C++的探索路14多态与虚函数之基础篇

Posted 2022-12-09 Guerrouj

Introduction

前几课的内容涉及了类，运算符重载，继承与派生几个基础概念，这一部分将对多态与虚函数进行介绍。

面向对象的程序设计语言具备封装，多态和继承三个基本概念，C++利用这三个基本概念可分别有效地提高程序设计的可读性、可扩充性及可重用性。

类为封装的最直接体现，前三章则对继承与多态进行了介绍。

相对陌生的可能就是多态，但前面章节中的运算符重载就是多态的部分体现。

多态--多种形态：同一名字的事物可以完成不同的功能，依据不同运行形态多态可以细分为编译时的多态以及运行时的多态。

编译时的多态指的是函数的重载（包括运算符重载），而运行时的多态（动态联编）与继承、虚函数等概念相关联。

看一下本章的内容：

为了方便学习，划分为基础篇及高级篇，内容如下

本部分将对基础部分进行介绍。

多态的基本概念

由基类指针实现多态

本部分提到的多态是动态联编的（运行时确定指向）

#include<iostream>
using namespace std;
class A 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "A::Print" << endl;
	
;
class B:public A 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "B::Print" << endl;
	
;
class D :public A 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "D::Print" << endl;
	
;
class E :public B 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "E::Print" << endl;
	
;
int main()

	A a; B b; D d; E e;
	A*pa = &a; B*pb = &b;
	pa->Print();
	pa = pb;
	pa->Print();
	pa = &d;
	pa->Print();
	pa = &e;
	pa->Print();
    return 0;

程序中展示了多态的例子：

A类派生出B和D类，E类继承了B类的东西，同时他们共有虚函数Print()；每个Print函数将打印不同的内容

主程序分别定义了A,B,D,E四个类的对象并分别定义指针pa和pb，在主程序的后部分分别进行不同对象地址的指向进行多态的验证。

第一个pa->Print()将打印A类的内容

将B类地址赋值给A类指针后，将打印B类的内容

以此类推，输出结果应该为

A::Print

B::Print

D::Print

E::Print

这个例子很好的说明了运行时的多态（动态联编），而普通函数的调用语句则是静态联编的。

通过基类引用实现多态

通过基类的引用调用虚函数的语句也是多态的，即通过积累的引用调用积累和派生类的同名、同参数表的虚函数时，若其引用的是一个积累的对象，那么被调用的是基类的虚函数。

class A 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "A::Print" << endl;
	
;
class B :public A 
public:
	virtual void Print() 
		cout << "B::Print" << endl;
	
;
void PrintInfo(A&r) 
	r.Print();

int main() 
	A a; B b;
	PrintInfo(a);
	PrintInfo(b);
	return 0;

该例子与上述区别不大，这部分主要告诉我们，可以通过指针以及引用实现多态。

多态的作用

几何形体程序

编写一个几何形体处理程序，I:几何形体的个数以及形状和参数。

O:面积从小到大依次输出种类及面积，假设几何形体的总个数不超过100个。

例如输入

4

R 3 5

C 9

T 3 4 5

R 2 2

输出

Rectangle:4

Triangle:6

Rectangle:15

Circle:254.34

本题共同需要求不同形体的面积，因此可以定义形体类CShape，以及相应的虚函数输出对应的面积。

由于做的练习不够多，水平太菜；编程过程漏洞百出，先贴出参考代码，明日将首先自己先写一遍，然后进行参考答案的对照书写

#define PI 3.1415
class CShape 
public:
	virtual double Area() 
		return 0;
	;
	virtual void PrintInfo() ;
;
class CRectangle :public CShape 

public:
	double width, height;
	virtual double Area() 
		return width*height;
	
	virtual void PrintInfo()
		cout << "Rectangle: " << Area() << endl;
	
;
class CTriangle :public CShape 

public:
	double a, b, c;
	double perimeter() 
		return (a + b + c)/2.0;
	
	virtual double Area() 
		return sqrt(perimeter()*(perimeter() - a)*(perimeter() - b)*(perimeter() - c));
	
	virtual void PrintInfo() 
		cout << "Triangle: " << Area() << endl;
	
;
class CCircle :public CShape 

public:
	int radius;
	virtual void Init() 
		cin >> radius;
	
	virtual double Area() 
		return PI*radius*radius;
	
	virtual void PrintInfo() 
		cout << "Circle: " << Area() << endl;
	
;
CShape*pShape[100];
int MyCompare(const void*s1, const void*s2) 
	CShape**p1 = (CShape**)s1;
	CShape**p2 = (CShape**)s2;
	double a1 = (*p1)->Area();
	double a2 = (*p2)->Area();
	if (a1 < a2)
		return -1;
	else if (a2 < a1)
		return 1;
	else
		return 0;

int main() 
	int i; int n;
	CRectangle*pr; CCircle *pc; CTriangle *pt;
	cin >> n;
	for (i = 0; i < n; ++i) 
		char c;
		cin >> c;
		switch (c) 
		case 'R':
				pr = new CRectangle();
				cin >> pr -> width>> pr->height;
				pShape[i] = pr;
				break;
		case 'C':
			pc = new CCircle();
			cin >> pc->radius;
			pShape[i] = pc;
			break;
		case 'T':
			pt = new CTriangle();
			cin >> pt->a>>pt->b>>pt->c;
			pShape[i] = pt;
			break;
		
	
	qsort(pShape, n, sizeof(CShape*), MyCompare);
	for (i = 0; i < n; ++i) 
		pShape[i]->PrintInfo();
		delete pShape[i];
	
	return 0;

程序分析：

第一步，定义形体类CShape

并由形体类派生出CCircle,CTriangle,CRectangle三个类

这几个类共有虚函数Area(),PrintInfo()进行相关操作。

第二步，丰富类内部

依据所需要功能进行填充

第三步，完善主函数

首先要提供一个“仓库”给这些派生出来的类中，比如:CShape pShape[100]。

然后依据多态情况，相应调用不同的函数进行初始化赋值。

最后再将多态的类存储在“仓库”中。

定义几个形体类的指针

第四步，进行qsort排序

第五步，顺序打印

多态的实现原理

多态的实现原理是使用了虚函数表，but，我们实际上并没有见过这玩意，但它是事实上存在的

#include<iostream>
using namespace std;
class A 
public:
	int i;
	virtual void func() 
	
	virtual void func2() 
	
;
class B:public A 
	int j;
	virtual void func() 
	
;
int main()

	cout << sizeof(A) << "," << sizeof(B) << endl;
    return 0;

实际上我们不加virtual关键字的时候，将会输出4，8，加了virtual后输出8与12，折4个字节就是是哪多态的关键，位于对象存储空间的最前端，里面存放了虚函数表的地址。

虚函数表虽然提供了编程上的开发效率，但也增加了程序运行的额外开销，一个是四个字节的地址（空间上的开销）另外一个是时间上的额外开销（查表）

多态的注意事项

成员函数中调用虚函数是多态的

class CBase 
public:
	void func1() 
		func2();
	
	virtual void func2() 
		cout << "CBase::func2()" << endl;
	
;
class CDerived :public CBase 
public:
	virtual void func2() 
		cout << "CDerived::func2()" << endl;
	
;
int main() 
	CDerived d;
	d.func1();
	return 0;

由于成员函数调用虚函数为多态，因此，输出内容为CDerived:func2()。func1函数中的func2等价于this->func2()，而this指针为CBase类型；这条调用语句为多态。

在构造函数和析构函数中调用虚函数是非多态的

即编译时可以确定哪个调用哪个。如果本类有该函数，调用本类；如果没有，调用直接基类；如果直接基类没有，调用间接基类。程序如下

class A 
public:
	virtual void hello() 
		cout << "A::hello" << endl;
	
	virtual void bye() 
		cout << "A::bye" << endl;
	
;
class B :public A 
public:
	virtual void hello() 
		cout << "B::hello" << endl;
	
	B() 
		hello();
	
	~B() 
		bye();
	
;
class C :public B 
public:
	virtual void hello() 
		cout << "C::hello" << endl;
	
;
int main() 
	C obj;
	return 0;

本程序包含A,B,C三个类；其中A类包含成员函数void hello()以及void bye()，这两个函数均生命为虚函数，可以对A进行打印操作。

B类由A类派生而来，内含hello()成员函数，以及构造函数与析构函数，构造函数内部调用hello(),析构函数调用bye()。

C类由B类派生而来，内部包含成员函数hello。

主函数中定义了一个C类的对象obj，显然在程序的运行过程中需要经历构造以及析构两个过程。构造过程中，由于C类本身不存在构造函数，回忆调用基类法则，将调用B()进行构造，B()调用的hello为B类对象，所以将打印"B::hello"，由于A类不存在构造函数，所以构造的部分到这一步结束。

下面进行析构，析构时将调用bye()，而B类不存在bye，因此将调用A类的bye()，打印输出A::bye。

如果我们改一下，B类内增加bye()则将打印输出

如果只在A类添加构造函数

	A() 
		hello();
	

程序也将对A()进行构造，并由先父后子的关系，导致A::hello将先输出

以上两个新增的例子更加说明构造和析构是非多态的。

区分多态与非多态的情况

1，成员函数为虚函数则多态

2，基类中某个函数声明为虚函数，派生类中，同名、同参数表自动为多态

class A 
public:
	void func1() 
		cout << "A::func1" << endl;
	
	virtual void func2() 
		cout << "A::func2" << endl;
	
;
class B :public A 
public:
	virtual void func1() 
		cout << "B::func1" << endl;
	
	void func2() 
		cout << "B::func2" << endl;
	
;
class C :public B 
public:
	void func1() 
		cout << "C::func1" << endl;
	
	void func2() 
		cout << "C::func2" << endl;
	
;
int main() 
	C obj;
	A*pa = &obj;
	B*pb = &obj;
	pa->func1();
	pa->func2();
	pb->func1();
	return 0;

该程序定义了A,B,C三个类，A为B的基类，为C类的间接基类，B为C的直接基类；这三个类中均包含func1(),func2()函数，这两个函数均能很好的对指向哪个对象进行很好的打印释义。不同的是func1()函数在A类中没有virtual关键字，而在B类开始出现，func2函数的virtual关键字只在A 类中出现一次。

主程序中定义了C类对象obj以及A类与B类的指针pa和pb，pa与pb均指向C类对象obj。

pa先后调用func1()和func2()，而func1()作为A类对象时是非多态的，所以将打印A::func1。func2()则是多态的，将打印C::func2

pb只调用了func1(),func1()对B类是多态的，所以将打印C::func1,因此输出结果为

A::func1

C::func2

C::func1