多态类与抽象类.ppt

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1、第10章多态类与抽象类10.1虚函数与多态类在在一一个个类类中中用用关关键键字字virtual 说说明明的的成成员员函函数数称称为为虚虚函函数数。定定义义了了虚虚函函数的类称为多态类。纯虚函数原型语句格式如下数的类称为多态类。纯虚函数原型语句格式如下：virtual 类型类型 函数名（参数表）；函数名（参数表）；在在基基类类中中某某个个成成员员函函数数被被声声明明为为虚虚函函数数后后，这这个个成成员员函函数数通通常常要要在在派派生生类类中中被被重重新新定定义义。定定义义一一个个虚虚函函数数的的目目的的是是为为了了在在程程序序运运行行时时自自动动选选择择各各派派生生类类中中的的重重定定义义版版本

2、本，所所以以一一个个多多态态的的基基类类一一定定要要定定义义一一个个以以上上的派生类才有意义。的派生类才有意义。在在派派生生类类中中重重新新定定义义虚虚函函数数时时，其其函函数数原原型型（包包括括返返回回值值类类型型、函函数数名名、参参数数个个数数、参参数数类类型型及及顺顺序序）必必须须与与基基类类中中的的原原型型完完全全相相同同。否否则则编译时会出错或被当作函数重载处理。编译时会出错或被当作函数重载处理。一一个个指指向向基基类类的的指指针针可可以以指指向向它它的的公公有有继继承承的的派派生生类类。定定义义虚虚函函数数的的目目的的就就是是想想统统一一用用一一个个基基类类对对象象指指针针去去访访

3、问问不不同同派派生生类类中中虚虚函函数数的的重重定定义代码。义代码。1 虚函数的概念和定义虚函数的概念和定义#includeclass Poultry public:virtual void can_fly()/虚函数定义虚函数定义 coutYes!I can.endl;class Cock:public Poultrypublic:void can_fly()/虚函数重定义虚函数重定义 coutYes!I can.But I cant fly high.endl;class Duck:public Poultrypublic:void can_fly()/虚函数重定义虚函数重定义 coutN

4、o!I cant.But I can swimming.can_fly();ptr=&aCock;ptr-can_fly();ptr=&aDuck;ptr-can_fly();aCock.can_fly();aDuck.can_fly();例10.1多态类与虚函数访问程序输出：程序输出：Yes!I can.Yes!I can.But I cant fly high.No!I cant.But I can swimming.Yes!I can.But I cant fly high.No!I cant.But I can swimming.以以上上运运行行结结果果表表明明，只只要要把把派派生生类

5、类对对象象的的地地址址传传递递给给基基类类指指针针，就就可可以以直直接接使使用用基基类类指指针针调调用用派派生生类类中中虚虚函函数数的的重重定定义义版版本本，与与通通过过派派生生类类对对象象名名调调用用该该函函数数有有相相同同的的执执行行结结果果。虚虚函函数数的的引引入入，使使类类似似ptr-can_fly();这这样样的的函函数数调调用用语语句句有有了了动动态态选选择择执执行行代代码码的的智智能能。这这一一点点是是通通过过动动态态绑绑定定技术实现的。技术实现的。2动态绑定及其实现技术所所谓谓绑绑定定（binding）是是指指编编译译程程序序将将源源程程序序中中的的函函数数调调用用语语句句与与

6、该该函函数数的的执执行行代代码码联联系系在在一一起起的的过过程程。换换句句话话说说，绑绑定定就就是是让让函函数数调调用用语语句句找找到到它它要要执执行行的的代代码码。在在非非面面向向对对象象程程序序设设计计语语言言中中，绑绑定定过过程程都都是是静静态态的的，也也就就是是说说，所所有有的的绑绑定定都都是是在在编编译译期期完完成成的的。静静态态绑绑定定的的函函数数调调用用语语句句有有唯唯一一确确定的语义，不可能具有多态性。定的语义，不可能具有多态性。动态绑定是通过虚函数表实现的。动态绑定是通过虚函数表实现的。对对于于含含有有虚虚函函数数的的多多态态类类，编编译译器器为为每每个个对对象象生生成成一一

7、个个虚虚表表指指针针。即即在在每每个个对对象象的的内内存存映映像像中中增增加加了了一一个个_vfptr指指针针，它它指指向向一一个个虚虚函函数数表表vtable。在在基基类类的的虚虚函函数数表表中中列列出出基基类类所所有有虚虚函函数数的的入入口口地地址址，在在派派生生类类的的虚虚函函数数表表中中列列出出派派生生类类的的所有虚函数的入口地址。所有虚函数的入口地址。例10.2非多态类与重定义函数的调用#includeclass Memberpublic:void answer()coutI am a member.n;class Teacher:public Memberpublic:void a

8、nswer()coutI am a teacher.n;class Student:public Memberpublic:void answer()coutanswer();Who=&aTeacher;Who-answer();Who=&aStudent;Who-answer();这这个个程程序序将将输输出出以以下下三三行行相相同同的的结结果果，没没有有出出现现程程序序设设计计者者期待的多态性！期待的多态性！I am a member.I am a member.I am a member.这这是是由由于于函函数数answer()不不是是一一个个虚虚函函数数，所所有有对对它它的的调调用用语语

9、句句都都是是静静态态绑绑定定的的，即即三三个个Who-answer()；调调用用执执行行的的是同样的代码。是同样的代码。例10.3多态点类定义及测试#includeclass Pointprotected:int x,y;public:Point(int a,int b)x=a;y=b;virtual void print()cout(“x”,”y”)”endl;virtual void forward(int d);class Point_3d:public Point int z;public:Point_3d(int a,int b,int c):Point(a,b)z=c;virtua

10、l void print()cout“x”,”y”,”z”print();ptr=&d2;ptr-print();ptr-forward(5);ptr=&d1;ptr-print();ptr=&d2;ptr-print();程序运行结果程序运行结果(2,4)1,3,5(2,4)6,8,10有无虚函数时对象内存映象对比Point对象d1（无虚函数）xyPoint_3d对象d2基类子对象xyzPoint对象d1（有虚函数）_vfptr xyPoint_3d对象d2基类子对象_vfptr xyzPoint:print()Point:forward()Point_3d:print()Point_3d:

11、forward()0202虚函数动态绑定的调用步骤 首先为多态类的基类声明一个指针变量，首先为多态类的基类声明一个指针变量，然后让这个指针变量指向此多态类继承树中某然后让这个指针变量指向此多态类继承树中某一个类的对象。由于基类指针指向对象内存映一个类的对象。由于基类指针指向对象内存映像的首地址，它直接访问的是该对象的虚表指像的首地址，它直接访问的是该对象的虚表指针，下一步由具体对象的虚表指针就可以访问针，下一步由具体对象的虚表指针就可以访问到该对象所在的类中为虚函数定义的那一份代到该对象所在的类中为虚函数定义的那一份代码。码。虚函数调用的汇编语言代码说说明明：1.函函数数forward()的的

12、参参数数表表中中实实际际上上有有两两个个参参数数(*this,int),C+函函数数调调用用时时参参数数按按从从右右到到左左的的次次序序入入栈栈。this 指指针针指指向向obj的的首首地地址址。由由汇汇编编代代码码可可以以看看到到，this指针是用指针是用si寄存器实现的。寄存器实现的。2.mov bx,word ptrsi 将将虚虚函函数数表地址表地址(_vfptr)装入寄存器装入寄存器bx3.call word ptrbx+2 调调用用forward()函函数数，forward()函函数数在在虚虚函函数数表中地址偏移量为表中地址偏移量为24.调调用用返返回回后后，add sp,4 将将参

13、参数数清栈。清栈。设函数设函数func()定义如下：定义如下：func(Point&obj)obj.forward(5);语句语句obj.forward(5)编译产生的汇编代码：编译产生的汇编代码：push 5push simov bx,word ptrsicall word ptrbx+2add sp,4虚函数与消息调用动动态态绑绑定定的的目目的的是是为为程程序序引引入入消消息息机机制制。程程序序用用指指针针形形式式实实现的虚函数调用就是消息调用。现的虚函数调用就是消息调用。引引发发消消息息调调用用的的人人机机交交互互操操作作或或某某一一对对象象的的状状态态改改变变统统称称消消息事件。息事件

14、。不不同同的的消消息息由由消消息息名名区区分分。消消息息调调用用可可以以携携带带多多个个不不同同的的参参数数，其其中中第第一一个个（隐隐含含）参参数数是是消消息息指指针针，即即定定义义该该消消息息的的基基类类指指针针，消消息息调调用用时时该该指指针针指指向向接接收收消消息息的的对对象象（即即以以接接收收消消息息的的对对象象的的内内存存映映像像地地址址为为实实参参）。不不同同的的消消息息接接收收者者对对同同一一消消息息调调用用执执行行不不同同的的代代码码，做做出出不不同同的的响响应应。例例如如在在WINDOWS系系统统中中，鼠鼠标标单单击击事事件件引引发发一一条条消消息息调调用用，接接收收消消息

15、息的的可可能能是是窗窗体体，某某个个按按钮钮或或者者某某一一菜菜单单项项，系系统统将将根根据据鼠标击中的位置分别做出相应的反应。鼠标击中的位置分别做出相应的反应。虚函数应用举例1“一个接口，多种实现一个接口，多种实现”前前面面曾曾经经提提到到，类类的的公公开开成成员员函函数数可可以以看看作作类类封封装装体体向向外外界界提提供供的的接接口口，虚虚函函数数的的引引入入使使得得基基类类和和它它的的派派生生类类有有了了一一个个共共同同的的接接口口。这这种种“一一个个接接口口，多多种种实实现现”概概念念所所体体现现的的动动态态多多分分支支选选择择机机制制为为面面向向对对象象系系统统提提供供了了控控制制更

16、更大大复复杂杂性性的的能能力力。在在下下面面例例10.4的的程程序序中中，类类Circle、Triangle、Rectangle具具有有相相同同的的接口接口area()，但有各自不同的实现方法。但有各自不同的实现方法。例10.4利用虚函数求平面图形的面积1#includeconst double PI=3.1416;class Figureprotected:double a,b;public:Figure(double x,double y=0)a=x;b=y;virtual void area()coutCant define area for an abstraction figuree

17、ndl;class Circle:public Figure public:Circle(double x):Figure(x)virtual void area()coutCircle with radius a has an area of PI*a*aendl;例10.4利用虚函数求平面图形的面积2class Triangle:public Figure public:Triangle(double x,double y):Figure(x,y)virtual void area()coutTriangle with base a and high b has an area of 0.

18、5*a*bendl;class Rectangle:public Figure public:Rectangle(double x,double y):Figure(x,y)virtual void area()coutRectangle with lenth a and width b has an area of a*barea();p=&obj_t;p-area();p=&obj_r;p-area();程序运行结果：程序运行结果：Circle with radius 10 has an area of 314.16Triangle with base 10 and high 5 has

19、an area of 25Rectangle with lenth 12 and width 6 has an area of 72虚函数应用举例22 多态数据结构多态数据结构堆堆栈栈、队队列列、链链表表等等数数据据结结构构中中的的数数据据通通常常都都是是单单一一类类型型的的。利利用用类类的的多多态态性性，可可以以构构造造异异质质的的数数据据结结构构，即即数数据据单单元元由由不不同同类类的的对对象象组组成成的的结结构构。例例如如，一一个个可可以以压压入入不不同同（长长度度）对对象象的的堆堆栈栈。多多态态数数据据结结构构是是面面向向对对象象的的数数据据库库、多多媒媒体体数数据据库库的的数数据据存

20、存储储基基础础。例例10.5的的程程序序中中定定义义了了基基类类Phone和和它它三三个个派派生生类类BP_user、Fax_user、Mobile_user,它它们们分分别别代代表表拥拥有有不不同同通通信信设设备备的的人人员员，这这几几个个类类具具有有两两个个共共同同的的接接口口：insert()和和print()。基基类类和和派派生生类类各各自自的的实实现现代代码码能能正正确确地地创创建建和和打打印印自自己己的的对对象象。能能够够使使用用相相同同的的对对象象指指针针是是这这几几个个类类的的对对象象的的“异异”中中之之“同同”，正正是是这这种种共共性性，使使他们能够进入同一个数据结构他们能够

21、进入同一个数据结构链表中。链表中。例10.5多态（异质）链表实现。1#include#includeclass Phone friend class List;protected:char name20;char cityNo5;char phoneNo10;static Phone*ptr;Phone*next;public:Phone(char*,char*,char*);virtual void insert();virtual void print();class BP_user:public Phone char server10;char call10;public:BP_user

22、(char*,char*,char*,char*,char*);void print();/重新定义重新定义 void insert();/重新定义重新定义;class Fax_user:public Phone char fax10;public:Fax_user(char*,char*,char*,char*);void print();/重新定义重新定义 void insert();/重新定义重新定义;class Mobile_user:public Phone char mobileNo12;public:Mobile_user(char*,char*,char*,char*);voi

23、d print();/重新定义重新定义 void insert();/重新定义重新定义;例10.5多态（异质）链表实现。2/以下是以下是Phone及其派生类的实现部分及其派生类的实现部分Phone:Phone(char*name,char*cityNo,char*phoneNo)Strcpy(Phone:name,name);strcpy(Phone:cityNo,cityNo);strcpy(Phone:phoneNo,phoneNo);next=NULL;class List Phone*head;/链表头指针链表头指针public:List()head=0;void insert_nod

24、e(Phone*node);/插入一个对象插入一个对象 void remove(char*name);/删除一个对象删除一个对象void print_list();/打印链表打印链表;例10.5多态（异质）链表实现。3BP_user:BP_user(char*name,char*cityNo,char*phoneNo,char*server,char*call):Phone(name,cityNo,phoneNo)strcpy(BP_user:server,server);strcpy(BP_user:call,call);Fax_user:Fax_user(char*name,char*ci

25、tyNo,char*phoneNo,char*fax):Phone(name,cityNo,phoneNo)strcpy(Fax_user:fax,fax);Mobile_user:Mobile_user(char*name,char*cityNo,char*phoneNo,char*mobileNo):Phone(name,cityNo,phoneNo)strcpy(Mobile_user:mobileNo,mobileNo);例10.5多态（异质）链表实现。4void Phone:insert()ptr=new Phone(name,cityNo,phoneNo);void BP_user

26、:insert()ptr=new BP_user(name,cityNo,phoneNo,server,call);void Fax_user:insert()ptr=new Fax_user(name,cityNo,phoneNo,fax);void Mobile_user:insert()ptr=new Mobile_user(name,cityNo,phoneNo,mobileNo);例10.5多态（异质）链表实现。5void Phone:print()coutendlName:name Phone:cityNo-phoneNoendl;void BP_user:print()Phone

27、:print();coutBP:server-callendl;void Fax_user:print()Phone:print();coutFax:faxendl;void Mobile_user:print()Phone:print();coutMobile phone number:mobileNoname);/以待插入对象的姓名作为关键字以待插入对象的姓名作为关键字Phone*current_node=head;Phone*last_node=NULL;while(current_node!=0&strcmp(current_node-name,key)next;node-insert

28、();/虚函数调用将待插入对象赋给虚函数调用将待插入对象赋给ptr指向的单元指向的单元node-ptr-next=current_node;/插入链中插入链中if(last_node=0)head=node-ptr;else last_node-next=node-ptr;void List:remove(char*name)/按姓名删除链表中一个对象按姓名删除链表中一个对象 Phone*current_node=head;Phone*last_node=NULL;while(current_node!=0&strcmp(current_node-name,name)!=0)last_node

29、=current_node;current_node=current_node-next;if(current_node!=0&last_node=0)/若为链首元素若为链首元素 head=current_node-next;delete current_node;else if(current_node!=0&last_node!=0)/若为链非首元素若为链非首元素 last_node-next=current_node-next;delete current_node;void List:print_list()Phone*current=head;while(current!=0)cur

30、rent-print();current=current-next;例10.5多态（异质）链表实现。7Phone*Phone:ptr=0;void main()List people;Phone p1(Chen Kun,0851,3871186);Phone p2(A Zhi Gu Li,0991,4847191);Mobile_user p3(Zhang Zhiming,0851,6855441,13037863048);BP_user p4(Du Yajun,028,7722974,96960,2833955);Fax_user p5(Liang Tiao,023,65105787,651

31、06879);people.insert_node(&p1);people.insert_node(&p2);people.insert_node(&p3);people.insert_node(&p4);people.insert_node(&p5);coutendlNow there are five recoreds in the people object of class List:endl;people.print_list();people.remove(A Zhi Gu Li);people.remove(Chen Kun);coutendlAfter remove two r

32、ecoreds from the people object of class List:print()调用，调用，current为指向当前对象的指针。为指向当前对象的指针。例10.5多态（异质）链表实现。910.2纯虚函数与抽象类纯纯虚虚函函数数是是在在基基类类中中只只有有说说明明而而没没有有实实现现定定义义的的虚虚函函数数，它它的的任任何何派派生类都必须定义自己的实现版本。生类都必须定义自己的实现版本。普普通通的的虚虚函函数数在在派派生生类类中中可可以以不不重重新新定定义义。此此时时指指向向派派生生类类对对象象的的指指针调用该函数时调用的是基类中定义的版本。针调用该函数时调用的是基类中定义

33、的版本。纯虚函数定义形式：纯虚函数定义形式：virtual 类型类型 函数名（参数表）函数名（参数表）=0；例例如如：在在例例10.4中中对对于于从从Circle、Triangle、Rectangle抽抽象象出出的的公公共共基基类类Figure，求面积的运算是无实际意义的：求面积的运算是无实际意义的：virtual void area()coutCant define area for an abstraction figureendl;去去掉掉其其内内联联函函数数定定义义（即即花花括括号号）部部分分后后show_area()就就变变成成了了纯纯虚虚函函数。数。1 纯虚函数纯虚函数纯虚函数的实

34、现通通过过将将虚虚函函数数声声明明为为纯纯虚虚函函数数，类类的的设设计计者者强强迫迫它它的的所所有有派派生生类类都都必必须须定定义义自自己己的的方方法法实实现现版版本本。如如果果某某一一派派生生类类没没有有给给予予出出自自己己的的实实现现版版本而又企图创建它的对象，则将发生编译错误。本而又企图创建它的对象，则将发生编译错误。基基类类中中的的虚虚函函数数到到底底是是否否设设计计成成纯纯虚虚函函数数取取决决于于基基类类中中的的虚虚函函数数是是否否能能给给出出合合理理的的定定义义。如如定定义义一一个个四四边边形形类类为为正正方方形形、矩矩形形、棱棱形形、梯梯形形，平平行行四四边边形形等等平平面面图图

35、形形类类的的公公共共基基类类，它它的的求求周周长长函函数数可可定定义义为为边边长长循循环环相相加加。各各具具体体类类求求周周长长函函数数可可定定义义效效率率更更高高的的实实现现方方法法如如正正方方形形、棱棱形形用用边边长长*4，矩矩形形用用（长长+宽宽）*2，等等等等。当当一一个个函函数数说说明明定定义义为为虚虚函函数数后后，若若派派生生类类没没有有对对它它进进行行重重定定义义，可可以以使使用用基基类类提提供供的的缺缺省省定定义义。若若定定义义为为纯纯虚虚函函数数，就就没没有有这这种种缺缺省省定定义义，这这样样，当当不不同同派派生生类类中中重重定定义义代代码码完完全全相相同同时时，必必须须重重

36、复复书书写写。所所以以，尽尽管管四四边边形形类类中中求求周周长长的的算算法法效效率率不不高高，也也应应该该给给予予出出它它的的定定义义，而而不不要要将将它它设设计计为为纯纯虚虚函函数数。反反之之，只只有有当当求求“图图形形”面面积积这这种种对对于于基基类类不不可可能能给给出出缺缺省省定定义义的的函函数数，定定义义为虚函数才是合理的。为虚函数才是合理的。2抽象类的概念和定义从从概概念念上上讲讲，抽抽象象类类是是表表示示一一组组具具有有某某些些共共性性的的具具体体类类的的公公共共特特征征的的类。相对于具体类，它表示更高层次的抽象概念。类。相对于具体类，它表示更高层次的抽象概念。从从语语法法上上讲讲

37、，含含有有纯纯虚虚函函数数的的类类称称为为抽抽象象类类。抽抽象象类类中中除除了了纯纯虚虚函函数数外还可以包括其它函数。外还可以包括其它函数。抽抽象象类类只只能能用用来来作作为为派派生生其其它它类类的的基基类类，而而不不能能创创建建抽抽象象类类的的对对象象。即即抽抽象象类类只只能能通通过过它它的的派派生生类类来来实实例例化化。某某个个抽抽象象类类的的派派生生类类又又称称为为它它的实现类。的实现类。抽抽象象类类不不能能用用来来作作为为参参数数类类型型、函函数数返返回回类类型型、显显式式转转换换类类型型。可可以以声声明明指指向向抽抽象象类类的的指指针针和和引引用用，指指向向抽抽象象类类的的指指针针可

38、可以以指指向向它它的的派派生生类类以以支支持持运运行行时时的的多多态态性性。例例如如：对对于于例例10.4中中的的Figure类类，经经过过修修改改area()函数为纯虚函数而成为抽象类：函数为纯虚函数而成为抽象类：class Figure public:virtual void area()=0;根据抽象类的概念和语法，判断以下语句的正误：根据抽象类的概念和语法，判断以下语句的正误：Figure a;/错，不能创建抽象类的对象错，不能创建抽象类的对象Figure*ptr;/对，可以声明指向抽象类的指针对，可以声明指向抽象类的指针Figure function1();/错，抽象类不能作为函数返

39、回类型错，抽象类不能作为函数返回类型void function2(Figure);/错，抽象类不能作为函数参数类型错，抽象类不能作为函数参数类型Figure&function3(Figure&);/对，可以声明指向抽象类的引用对，可以声明指向抽象类的引用例10.6用抽象类实现的菜单程序1#includeclass Menupublic:virtual void action()=0;class Item1:public Menupublic:virtual void action()coutDo something for create a new fileendlendl;class Ite

40、m2:public Menupublic:virtual void action()coutopen a old file to read or writeendlendl;例10.6用抽象类实现的菜单程序2class Item3:public Menupublic:virtual void action()coutsave file to diskendlendl;class Item4:public Menupublic:virtual void action()coutsave to another fileendlendl;class Item5:public Menupublic:v

41、irtual void action()coutprint fileendlendl;void main()int select;Menu*fptr5;fptr0=new Item1;fptr1=new Item2;fptr2=new Item3;fptr3=new Item4;fptr4=new Item5;docout1 new fileendl;cout2 open fileendl;cout3 new fileendl;cout4 save to another fileendl;cout5 print fileendl;cout0 exitendlselect;if(select=1

42、&selectaction();while(select!=0);例10.6用抽象类实现的菜单程序3小结：小结：从从语语法法上上看看，抽抽象象类类是是一一种种特特殊殊的的多多态态类类，具具有有动动态态的多态性。的多态性。比比起起多多态态类类来来，它它更更侧侧重重于于表表达达类类的的抽抽象象层层次次。抽抽象象类类和和它它的的实实现现类类的的关关系系虽虽然然也也是是一一种种继继承承关关系系，但但这这种种继继承承与与第第8章章讲讲的的继继承承有有一一种种质质的的区区别别。非非抽抽象象类类的的继继承承着着眼眼点点在在于于代代码码重重用用，称称为为类类继继承承，抽抽象象类类的的继继承承着着眼眼点点在在于于为为一一组组具具有有某某些些共共性性的的具具体体类类提提供供统统一一的的访访问问接接口口，称称为为接接口口继继承。接口继承的目的是为复杂对象提供构造基础。承。接口继承的目的是为复杂对象提供构造基础。