(C++-面向对象程序设计-谭浩强)第12章-多态性与虚函数

第12章多态性与虚函数12.1多态性的概念12.2一个典型的例子12.3虚函数12.4纯虚函数与抽象类12.1多态性的概念多态性(polymorphism)是面向对象程序设计的一个重要特征。利用多态性可以设计和实现一个易于扩展的系统。在C++程序设计中，多态性是指具有不同功能的函数可以用同一个函数名，这样就可以用一个函数名调用不同内容的函数。在面向对象方法中一般是这样表述多态性的:向不同的对象发送同一个消息，不同的对象在接收时会产生不同的行为(即方法)。也就是说，每个对象可以用自己的方式去响应共同的消息。在C++程序设计中，在不同的类中定义了其响应消息的方法，那么使用这些类时，不必考虑它们是什么类型，只要发布消息即可。从系统实现的角度看，多态性分为两类:静态多态性和动态多态性。以前学过的函数重载和运算符重载实现的多态性属于静态多态性，在程序编译时系统就能决定调用的是哪个函数，因此静态多态性又称编译时的多态性。静态多态性是通过函数的重载实现的(运算符重载实质上也是函数重载)。动态多态性是在程序运行过程中才动态地确定操作所针对的对象。它又称运行时的多态性。动态多态性是通过虚函数(virtualfunction)实现的。有关静态多态性的应用已经介绍过了，在本章中主要介绍动态多态性和虚函数。要研究的问题是:当一个基类被继承为不同的派生类时，各派生类可以使用与基类成员相同的成员名，如果在运行时用同一个成员名调用类对象的成员，会调用哪个对象的成员？也就是说，通过继承而产生了相关的不同的派生类，与基类成员同名的成员在不同的派生类中有不同的含义。也可以说，多态性是“一个接口，多种方法”。12.2一个典型的例子下面是一个承上启下的例子。一方面它是有关继承和运算符重载内容的综合应用的例子，通过这个例子可以进一步融会贯通前面所学的内容，另一方面又是作为讨论多态性的一个基础用例。例12.1先建立一个Point(点)类，包含数据成员x,y(坐标点)。以它为基类，派生出一个Circle(圆)类，增加数据成员r(半径)，再以Circle类为直接基类，派生出一个Cylinder(圆柱体)类，再增加数据成员h(高)。要求编写程序，重载运算符“”和“”，使之能用于输出以上类对象。对于一个比较大的程序，应当分成若干步骤进行。先声明基类，再声明派生类，逐级进行，分步调试。声明基类Point类可写出声明基类Point的部分如下:#includeiostream//声明类PointclassPoint{public:Point(floatx=0,floaty=0);//有默认参数的构造函数voidsetPoint(float,float);//设置坐标值floatgetX()const{returnx;}//读x坐标floatgetY()const{returny;}//读y坐标friendostream&operator(ostream&,constPoint&);//重载运算符“”protected://受保护成员floatx,y;};//下面定义Point类的成员函数Point::Point(floata,floatb)//Point的构造函数{x=a;y=b;}//对x,y初始化voidPoint::setPoint(floata,floatb)//设置x和y的坐标值{x=a;y=b;}//为x,y赋新值ostream&operator(ostream&output,constPoint&p){output″[″p.x″,″p.y″]″endl;returnoutput;}//重载运算符“”，使之能输出点的坐标以上完成了基类Point类的声明。现在要对上面写的基类声明进行调试，检查它是否有错，为此要写出main函数。实际上它是一个测试程序。intmain(){Pointp(3.5,6.4);//建立Point类对象pcout″x=″p.getX()″,y=″p.getY()endl;//输出p的坐标值p.setPoint(8.5,6.8);//重新设置p的坐标值cout″p(new):″pendl;//用重载运算符“”输出p点坐标}程序编译通过，运行结果为x=3.5,y=6.4p(new):[8.5,6.8]测试程序检查了基类中各函数的功能，以及运算符重载的作用，证明程序是正确的。(2)声明派生类Circle在上面的基础上，再写出声明派生类Circle的部分：classCircle:publicPoint//circle是Point类的公用派生类{public:Circle(floatx=0,floaty=0,floatr=0);//构造函数voidsetRadius(float);//设置半径值floatgetRadius()const;//读取半径值floatarea()const;//计算圆面积friendostream&operator(ostream&,constCircle&);//重载运算符“”private:floatradius;};//定义构造函数，对圆心坐标和半径初始化Circle::Circle(floata,floatb,floatr):Point(a,b),radius(r){}//设置半径值voidCircle::setRadius(floatr){radius=r;}//读取半径值floatCircle::getRadius()const{returnradius;}//计算圆面积floatCircle::area()const{return3.14159*radius*radius;}//重载运算符“”，使之按规定的形式输出圆的信息ostream&operator(ostream&output,constCircle&c){output″Center=[″c.x″,″c.y″],r=″c.radius″,area=″c.area()endl;returnoutput;}为了测试以上Circle类的定义，可以写出下面的主函数:intmain(){Circlec(3.5,6.4,5.2);//建立Circle类对象c，并给定圆心坐标和半径cout″originalcircle:\\nx=″c.getX()″,y=″c.getY()″,r=″c.getRadius()″,area=″c.area()endl;//输出圆心坐标、半径和面积c.setRadius(7.5);//设置半径值c.setPoint(5,5);//设置圆心坐标值x,ycout″newcircle:\\nc;//用重载运算符“”输出圆对象的信息Point&pRef=c;//pRef是Point类的引用变量，被c初始化cout″pRef:″pRef;//输出pRef的信息return0;}程序编译通过，运行结果为originalcircle:(输出原来的圆的数据)x=3.5,y=6.4,r=5.2,area=84.9486newcircle:(输出修改后的圆的数据)Center=[5,5],r=7.5,area=176.714pRef:[5,5](输出圆的圆心“点”的数据)(3)声明Circle的派生类Cylinder前面已从基类Point派生出Circle类，现在再从Circle派生出Cylinder类。classCylinder:publicCircle//Cylinder是Circle的公用派生类{public:Cylinder(floatx=0,floaty=0,floatr=0,floath=0);//构造函数voidsetHeight(float);//设置圆柱高floatgetHeight()const;//读取圆柱高loatarea()const;//计算圆表面积floatvolume()const;//计算圆柱体积friendostream&operator(ostream&,constCylinder&);//重载运算符”protected:floatheight;//圆柱高};//定义构造函数Cylinder::Cylinder(floata,floatb,floatr,floath):Circle(a,b,r),height(h){}//设置圆柱高voidCylinder::setHeight(floath){height=h;}//读取圆柱高floatCylinder::getHeight()const{returnheight;}//计算圆表面积floatCylinder::area()const{return2*Circle::area()+2*3.14159*radius*height;}//计算圆柱体积floatCylinder::volume()const{returnCircle::area()*height;}ostream&operator(ostream&output,constCylinder&cy){output″Center=[″cy.x″,″cy.y″],r=″cy.radius″,h=″cy.height″\\narea=″cy.area()″,volume=″cy.volume()endl;returnoutput;}//重载运算符“”可以写出下面的主函数:intmain(){Cylindercy1(3.5,6.4,5.2,10);//定义Cylinder类对象cy1cout″\\noriginalcylinder:\\nx=″cy1.getX()″,y=″cy1.getY()″,r=″cy1.getRadius()″,h=″cy1.getHeight()″\\narea=″cy1.area()″,volume=″cy1.volume()endl;//用系统定义的运算符“”输出cy1的数据cy1.setHeight(15);//设置圆柱高cy1.setRadius(7.5);//设置圆半径cy1.setPoint(5,5);//设置圆心坐标值x,ycout″\\nnewcylinder:\\n″cy1;//用重载运算符“”输出cy1的数据Point&pRef=cy1;//pRef是Point类对象的引用变量cout″\\npRefasaPoint:″pRef;//pRef作为一个“点”输出Circle&cRef=cy1;//cRef是Circle类对象的引用变量cout″\\ncRefasaCircle:″cRef;//cRef作为一个“圆”输出return0;}运行结果如下:originalcylinder:(输出cy1的初始值)x=3.5,y=6.4,r=5.2,h=10(圆心坐标x,y。半径r，高h)area=496.623,volume=849.486(圆柱表面积area和体积volume)newcylinder:(输出cy1的新值)Center=[5,5],r=7.5,h=15(以[5,5]形式输出圆心坐标)area=1060.29,volume=2650.72(圆柱表面积area和体积volume)pRefasaPoint:[5,5](pRef作为一个“点”输出)cRefasaCircle:Center=[5,5],r=7.5,area=176.714(cRef作为一个“圆”输出)在本例中存在静态多态性，这是运算符重载引起的。可以看到，在编译时编译系统即可以判定应调用哪个重载运算符函数。稍后将在此基础上讨论动态多态性问题。12.3虚函数12.3.1虚函数的作用在类的继承层次结构中，在不同的层次中可以出现名字相同、参数个数和类型都相同而功能不同