如何理解C++多態(tài)性與虛函數(shù)

這篇文章給大家介紹如何理解C++多態(tài)性與虛函數(shù)，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

派生一個(gè)類的原因并非總是為了繼承或是添加新的成員，有時(shí)是為了重新定義基類的成員，使得基類成員“獲得新生”。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)真正的力量不僅僅是繼承，而且還在于允許派生類對(duì)象像基類對(duì)象一樣處理，其核心機(jī)制就是多態(tài)和動(dòng)態(tài)聯(lián)編。

（一）多態(tài)性

　　多態(tài)是指同樣的消息被不同的對(duì)象接收時(shí)導(dǎo)致不同的行為。所謂消息是指對(duì)類成員函數(shù)的調(diào)用，不同的行為是指的不同的實(shí)現(xiàn)，也就是調(diào)用了不同的函數(shù)。

1）多態(tài)的分類

　　廣義上說(shuō)，多態(tài)性是指一段程序能夠處理多種類型對(duì)象的能力。在C++中，這種多態(tài)性可以通過(guò)重載多態(tài)（函數(shù)和運(yùn)算符重載），強(qiáng)制重載（類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換），類型參數(shù)化多態(tài)（模板）

，包含多態(tài)（繼承與虛函數(shù)）四種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。類型參數(shù)化多態(tài)和包含多態(tài)稱為一般多態(tài)性，是用來(lái)系統(tǒng)地刻畫(huà)語(yǔ)義上相關(guān)的一組類型;重載多態(tài)和強(qiáng)制多態(tài)性稱為特殊多態(tài)性，用來(lái)刻畫(huà)語(yǔ)義上無(wú)關(guān)連的類型間關(guān)系。

　　C++中采用虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)包含多態(tài)。虛函數(shù)為C++提供了更為靈活的多態(tài)機(jī)制，這種多態(tài)性在程序運(yùn)行時(shí)才能夠確定，因此虛函數(shù)是多態(tài)性的精華，至少含有一個(gè)虛函數(shù)的類稱為多態(tài)類。包含多態(tài)在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中使用很頻繁。

2）靜態(tài)聯(lián)編

　　聯(lián)編又稱為綁定，就是將模塊或函數(shù)合并在一起生成可執(zhí)行代碼的處理過(guò)程，同時(shí)對(duì)每個(gè)模塊或函數(shù)分配內(nèi)存地址，對(duì)外部訪問(wèn)也提供正確的內(nèi)存地址。

　　在編譯階段就將函數(shù)實(shí)現(xiàn)與函數(shù)調(diào)用綁定起來(lái)稱為靜態(tài)聯(lián)編。靜態(tài)聯(lián)編在編譯階段就必須了解所有函數(shù)與模塊執(zhí)行所需要的信息，它對(duì)函數(shù)的選擇是基于指向?qū)ο蟮闹羔槪ɑ蛞茫┑念愋?。在C語(yǔ)言中所有的聯(lián)編都是靜態(tài)聯(lián)編;C++中一般情況也是靜態(tài)聯(lián)編。

class Point{　　public:　　　　void area(){cout<<"point";}　　};　　class Circle:public Point{　　public:　　　　void area(){cout<<"circle";}　　};　　Point a; Circle c;　　a.area();   //調(diào)用a.Point::area() 　　c.area();   //調(diào)用c.Circle::area()，名字支配規(guī)則　　Point * pc=&c,&rc=c;  //上篇所講的賦值兼容性規(guī)則　　pc->area();  //調(diào)用pc->Point::area()　　rc.area();   //調(diào)用rc.Point::area()

3）動(dòng)態(tài)聯(lián)編

　　如果程序在運(yùn)行時(shí)候才進(jìn)行函數(shù)實(shí)現(xiàn)和函數(shù)調(diào)用的綁定稱為動(dòng)態(tài)聯(lián)編。以上面的例子為例，在編譯時(shí)如果只根據(jù)兼容性規(guī)則檢查它的合理性，即檢查它是否符合派生類對(duì)象地址可以賦值給基類指針變量的條件。至于pc->area()調(diào)用哪個(gè)函數(shù)等到程序運(yùn)行到這里才做決定。如果希望其調(diào)用Circle::area()，那么需要將Point類的area()函數(shù)指定為虛函數(shù)。定義形式為：

　　virtual void area(){cout<<"point";}

　　當(dāng)編譯器編譯含有虛函數(shù)的類時(shí)候，將為他建立一個(gè)虛函數(shù)表VTABLE，它相當(dāng)于一個(gè)指針數(shù)組，存放每一個(gè)虛函數(shù)的入口地址。編譯器為該類增減一個(gè)額外的數(shù)據(jù)成員，這個(gè)數(shù)據(jù)成員是一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針，稱為vptr。

　　如果派生類沒(méi)有重寫(xiě)這個(gè)虛函數(shù)，則派生類的虛函數(shù)列表里元素指向的地址就是基函數(shù)area()的地址，即派生類僅僅繼承基類的虛函數(shù)

　　如果派生類重新寫(xiě)這個(gè)虛函數(shù)如下：

　　virtual void area() {cout<<"circle";}

　　那么這時(shí)編譯器將派生類虛函數(shù)表里的元素指向Circle::area()

　　 編譯器為含有虛函數(shù)的對(duì)象先建立一個(gè)函數(shù)入口地址，這個(gè)地址用來(lái)存放指向虛函數(shù)表的指針vptr，然后按照類中虛函數(shù)的聲明次序一一填入函數(shù)指針。當(dāng)調(diào)用虛函數(shù)時(shí)候，先通過(guò)vptr找到虛函數(shù)表，然后找出虛函數(shù)真正的地址。

　　派生類能夠繼承基類的虛函數(shù)表，而且只要是和基類同名（參數(shù)也相同）的成員函數(shù)，無(wú)論是否使用virtual聲明，它們都自動(dòng)生成虛函數(shù)。如果派生類沒(méi)有改寫(xiě)繼承基類的虛函數(shù)，則函數(shù)指針將調(diào)用基類的虛函數(shù)。　

（二）虛函數(shù)

1）虛函數(shù)定義

　　虛函數(shù)只是類中的一個(gè)成員函數(shù)，且不能是靜態(tài)的。在成員函數(shù)定義或聲明之前加上關(guān)鍵字virtual，即定義了虛函數(shù)：

class類名{　　　　...　　　　virtual 返回類型 函數(shù)名 （形式參數(shù)列表）//虛函數(shù)　　　　...　　};　　class Point　　{　　　　virtual void area　();    //虛函數(shù)聲明　　　　virtual double volumn(){}  //虛函數(shù)定義　　　};

　　需要注意virtual關(guān)鍵字只在類體中使用。

　　利用虛函數(shù)可以在基類和派生類中使用相同的函數(shù)名定義函數(shù)不同的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)“一個(gè)接口，多種方式”。當(dāng)基類指針或引用對(duì)虛函數(shù)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)運(yùn)行時(shí)指針或引用所指向或引用的實(shí)際對(duì)象來(lái)自動(dòng)確定調(diào)用對(duì)象所在類的虛函數(shù)版本。

2）虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)多態(tài)的條件

　　關(guān)鍵字virtual指示C++編譯器對(duì)調(diào)用虛函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聯(lián)編。這種多態(tài)性是程序運(yùn)行到相應(yīng)語(yǔ)句才動(dòng)態(tài)確定的，稱為運(yùn)行時(shí)的多態(tài)。不過(guò)，使用虛函數(shù)不一定產(chǎn)生多態(tài)性，也不一定使用動(dòng)態(tài)聯(lián)編。例如，在調(diào)用中對(duì)虛函數(shù)使用成員名限定，可以強(qiáng)制C++對(duì)該函數(shù)的調(diào)用使用靜態(tài)聯(lián)編。

　　虛函數(shù)產(chǎn)生運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性必須有2個(gè)條件。

　　a）派生類改寫(xiě)了同名的虛函數(shù)

　　b）根據(jù)賦值兼容性規(guī)則使用指針或引用

Point *p=new Circle;  //基類指針指向派生類　　cout<<p->area();   //動(dòng)態(tài)聯(lián)編　　void fun(Point *p)　　{cout<<p->area();}   //動(dòng)態(tài)聯(lián)編

3）在一個(gè)派生類中，當(dāng)一個(gè)指向基類成員函數(shù)的指針指向一個(gè)虛函數(shù)，并且通過(guò)指向?qū)ο蟮闹羔樆蛞迷L問(wèn)這個(gè)虛函數(shù)時(shí)候?qū)l(fā)生多態(tài)性。

#include<iostream>using namespace std;class Base{public: virtual void print(){cout<<"base"<<endl;}};class Derived :public Base{public: void print(){cout<<"derive"<<endl;}};//void(Base::*pf)();void display(Base *p,void(Base::*pf)()){(p->*pf)();}int main(){ Derived d; Base b; display(&d,&Base::print); display(&b,&Base::print); return 0;}lzb@lzb:~/classic_lib/C++_learning$ g++ 427.cpplzb@lzb:~/classic_lib/C++_learning$ ./a.out derivebase

　　display有兩個(gè)函數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是基類指針，第二個(gè)參數(shù)是指向類成員函數(shù)的指針。display使用基類指針調(diào)用指向成員函數(shù)的指針?biāo)赶虻某蓡T函數(shù)。是調(diào)用基類的虛函數(shù)還是派生類的虛函數(shù)，取決于基類指針指向的對(duì)象。　

補(bǔ)充：

面向?qū)ο蟮娜齻€(gè)特征：封裝、繼承和多態(tài)。

什么是多態(tài)

多態(tài)的意思是一個(gè)事物有多種形態(tài)，英文單詞為polymorphism，向不同的對(duì)象發(fā)送同一個(gè)消息，不同的對(duì)象在接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的行為（方法）。也就是說(shuō)，每個(gè)對(duì)象可以用自己的方式去相應(yīng)共同的消息。

例如函數(shù)的重載、運(yùn)算符的重載都是多態(tài)現(xiàn)象。

一個(gè)生活中的例子，比如學(xué)生開(kāi)學(xué)，校長(zhǎng)發(fā)布一條哪一天開(kāi)學(xué)的信息，不同的對(duì)象會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，學(xué)生就要準(zhǔn)備上學(xué)，家長(zhǎng)要準(zhǔn)備學(xué)費(fèi)，老師也要開(kāi)始備課，學(xué)校食堂開(kāi)始采購(gòu)食材，這就是多態(tài)性，如果沒(méi)有多態(tài)性的話，校長(zhǎng)就需要分別對(duì)學(xué)生、教師和家長(zhǎng)等不同的對(duì)象單獨(dú)發(fā)通知。

在C++中，多態(tài)性表現(xiàn)形式之一是：具有不同功能的函數(shù)可以用同一個(gè)函數(shù)名，這樣就可以實(shí)現(xiàn)用一個(gè)函數(shù)名調(diào)用不同內(nèi)容的函數(shù)。

從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，多態(tài)性分為兩類：靜多態(tài)性和動(dòng)多態(tài)性靜多態(tài)性是通過(guò)函數(shù)重載實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)多態(tài)性是通過(guò)虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

什么是虛函數(shù)

C++中的虛函數(shù)就是用來(lái)解決動(dòng)態(tài)多態(tài)問(wèn)題的，所謂虛函數(shù)，就是在基類聲明函數(shù)是虛擬的，并不是實(shí)際存在的，然后在派生類中才正式定義此函數(shù)，在程序運(yùn)行期間，用指針指向某一派生類對(duì)象，這樣就能調(diào)用指針指向的派生類對(duì)象中的函數(shù)，而不對(duì)調(diào)用其他派生類中的函數(shù)。

關(guān)于如何理解C++多態(tài)性與虛函數(shù)就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。