C++程序设计第12章 多态性和虚函数教学课件.ppt

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1、C+程序设计第12章 多态性和虚函数教学课件C+程序设计标准课件第十四章 多态性和虚函数http:/ 本章内容提要 一、多态性 二、虚函数 三、纯虚函数与抽象类3http:/ 12.1 多态性 三、纯虚函数与抽象类 二、虚函数一、多态性4http:/ 12.1.1 多态性的概念 多态可以理解为在不同的情况下采取不同的行为。之前介绍过的重载就是多态的一种表现。无论是函数重载还是运算符重载都是在编译期和预处理期体现其多态性，又称静态多态性。而虚函数则是在运行时体现其多态性，又称动态多态性。它都会自动匹配相应的函数来完成相应的计算，这里就体现出了多态带来的好处和方便。多态性、数据抽象和继承体现了C+

2、作为面向对象程序设计语言的3个重要特征。多态性更多地强调了类型的概念，而不是简单地隐藏代码细节。它带来了一个接口多个方法的思想。例如，运算符“+”。不管是使用整型、单精度浮点型、双精度浮点型或者其他数据类型，5http:/ 12.1.2 函数、模板和宏的多态性 函数的多态是通过重载来实现的。重载函数之间函数名相同，但形参列表不同。调用被重载的函数时，通过形参列表来判断调用哪个函数。这个过程在编译时完成。【例12-1】函数的重载。#include using namespace std;int function(int a,int b)return a+b;int型形参，另一个函数有3个int型

3、形参。需要注意的是，形参列表一定不能相同，不然就是重定义，是错误的。运行结果为：int function(int a,int b,int c)return a+b+c;int main()cout function(1,2,3)endl;cout function(1,2);return 0;在【例12-1】中，函数function被重载，其中一个函数有2个6http:/ 12.1.2 函数、模板和宏的多态性 函数模板的多态性体现在根据传入参数的不同，选择匹配多个同名函数模板中的一个。这个过程由编译器实现。【例12-2】函数模板的多态性。#includeusing namespace std;

4、templatevoid function(A f)cout函数模板1endl;int型形参，另一个函数有3个int型形参。需要注意的是，形参列表一定不能相同，不然就是重定义，是错误的。运行结果为：templatevoid function(int f)cout函数模板2endl;int main()function(10);function(test);function(10.1);return 0;7http:/ 12.1.2 函数、模板和宏的多态性 宏的多态性体现在不同的情况下，其宏替代的含义不同。这些在预处理期间完成。【例12-3】宏的多态性。#define ADD(x,y)(x)+(

5、y)#includeusing namespace std;int main()coutADD(2,3)endl;/替换为(2)+(3)运行结果为：cout2*ADD(2,3)endl;/替换为2*(2)+(3)return 0;8http:/ 12.1.3 动态多态实例 在学习了类的派生之后，我们通常会将有相同性质的多个类作为同一个基类的派生类。每个派生类有其功能函数。我们常常需要根据实际情况来使用不同基类的功能函数。通过动态多态可以方便地实现该目的。【例12-4】向上类型转换。#include using namespace std;class Pet;int main()Pet*poin

6、t;Pet a;Dog b;point=&a;point-function();point=&b;point-function();return 0;运行结果：public:void function()cout Pet:function endl;class Dog:public Petpublic:void function(cout Dog:function endl;9http:/ 12.1.3 动态多态实例 说明：向上类型转换是指取一个派生类对象的地址（指针或引用）并将其作为基类的地址来处理。【例12-4】中使用基类指针分别指向了基类Pet的对象a和派生类Dog的对象b，并通过指针分

7、别调用它们的function函数。但是这里并没有达到目的，两次调用的都是基类中的function函数。另一种方法是使用虚函数，使用C+的多态性。将基类中的function函数声明为虚函数，就可以达到这个目的。要解决这个问题有两个办法。一是使用派生类指针指向派生类对象b，这样就能调用b中的function函数。但这个方法显然不方便，当有多个派生类时，判断是哪种派生类很麻烦，而且扩展性也不好，当有新的派生类加入时，就要重新编写判断的代码。10http:/ 12.1.3 动态多态实例 【例12-5】初探虚函数。#include using namespace std;class Petpublic:

8、virtual void function()cout Pet:function function();return 0;运行结果：void function()/对于虚函数的重写，不需要重复声明virtual关键字 cout Dog:function function();11http:/ 12.1.3 动态多态实例 C+中通过virtual关键字定义虚函数。方法如下。virtual 函数名(形参列表);例如：virtual int function();virtual void function1(int a,int b);需要注意的是，在派生类中对虚函数进行重写时，要求其函数名、形参列表

9、、返回类型完全相同，否则就是一个全新的函数。只要在基类中定义了虚函数，这个函数在所有的派生类中都是虚函数，不用重新强调。也可以在派生类中在该函数的声明前添加virtual关键字，这是合法的，但显得多余。12http:/ 12.2 虚函数 一、多态性 二、虚函数 三、纯虚函数与抽象类13http:/ 12.2.1 虚函数的作用 虚函数在使程序更加方便和易用的同时，也实现了类的扩展性和可维护性。【例12-6】虚函数带来的扩展性。/头文件main.h/其中数据为虚构#include using namespace std;class Petpublic:virtual void life()clas

10、s Cat:public Petpublic:void life()cout Cat life 15-20 endl;/cpp文件main.cpp#include main.hint main()Pet*point;Pet a;Dog b;cout Pet endl;class Dog:public Petpublic:void life()/对于虚函数的重写/，不需要重复声明/virtual cout Dog life 13-18 life();point=&b;point-life();point=&c;point-life();return 0;运行结果：class Bird:publi

11、c Pet void life()cout bird life 10-16 endl;注意：【例12-6】中包含两个程序文件，一个是头文件main.h，一个是cpp文件main.cpp，读者在编译时需加以注意。如果想后期对【例12-6】中的代码进行扩展，增加类Bird，那么只需要在头文件中声明派生类Bird即可，并且在main函数中就可以对其进行向上类型转换并调用其life函数。例如：15http:/ 12.2.2 动态关联 将函数体与函数调用进行联系称为关联。在程序进行编译时就完成的关联称为静态关联，在学习虚函数之前的关联都是静态关联。静态关联示意图如图12-7所示。在程序运行时进行的关联称

12、为动态关联。C+中通过一种机制来实现动态关联。图12-7 静态关联16http:/ 二、动态关联 C+中通过virtual关键字判断是否启用动态关联机制。动态关联机制过程都是由编译器来完成的。编译器会在每一个含有虚函数的类中创建一个表VTABLE，用于放置该类所有虚函数的地址，同时会创建一个指针VPOINTER（缩写为VPTR）指向表VTABLE。在程序运行到需要动态关联时，程序取得这个指针，然后在VTABLE上找到相应虚函数的地址并进行调用。上述过程的示意图如图12-8所示。图12-8 VPTR和VTABLE17http:/ 二、动态关联【例12-7】验证VPTR指针。#include us

13、ing namespace std;class Test1public:int x;void function()/定义函数，函数不执行任何代码;class Test2public:int x;virtual void function()/定义函数，函数不执行任何代码;class Test3public:int x;virtual void function()virtual void function2();int main()cout sizeof(Test1)endl;cout sizeof(Test2)endl;cout sizeof(Test3)endl;return 0;18ht

14、tp:/ 二、动态关联运行结果：表VTABLE中存放着类中的所有虚函数，如果是个派生类且其中没有对基类的某个虚函数进行重写，那么VTABLE中会记录基类中该虚函数的地址 一个int型变量是4字节，在【例12-7】中，类Test2的大小为8字节，其中相对于类Test1多出来的4字节就是VPTR。类Test3和类Test2占用相同大小的内存，说明含有虚函数的类中只有一个VPTR指针，与虚函数的数量无关。19http:/ 12.2.3虚析构函数 虚析构函数类似于虚函数的效果，当删除（delete）基类指针指向的派生类对象时，应该调用派生类的析构函数才能避免内存泄漏。通过将析构函数写成虚函数即虚析构函

15、数可以达到该目的。【例12-9】虚析构函数。#includeusing namespace std;class Pet int a;int main()coutsizeof(Pet)endlsizeof(Dog)endl;/输出类型长度 Pet*point=new Dog;delete point;return 0;public:virtual Pet()coutPetendl;class Dog:public Pet int a;public:Dog()/不需要重复/使用virtual coutDogendl;20http:/ 12.2.3 虚析构函数运行结果为：如果一个类需要被继承，建议把

16、基类中的析构函数写成虚析构函数。只要基类中的析构函数是虚函数，则其所有派生类的析构函数都是虚函数。通过【例12-9】可以发现，程序调用了派生类Dog中的析构函数，从而避免了内存泄漏。同时我们也可以看到VPTR的存在。21http:/ 12.3 纯虚函数与抽象类 一、多态性 三、纯虚函数与抽象类 二、虚函数22http:/ 12.3.1 纯虚函数 在许多情况下，在基类中不能对虚函数给出有意义的实现，而把它声明为纯虚函数，它的实现留给该基类的派生类完成。这就是纯虚函数的作用。纯虚函数的声明方法为在虚函数后面加上“=0”。例如：virtual void function()=0;virtual in

17、t function1()=0;当在基类中定义一个虚函数仅仅是为了在派生类中重写时，应该将该虚函数定义为纯虚函数。纯虚函数的作用就是在该类的VTABLE表中保留一个位子而不放地址，这时VTABLE表是不完整的。C+不允许将VTABLE表不完整的类实体化。带有纯虚函数的类即为抽象类。抽象类不可以创建对象，编译器会阻止这种操作。抽象类的派生类要实现它的所有纯虚函数，否则该派生类也是抽象类。纯虚函数拥有很强的抽象性。23http:/ 12.2.3 从抽象类派生具体类 从抽象类中派生具体类要求派生类定义抽象类中的所有虚函数，然后才能对该派生类实例化。如果派生类只实现了抽象类中的部分虚函数，那么该派生类

18、依然是抽象类，且不能对该抽象类实例化。#include using namespace std;class Petvirtual void function1()=0;virtual void function2()=0;class Dog:public Petvoid function1()cout Dog:function1 endl;24http:/ 12.3.2 从抽象类派生具体类 void function2()cout Cat:function2 function1();return 0;生类定义中都能使用时，可以使用纯虚定义。【例12-12】纯虚定义。#include using namespace std;class Petpublic:virtual void function1()=0;void Pet:function1()/纯虚定义 cout Pet:function1 endl;26