第六章多态性与虚函数PPT讲稿.ppt

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1、第六章多态性与虚函数第1页，共80页，编辑于2022年，星期三封装性和继承性为软件设计提供了可靠的安全性和良好的结构层次。在此基础上，多态性使软件中的对象行为更加符合软件所模拟的客观世界中对象行为的多样性，为软件设计中的功能实现和任务调度提供了灵活性。多态性是指当不同的对象收到相同的消息时产生不同的动作。即调用同一个函数名，可以根据需调用同一个函数名，可以根据需要，实现不同的功能。要，实现不同的功能。C+支持两种多态性：编译时多态性和运行时多态性。本章所叙述的内容是运行时多态性的工作机制和实现方法。第2页，共80页，编辑于2022年，星期三编译时多态性：又称静态多态，是指在编译阶段根指在编译阶

2、段根据函数名和参数确定应该调用哪一个函数，据函数名和参数确定应该调用哪一个函数，其过程称为静态关联或早期关联静态关联或早期关联。运行时多态性：又称为动态多态性，是指在编译阶是指在编译阶段根据函数名和参数无法确定应该调用哪一个函数，段根据函数名和参数无法确定应该调用哪一个函数，必须在程序的执行过程中，必须在程序的执行过程中，根据具体的执行情况来根据具体的执行情况来动态地确定。动态地确定。这种关联称为动态关联或后期关联动态关联或后期关联。实现的途径是：继承和虚函数。只使用编译时多态性机制的程序设计只能称为基于对象（Object Based）的程序设计，使用了运行时多态性机制，才能称为是面向对象（O

3、bject Oriented）的程序设计。第3页，共80页，编辑于2022年，星期三所谓运行多态性是相对与编译多态性而言的。二者的共同作用是实现对象行为的多样性，但在实现方法上和对程序运行控制的作用上有着很大的不同。1 编译多态性的局限性由于编译多态性是通过函数重载实现的，因此对象行为的确定（函数的运行绑定）只能由编译器根据程序源代码的安排在编译过程中实现。这样实现的对象行为多样性虽然具有良好的可读性，但在控制程序运行和对象行为多样性方面存在着局限性：6.1 运行多态性第4页，共80页，编辑于2022年，星期三 对象行为的多样性必须是预先确定可知的，程序运行的控制必须是预先规划固定的，因此只能

4、解决软件所模拟的客观世界中那些可以预先确定和控制的事件的实现。调用重载函数的不同版本（确定对象行为的多样性）是依据参数（个数和类型）的差别实现的（派生类对基类同名、同参数成员函数的覆盖除外），即发送给不同对象的消息并不完全一致。从这一点分析，编译多态性所实现的并非完备意义上的多态性，即不同对象接收到同一函数调用（函数名和参数完全一致），表现出不同的行为。第5页，共80页，编辑于2022年，星期三2 运行多态性要实现的目标运行多态性要实现的目标是在保持编译多态性所能实现的功能的基础上，克服编译多态性的局限性：能根据程序运行中状态的变化，动态确定接收函数调用的对象和对象行为的多样性，使得软件能够实

5、现所模拟的客观世界中那些无法预先确定事件的发生和完成。完全相同的函数调用（函数名和参数完全一致）能够触发（调用）不同类对象的特定行为，从而实现完备意义的多态性，使得复杂的对象行为控制变得更加简单、统一。第6页，共80页，编辑于2022年，星期三3 运行多态性的实现机制使程序具有运行多态性的关键是能否在程序运行期间，根据程序的运行状态，动态地修改程序的运行控制指针。C+（包括C）的编程要素 指针变量为动态多态性提供了基本实现机制，即程序能够在运行期间通过修改指针变量的当前值，动态地确定程序的当前操作和操作所施加的数据（对象）。指针变量分为两种：第7页，共80页，编辑于2022年，星期三 数据指针

6、变量用于动态确定操作数据，即通过指针而不是使用数据变量名访问数据变量。其定义格式为：数据类型*指针变量名;例如：double*pt;数据指针变量的值是数据空间的首地址，赋值合法性依据是首地址所指示数据的类型。例如：double d;int i;pt=&d;/合法pt=&i;/非法第8页，共80页，编辑于2022年，星期三 函数指针变量用于动态确定操作，即通过指针而不是使用函数名实现函数调用。其定义格式为：返回数据类型(*指针变量名)(参数据类型,);例如：int(*fun)(int,int);函数指针变量的值是函数的调用地址，赋值合法性依据是调用地址所指示的函数类型（函数的返回类型，参数个数、

7、类型和顺序）。例如：int max(int,int);void count(double);fun=max;/合法或fun=&max;fun=count;/非法第9页，共80页，编辑于2022年，星期三在面向对象程序设计中操作和操作所施加的数据是绑定和封装在对象中的。因此，实现动态多态性是在程序运行期间，根据运行状态，动态改变接收同一函数调用的对象，由对象的行为确定操作和操作所施加的数据，从而实现动态地修改程序的运行控制指针。响应同一函数要求被调用的对象成员函数原型（函数名，返回类型，参数个数、类型和顺序）一致，显然这是函数重载所不能支持的。函数指针虽然能够支持动态多态性，但在面向对象程序设计

8、中直接使用函数指针既烦琐又违背面向对象的设计原则。因此必须引入新的编程机制 虚函数。6.2 虚函数第10页，共80页，编辑于2022年，星期三通过指针变量动态确定接收同一函数的对象是实现动态多态性的第一步，首要条件。1 一般对象的指针 一般对象的指针与系统预定义数据的指针，在定义和使用语法上都相同；无派生关系的不同类对象指针之间不允许相互转换，如果强制转换，可能会引起不可预期的结果。例如：6.2.1 对象指针第11页，共80页，编辑于2022年，星期三#include class class1 int a,b;public:class1(int x,int y)a=x;b=y;void sho

9、w()cout my_base-n;cout a b endl;第12页，共80页，编辑于2022年，星期三class class2 int c;public:class2(int x)c=x;void show()cout my_class-n;cout c=c show();ptr=&c2;/错误ptr-show();如果将代码ptr=&c2;修改为ptr=(class1*)&c2;则会引起不可预测的执行结果，例如：my_base-50 50my_base-30 6684136第14页，共80页，编辑于2022年，星期三2 具有派生层次的类对象指针由于派生类是由基类继承定义的，即派生类的对

10、象中总是包含着基类对象部分，并在派生类对象的创建过程中首先被创建。因此，基类对象和派生类对象的首地址所指示的对象类型是向后兼容的，即允许基类指针既可以指向基类对象，也可以指向派生类对象。第15页，共80页，编辑于2022年，星期三使用基类指针时要注意以下几个问题：基类指针可以指向该基类的公有派生类对象，但不能自动指向该基类的私有派生类对象（除非使用强制转换实现）。例如：class base .;class derive:base .;void main(void main()base obj1,*ptr;derive obj2;ptr=&obj1;ptr=&obj2;/不能自动指向其私有派生类

11、对象，但可 /强制转换，例如ptr=(base*)&obj2。第16页，共80页，编辑于2022年，星期三子类型子类型 如果一个特定的类型S，当且仅当它提供了类型T的行为时，则称类型S S是类型是类型T T的的子类型子类型。子类型体现了类型间的一般与特殊的关系。子类型体现了类型间的一般与特殊的关系。在C+中，子子类类型型的概念是通通过过公公有有继继承承（或公有派生）来实现实现的。根据继承方式的概念，我们知道，按公有继承的方式产生的派生类中，必然包含了原来基类中的全部成员。因此，一个公有派生类的对象可以提供其基类对象的全部行为（基类的全部接口），也就是说，在在程程序序中中可可以以把把一一个个公公

12、有有派派生生类类对对象象当当作作其其基基类类对对象象来来处处理。理。TS公有继承第17页，共80页，编辑于2022年，星期三例例：子类型的概念及实现示例。#include class A /定义类Aprivate:int a;public:A(int i=0)a=i;void print();void A:print()coutIn class A,print()is called.Show();basep-Show()基类指针基类指针派生类对象派生类对象基类对象基类对象第24页，共80页，编辑于2022年，星期三class Pointfloat x,y;public:Point()Point

13、(float i,float j)x=i;y=j;float area(void)return 0.0;const float Pi=3.14159;class Circle:public Point/类类Point的派生类的派生类float radius;public:Circle(float r)radius=r;float area(void)return Pi*radius*radius;void main(void)Point*pp;/基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针 Circle c(5.4321);pp=&c;coutare

14、a()Show()Base*basep;basep=&b;basep=&d;basep-Show();即指向派生类新增的成员函数即指向派生类新增的成员函数需要将基类中的需要将基类中的Show()说明为虚函数说明为虚函数第30页，共80页，编辑于2022年，星期三class Point float x,y;public:Point()Point(float i,float j)x=i;y=j;virtual float area(void)return 0.0;const float Pi=3.14159;class Circle:public Point/类类Point的派生类的派生类floa

15、t radius;public:Circle(float r)radius=r;float area(void)return Pi*radius*radius;void main(void)Point*pp;/基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针 Circle c(5.4321);pp=&c;coutarea()endl;/调用虚函数调用虚函数将将area()声明为虚函数，编译器对其进行动态聚束，按照实际对象声明为虚函数，编译器对其进行动态聚束，按照实际对象c调用了调用了Circle中的函数中的函数area()。使。使Point类中的类中的a

16、rea()与与Circle类中的类中的area()有一个统一的接口。有一个统一的接口。输出：输出：92.7011声明为虚函数声明为虚函数调用虚函数调用虚函数虚函数再定义虚函数再定义第31页，共80页，编辑于2022年，星期三#include class base public:virtual void who()cout basen;/定义虚函数virtual void show()cout “properties of base:n;/定义虚函数；class first:public base public:void who()cout the first derivationn;/重新定义

17、虚函数;第32页，共80页，编辑于2022年，星期三class second:public firstpublic:void who()cout who();/调用base 类的who()版本ptr-show();/调用base 类的show()版本ptr=&obj2;ptr-who();/调用first 类的who()版本ptr-show();/调用base 类的show()版本第34页，共80页，编辑于2022年，星期三ptr=&obj3;ptr-who();/调用second 类的who()版本ptr-show();/调用base 类的show()版本return 0;执行结果：base

18、properties of base:the first derivationproperties of base:the second derivationproperties of base:第35页，共80页，编辑于2022年，星期三得到上述理想的动态多态性结果的原因是：定义了虚函数的基类增加了一个存放虚函数调用地址函数指针表virtual table，该表的大小取决于虚函数的个数，该表的首地址由基类的内部指针vptr 指示。在派生层次中的各个派生类会从基类中直接或间接继承虚函数指针表virtual table 和指针vptr。如果虚函数在派生类被重新定义，则virtual table

19、中的调用地址将被重新定义虚函数的调用地址替换，否则仍然使用直接基类虚函数的调用地址。第36页，共80页，编辑于2022年，星期三 调用虚函数的运行绑定是由基类指针动态指向派生层次中某个类的对象，通过该对象的内部指针vptr 所指示的virtual table 中的相应调用地址实现的。下图示意了虚函数的定义和调用绑定关系：第37页，共80页，编辑于2022年，星期三第38页，共80页，编辑于2022年，星期三2 虚函数与重载函数的区别 虚函数的首次定义和重新定义实际上是在类派生定义层次中的同名函数覆盖定义。因此，虚函数的首次定义必须在基类中，重新定义只能在基类的不同派生类中，而不能发生在同一类定

20、义中，也不能是全局函数。而函数重载既可以发生在同一类定义中，也可以是全局函数。第39页，共80页，编辑于2022年，星期三 函数重载必须具有相同的函数名和不同的参数（个数、类型或顺序）。而函数的返回类型不是区别重载函数不同版本的标志，但如果两个函数只是返回类型不同，则会导致二义性错误。而虚函数重新定义必须保持与基类中的虚函数原型（返回类型、函数名、参数类型以及个数和顺序）完全一致，否则会产生两种情况：如果仅返回类型不同，则会导致二义性错误。如果仅函数名相同，而函数的参数有所不同，则系统会将该函数作为一般的重载函数处理，从而失去虚函数特性。第40页，共80页，编辑于2022年，星期三归纳虚函数的

21、定义和使用应注意下几点：在基类中，使用virtual 可以将其public 或protected部分的成员函数声明为虚函数。派生类对基类中声明的虚函数进行重新定义时，关键字virtual 可以忽略。但为了增强程序的可读性，有时在派生类定义中，虚函数重定义时也使用关键字virtual。虚函数被重新定义时，其函数原型与基类中的虚函数原型必须完全相同。第41页，共80页，编辑于2022年，星期三 在一个派生类层次结构中定义了虚函数后，就允许在执行过程中，动态改变基类指针所指向的该基类派生的不同类对象，从而调用由虚函数确定的统一接口的不同操作版本。显然，虚函数充分体现了面向对象程序设计的动态多态性。使

22、用对象名和点运算符的方式也可以调用虚函数的不同版本，但是这种调用是在编译时实现的静态联编，没有充分利用虚函数的特性。因此，不需要通过基类指针实现运行时多态性调用的成员函数不应该定义为虚函数，避免不必要的内存开销。第42页，共80页，编辑于2022年，星期三class Point float x,y;public:Point()Point(float i,float j)x=i;y=j;virtual float area(void)return 0.0;/声明为虚函数声明为虚函数;const float Pi=3.14159;class Circle:public Point/类类Point的

23、派生类的派生类float radius;public:Circle(float r)radius=r;float area(void)return Pi*radius*radius;/虚函数再定义虚函数再定义;void main(void)Point*pp;/基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针基类指针，可以将派生类对象的地址赋给基类指针 Circle c(5.4321);coutc.area()endl;coutc.Point:area()endl;coutc.Circle:area()endl;输出：输出：92.7011092.7011可见，利用对象名进行调用与一般非虚函数没有区别

24、。可见，利用对象名进行调用与一般非虚函数没有区别。用对象名调用用对象名调用area()第43页，共80页，编辑于2022年，星期三 在派生类中，直接基类的虚函数指针表virtual table总是被自动继承。所以一个虚函数无论被公有继承多少次，它仍然保持其虚函数的特性。因此，虚函数特别适合定义一族类的统一接口。虚函数必须是其所在类的成员函数，而不能是友元函数，也不能是静态成员函数，因为虚函数调用要靠特定的对象来决定应该动态绑定虚函数的哪个版本。但是虚函数可以被声明为另一个类的友元成员。第44页，共80页，编辑于2022年，星期三 构造函数不允许是虚函数，但析构函数可以是虚函数。如果一个基类的析

25、构函数被说明为虚函数，则它的派生类的析构函数也是虚函数（不管它是否用关键字virtual 进行了说明）。虚析构函数的作用是在使用delete 运算符删除一个对象时，能确保析构函数被正确地调用，即使用基类指针，以动态绑定应该被调用析构函数，正确地释放当前基类指针所指向的类对象所占用的空间。例如：第45页，共80页，编辑于2022年，星期三#include class A public:virtual A()cout 调用A:A()endl;class B:public A char*buf;public:B(int i)buf=new chari;virtual B()delete buf;co

26、ut 调用B:B()endl;第46页，共80页，编辑于2022年，星期三void fun(A*a)delete a;void main()A*a=new B(10);fun(a);运行结果：调用B:B()调用A:A()如果A 的析构函数不是虚函数，则输出结果如下：调用A:A()显然，调用A:A()释放B 类对象是不正确的。第47页，共80页，编辑于2022年，星期三例：用于求解三角形、正方形和圆面积的简单程序。1 问题分析：三角形面积：底*高/2 正方形面积：边长*边长 圆面积：半径*半径*归纳这些算法可以抽象出统一的表达式：x*y*C其中C 为常量。对于不同的几何图形，其值不同：三角型：C

27、=正方形：C=1 圆形：C=不难看出，将面积求解设计为不同几何图形的统一接口有利于程序的结构化和灵活性要求。6.2.4 虚函数应用实例第48页，共80页，编辑于2022年，星期三为此，可以设计一个以概念图形类figure 为基类，三角形类triangle、正方形类square 和圆类circles 为figure 的公有派生类的几何图形类族的层次结构。该结构中的各类具有统一的面积求解操作接口，即在figure 中定义一个计算面积的虚函数show_area，其原型（统一接口描述）如下：virtual double show_area();并 在 各 个 派 生 类 中 重 新 定 义 该 虚 函

28、 数show_area 的不同操作版本，使程序可以通过一个基类指针动态选择不同的几何图形对象求解面积的目的。第49页，共80页，编辑于2022年，星期三第50页，共80页，编辑于2022年，星期三例：能在一个链表中保存学生、教师和职员三种不同信息的程序。1.问题分析：链表结构要求组成链表的结点必须具有相同类型的值域，用于保存数据。需要被保存的信息类型是不同的；如何在一个链表中保存不同类型的数据，即设计一个“异质链表”就成为实现问题需求的关键。改变链表结构的基本性质是不可能的，因此解决问题的方法是如何将不同类型数据转换为同一类型族数据，第51页，共80页，编辑于2022年，星期三 归纳学生、教师

29、和职员信息的共性，可以设计一个具有共同信息数据属性的人员结点类person，并以person 为基类公有派生学生结点类student、教师结点类teacher 和职员结点类staff 组成一个人员信息结点类族，并在基类person 中定义将类对象插入链表和显示信息的统一操作接口：virtual void insert();virtual void print();并在student、teacher 和staff 的定义中重新定义insert 和print 的不同操作版本第52页，共80页，编辑于2022年，星期三 设计一个链表类list。其链域指针类型为person类型。使得链表的插入操作可以

30、根据被插入的对象类型不同，动态绑定insert 的不同操作版本，实现将不同类对象插入同一链表的目的。下面的类图描述了各类的属性、行为和类之间的相互关系：第53页，共80页，编辑于2022年，星期三第54页，共80页，编辑于2022年，星期三第55页，共80页，编辑于2022年，星期三第56页，共80页，编辑于2022年，星期三2 详细设计：类设计：基类person类定义：class personfriend class list;/声明链表类list 为友元类protected:char name20;/人员姓名int age;/人员年龄char add40;/人员住址char tele15;

31、/人员电话static person*ptr;/指向被插入对象的指针person*next;/链域指针第57页，共80页，编辑于2022年，星期三public:person(char*name,int age,char*add,char*tele);virtual void print();/显示人员的共同信息virtual void insert()/插入操作;算法描述：print()：使用标准输出流cout 顺序按行输出各类人员的共同信息（姓名name、年龄age、住址add和电话tele）数据和相应的提示信息。insert()：在本类不需要定义任何插入操作。第58页，共80页，编辑于20

32、22年，星期三 派生类student类定义：class student public personfriend class list;int level;float grade_point_averagefloat average;public:student(char*name,int age,char*add,char*teleint level,float grade_point_average);void print();void insert();第59页，共80页，编辑于2022年，星期三算法描述：print()：在调用person:print 显示人员共同信息的基础上，增加学生类

33、student 的新增信息（年级level和平均成绩grade_point_average）和信息提示的显示行。insert()：在堆中动态复制student 类对象，并使插入对象指针ptr 指向堆中的student 类对象。第60页，共80页，编辑于2022年，星期三 派生类teacher类定义：class teacher public personfriend class list;float salary;public:teacher(char*name,int age,char*add,char*tele,float salary);void print();void insert()

34、;第61页，共80页，编辑于2022年，星期三算法描述：print()：在调用person:print 显示人员共同信息的基础上，增加教师类teacher 的新增信息（薪金salary）和信息提示的显示行。insert()：在堆中动态复制teacher 类对象，并使插入对象指针ptr 指向堆中的tacher 类对象。第62页，共80页，编辑于2022年，星期三 派生类staff类定义：class staff:public personfriend class list;float hourly_wages;public:teacher(char*name,int age,char*add,ch

35、ar*tele float hourly_wages);void print();void insert();第63页，共80页，编辑于2022年，星期三算法描述：print()：在调用person:print 显示人员共同信息的基础上，增加职员类staff 的新增信息（计时工资hourly_wages）和信息提示的显示行。insert()：在堆中动态复制staff 类对象，并使插入对象指针ptr 指向堆中的staff 类对象。第64页，共80页，编辑于2022年，星期三 链表类list类定义：class listperson*root;publicpublic:list();void ins

36、ert_person(person*node);void remove(char*name);void print_list();第65页，共80页，编辑于2022年，星期三第66页，共80页，编辑于2022年，星期三第67页，共80页，编辑于2022年，星期三第68页，共80页，编辑于2022年，星期三第69页，共80页，编辑于2022年，星期三6.3.1 纯虚函数和抽象类1 纯虚函数的概念从前面的实例中不难看出，有时定义基类只是描述一种概念，并不与任何具体的有意义的实例相联系。因此这些基类的某些接口函数只须为它的公有派生类提供统一的接口规则，而无须也无法提供具体操作功能。例如，上例中per

37、son 类的插入操作虚函数Insert。6.3 抽象类第70页，共80页，编辑于2022年，星期三所以这类虚函数常常被定义为纯虚函数。纯虚函数的定义形式：virtual type 函数名(参数表)=0;例如：第71页，共80页，编辑于2022年，星期三class shape public:virtual void show()=0;/定义纯虚函数virtual float area()=0;/定义纯虚函数;class rectangles:public shape public:void show();/重新定义虚函数版本float area();/重新定义虚函数版本;第72页，共80页，编辑

38、于2022年，星期三class circles:public shape public:void show();/重新定义虚函数版本float area();/重新定义虚函数版本;第73页，共80页，编辑于2022年，星期三2 抽象类的概念一个类定义中只要有一个纯虚函数，那么该类就是抽象类。抽象类的使用需要注意以下几点：由于纯虚函数没有定义体，即抽象类所描述的对象的某些行为具有不确定性。因此，抽象类不能创建对象，而只能用作为派生其他类的基类。由于抽象类不能创建对象，因此不允许作为参数类型、函数返回类型或强制转换类型；允许定义抽象类指针或引用，用于指向引用抽象类的派生类对象。这与系统void 类

39、型（只能定义指针变量，不能定义数据变量）很相似。例如：第74页，共80页，编辑于2022年，星期三class figurepublic:virtual void draw()=0;figure a;/错误，不能创建抽象类对象figure*ptr;/正确，可以声明指向抽象类的指针figure f();/错误，抽象类不能作为函数的返回类型void g(figure);/错误，抽象类不能作为函数的参数类型figure&h(figure&);/正确，可以声明抽象类的引用第75页，共80页，编辑于2022年，星期三例：设计一个菜单驱动程序，要求每个菜单项的选中操作都会选择一个相应类对象完成对应的功能。1

40、 问题分析 菜单项的选中响应操作具有相似性，因此可以设计一个具有派生层次结构的菜单项类族。类族中的基类base 只是定义了菜单项类的概念，应该定义成抽象类，即类中提供的菜单项响应操作函数function 是一个纯虚函数，描述了菜单项响应操作的统一接口。6.3.2 纯虚函数多态性的实例第76页，共80页，编辑于2022年，星期三 类族中的各个派生类fun1、fun2 和fun3 都从基类base 公有派生，并在各派生类中定义纯虚函数function 的不同操作版本；在主程序中建立一个菜单项选择的循环结构，通过对菜单条目的选择，动态链接不同的菜单项类对象，调用相应的虚函数function 的操作版

41、本，实现相应的功能。第77页，共80页，编辑于2022年，星期三例6-5 实现计算和输出正方体、球、圆柱的表面积和体积的简单程序。1 问题分析 正方体：表面积=边长*边长*6体积=边长*边长*边长 球体：表面积=半径*半径*4体积=半径*半径*半径*4/3 圆柱：表面积=半径*（半径+高）*2体积=半径*半径*高*第78页，共80页，编辑于2022年，星期三第79页，共80页，编辑于2022年，星期三因此，可以设计一个以抽象几何体类container 作为基类的几何体类族派生层次结构。并在基类中定义计算表面积的纯虚函数surface_area 和计算体积的纯虚函数volume。类族中派生类包括正方体类cube、球体类sphere 和圆柱类cylinder，并在各派生类的定义中对纯虚函数surface_area 和volume 的操作进行各自特定的操作定义，从而实现通过基类指针动态引用不同的派生类对象，计算不同几何体的表面积和体积的目的。第80页，共80页，编辑于2022年，星期三