑定。 • 静态绑定是在程序编译时，就确定要调用的函数，并用函数的相对地 址直接调用函数，所以静态绑定又被称为编译期绑定或前期绑定。 C++中所有的非虚函数都使用静态绑定方式进行调用，对于类的非虚 成员函数而言，当该函数被调用时，编译器将根据调用该函数的对象、 指针或引用的类型决定应该调用哪个类中的成员函数。 • 动态绑定是指，在程序编译期无法确定要调用的函数，在程序的运行 过程中，根据调用函数的指针或引用变量所引用的对象的具体类型动 态地确定要调用的函数。所以动态绑定又被称为运行期绑定或后期绑 定。C++中的虚成员函数使用动态绑定方式进行调用。 • 下例修改例9.1中的程序，进一步阐明如何使用动态绑定和虚函数来 实现运行时多态。
例9.5 为Time类重载二元运算符“+”、一元前置自加运算 符“++”、一元后置自加运算符“++”。其中二元运算符“+” 用来将两个时间相加得到一个新的时间值；一元自加运算符 “++”用来将当前时间加1秒钟 。
声明虚函数时，应注意以下几点
• 不能将类的静态成员函数声明为虚函数 ； • 不能将类的构造函数声明为虚函数； • 应该把类的析构函数声明为虚函。
9.3 纯虚函数和抽象类
• 例9.3的Shape类中声明了虚函数area和displayInfo，分别用来计算图形的 面积和显示具体图形的相关信息。在Shape类中实现这两个函数几乎是毫无 意义的，因为Shape本身是一个抽象的概念，并不代表任何具体的图形，所 以也无从计算它的面积和输出与具体图形相关的信息。通常可以将这样的函 数声明为纯虚函数。声明纯虚函数的语法格式如下： virtual 返回值类型 函数名(形参列表) = 0； C++允许不为纯虚函数提供具体的实现。而包含了纯虚函数的类称为抽象 类。C++规定不能创建抽象类的实例(对象)。 抽象类的派生类应该为其继承的纯虚函数提供具体的实现，否则它们也包 含了纯虚函数，变成了抽象类。 虽然不能声明抽象基类的实例，但是仍然可以声明抽象基类的指针，并利用 向上转型技术令其引用派生类的对象。例如下面的语句是合法的。 Shape ptr； Circle c; ptr=&c;
C++对于运算符重载的几点限定