第八章 多態(tài)性

1、1,第八章 多態(tài)性,C++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),2,本章主要內(nèi)容,多態(tài)性運(yùn)算符重載虛函數(shù)純虛函數(shù)抽象類,3,多態(tài)性的概念,多態(tài)性是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的重要特征之一。多態(tài)性是指發(fā)出同樣的消息被不同類型的對(duì)象接收時(shí)導(dǎo)致完全不同的行為。多態(tài)從實(shí)現(xiàn)的角度劃分為：編譯時(shí)的多態(tài)和運(yùn)行時(shí)的多態(tài)多態(tài)的實(shí)現(xiàn)：函數(shù)重載運(yùn)算符重載虛函數(shù),4,靜態(tài)聯(lián)編與動(dòng)態(tài)聯(lián)編,靜態(tài)聯(lián)編：在編譯連接階段就確定了同名操作的具體對(duì)象的情況。重載動(dòng)態(tài)聯(lián)編：在程序運(yùn)行

2、過(guò)程中才動(dòng)態(tài)地確定操作所針對(duì)的具體對(duì)象的情況。虛函數(shù),5,問(wèn)題舉例——復(fù)數(shù)的運(yùn)算,class complex//復(fù)數(shù)類聲明{public:complex(double r=0.0,double i=0.0){real=r;imag=i;} //構(gòu)造函數(shù)void display（ ）;//顯示復(fù)數(shù)的值pr

3、ivate:double real;double imag;};,運(yùn)算符重載,6,問(wèn)題舉例——復(fù)數(shù)的運(yùn)算,用“+”、“-”能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)數(shù)的加減運(yùn)算嗎？實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)加減運(yùn)算的方法 ——重載“+”、“-”運(yùn)算符,運(yùn)算符重載,7,運(yùn)算符重載的實(shí)質(zhì),運(yùn)算符重載是對(duì)已有的運(yùn)算符賦予多重含義必要性C++中預(yù)定義的運(yùn)算符其運(yùn)算對(duì)象只能是基本數(shù)據(jù)類型，而不適用于用戶自定義類型（如類）實(shí)現(xiàn)機(jī)制將指定的運(yùn)算表達(dá)式轉(zhuǎn)化為對(duì)

4、運(yùn)算符函數(shù)的調(diào)用，運(yùn)算對(duì)象轉(zhuǎn)化為運(yùn)算符函數(shù)的實(shí)參。編譯系統(tǒng)對(duì)重載運(yùn)算符的選擇，遵循函數(shù)重載的選擇原則。class A{……}; A c, a, b; c=a+b;c=a+b等價(jià)于c=a.operator+(b);或c=operator+(a,b);,運(yùn)算符重載,8,運(yùn)算符重載,規(guī)則和限制,可以重載C++中除下列運(yùn)算符外的所有運(yùn)算符：. .* :: ?: sizeof只能重載C++語(yǔ)言中已有的運(yùn)算符，不可臆

5、造新的。書(shū)上P33已給出了C++中全部運(yùn)算符不改變?cè)\(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性。不能改變操作數(shù)個(gè)數(shù)。經(jīng)重載的運(yùn)算符，其操作數(shù)中至少應(yīng)該有一個(gè)是自定義類型。,9,兩種形式,用戶定義類型的重載運(yùn)算符，要求能訪問(wèn)運(yùn)算對(duì)象的私有成員。為此只能用成員函數(shù)或友元函數(shù)兩種形式定義運(yùn)算符重載。重載為類成員函數(shù)。重載為友元函數(shù)。,運(yùn)算符重載,10,運(yùn)算符函數(shù),聲明形式函數(shù)類型 operator 運(yùn)算符（形參）{ ......

6、}重載為類成員函數(shù)時(shí) 參數(shù)個(gè)數(shù)=原操作數(shù)個(gè)數(shù)-1（后置++、--除外）重載為友元函數(shù)時(shí) 參數(shù)個(gè)數(shù)=原操作數(shù)個(gè)數(shù)，且至少應(yīng)該有一個(gè)自定義類型的形參。,運(yùn)算符重載,11,運(yùn)算符成員函數(shù)的設(shè)計(jì),雙目運(yùn)算符 B如果要重載 B 為A類成員函數(shù)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)表達(dá)式 oprd1 B oprd2，其中 oprd1 為A 類對(duì)象，則 B 應(yīng)被重載為 A 類的成員函數(shù)，形參類型應(yīng)該是 oprd2 所屬的類型。經(jīng)重載后，表達(dá)式 oprd1 B

7、 oprd2 相當(dāng)于 oprd1.operator B(oprd2),運(yùn)算符重載,12,運(yùn)算符重載,例 8.1,將“+”、“-”運(yùn)算符重載為復(fù)數(shù)類的成員函數(shù)。 規(guī)則:實(shí)部和虛部分別相加減。 操作數(shù):兩個(gè)操作數(shù)都是復(fù)數(shù)類的對(duì)象。,#includeclass complex//復(fù)數(shù)類聲明{public://外部接口complex(double r=0.0,double i=0.0) //構(gòu)造函數(shù) {rea

8、l=r;imag=i;} complex operator + (complex c2); //+重載為成員函數(shù)complex operator - (complex c2); //-重載為成員函數(shù)void display（ ）;//輸出復(fù)數(shù)private://私有數(shù)據(jù)成員doub

9、le real;//復(fù)數(shù)實(shí)部double imag;//復(fù)數(shù)虛部};,complex complex::operator +(complex c2) //重載函數(shù)實(shí)現(xiàn){ complex c;c.real= real + c2.real;c.imag= imag + c2.imag;return complex(c.real,c.imag);} //return c;,

10、complex complex::operator -(complex c2) //重載函數(shù)實(shí)現(xiàn){complex c;c.real=real-c2.real;c.imag=imag-c2.imag;return complex(c.real,c.imag);}void complex::display（ ）{ cout<<"("<<real<<&qu

11、ot;,"<<imag<<")"<<endl; },void main（ ） //主函數(shù){complex c1(5,4),c2(2,10),c3; //聲明復(fù)數(shù)類的對(duì)象cout<<"c1="; c1.display（ ）;cout<<"c2="; c2.display（ ）;c3=c

12、1-c2;//使用重載運(yùn)算符完成復(fù)數(shù)減法 //等價(jià)于c3=c1.operator-(c2); 即operator-(&c1,c2)cout<<"c3=c1-c2=";c3.display（ ）;c3=c1+c2;//使用重載運(yùn)算符完成復(fù)數(shù)加法//等價(jià)于c3=c1.operator+(c2); cout<<"c3=c1+c2=";

13、c3.display（ ）;},程序輸出的結(jié)果為：c1=(5,4)c2=(2,10)c3=c1-c2=(3,-6)c3=c1+c2=(7,14),成員函數(shù)operator+( )中的形參用類對(duì)象的引用與用類對(duì)象有什么不同嗎？complex operator+(complex& c);complex operator+(complex c);c=c1+c2;即c=c1.operator+(c2);,,18,運(yùn)

14、算符成員函數(shù)的設(shè)計(jì),前置單目運(yùn)算符 U如果要重載 U 為類成員函數(shù)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)表達(dá)式 U oprd，其中 oprd 為A類對(duì)象，則 U 應(yīng)被重載為 A 類的成員函數(shù)，無(wú)形參。經(jīng)重載后，表達(dá)式 U oprd 相當(dāng)于 oprd.operator U（ ）,運(yùn)算符重載,19,運(yùn)算符成員函數(shù)的設(shè)計(jì),后置單目運(yùn)算符 ++和--如果要重載 ++或--為類成員函數(shù)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)表達(dá)式 oprd++ 或 oprd-- ，其中 oprd 為A

15、類對(duì)象，則 ++或-- 應(yīng)被重載為 A 類的成員函數(shù)，且具有一個(gè) int 類型形參(它只是為了區(qū)別前增量與后增量）。經(jīng)重載后，表達(dá)式 oprd++ 相當(dāng)于 oprd.operator ++(0)而++oprd相當(dāng)于oprd.operator++( ),運(yùn)算符重載,20,例8.2,運(yùn)算符前置++和后置++重載為時(shí)鐘類的成員函數(shù)。前置單目運(yùn)算符，重載函數(shù)沒(méi)有形參，對(duì)于后置單目運(yùn)算符，重載函數(shù)需要有一個(gè)整型形參。操作數(shù)是時(shí)鐘類的

16、對(duì)象。實(shí)現(xiàn)時(shí)間增加1秒鐘。,運(yùn)算符重載,#includeclass Clock//時(shí)鐘類聲明{public://外部接口Clock(int NewH=0, int NewM=0, int NewS=0);void ShowTime（ ）;void operator ++（ ）; //前置單目運(yùn)算符重載void operator ++(int); //后置單目運(yùn)算符重載private:/

17、/私有數(shù)據(jù)成員int Hour, Minute, Second;};,void Clock::operator ++（ ）//前置單目運(yùn)算符重載函數(shù){Second++;if(Second>=60) { Second=Second-60;Minute++;if(Minute>=60) {Minute=Minute-60;Hour++;Hour

18、=Hour%24;}}cout<<"++Clock: ";},void Clock::operator ++(int) //后置單目運(yùn)算符重載{Second++;if(Second>=60) {Second=Second-60;Minute++;if(Minute>=60) {Minute=Minute-60;Ho

19、ur++;Hour=Hour%24;}}cout<<"Clock++: ";},//其它成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)略void main（ ）{Clock myClock(23,59,59);cout<<"First time output:";myClock.ShowTime（ ）;myClock++; //等價(jià)于myClock.oper

20、ator++(0); myClock.ShowTime（ ）;++myClock; //等價(jià)于myClock.operator++( );myClock.ShowTime（ ）;},程序運(yùn)行結(jié)果為：First time output:23:59:59Clock++: 0:0:0++Clock: 0:0:1,26,運(yùn)算符友元函數(shù)的設(shè)計(jì),如果需要重載一個(gè)運(yùn)算符，使之能夠用于操作某類對(duì)象的私有成員，可以將此運(yùn)算符重載為

21、該類的友元函數(shù)。函數(shù)的形參代表依自左至右次序排列的各操作數(shù)。后置單目運(yùn)算符 ++和--的重載函數(shù)，形參列表中要增加一個(gè)int，但不必寫(xiě)形參名。,運(yùn)算符重載,27,運(yùn)算符友元函數(shù)的設(shè)計(jì),雙目運(yùn)算符 B重載后，表達(dá)式oprd1 B oprd2 等同于operator B(oprd1,oprd2 )前置單目運(yùn)算符 B重載后，表達(dá)式 B oprd 等同于operator B(oprd )后置單目運(yùn)算符 ++和--重載后，表達(dá)式

22、 oprd B 等同于operator B(oprd,0 ),運(yùn)算符重載,28,例8-3,將+、-（雙目）重載為復(fù)數(shù)類的友元函數(shù)。兩個(gè)操作數(shù)都是復(fù)數(shù)類的對(duì)象。,運(yùn)算符重載,#includeclass complex//復(fù)數(shù)類聲明{public://外部接口complex(double r=0.0,double i=0.0) { real=r; imag=i; }//構(gòu)造函數(shù)friend compl

23、ex operator + (complex c1,complex c2);//運(yùn)算符+重載為友元函數(shù)friend complex operator - (complex c1,complex c2);//運(yùn)算符-重載為友元函數(shù)void display（ ）;//顯示復(fù)數(shù)的值private://私有數(shù)據(jù)成員double real;double imag;};,complex operator +(comple

24、x c1,complex c2)//運(yùn)算符重載友元函數(shù)實(shí)現(xiàn){ return complex(c2.real+c1.real, c2.imag+c1.imag);}complex operator -(complex c1,complex c2)//運(yùn)算符重載友元函數(shù)實(shí)現(xiàn){return complex(c1.real-c2.real, c1.imag-c2.imag);}// 其它函數(shù)和主函

25、數(shù)同例8.1,31,靜態(tài)聯(lián)編與動(dòng)態(tài)聯(lián)編,聯(lián)編(binding)：程序自身彼此關(guān)聯(lián)的過(guò)程，確定程序中的操作調(diào)用與執(zhí)行該操作的代碼間的關(guān)系。靜態(tài)聯(lián)編（靜態(tài)束定static binding）聯(lián)編工作出現(xiàn)在編譯階段，用對(duì)象名或者類名來(lái)限定要調(diào)用的函數(shù)。動(dòng)態(tài)聯(lián)編(dynamic binding)聯(lián)編工作在程序運(yùn)行時(shí)執(zhí)行，在程序運(yùn)行時(shí)才確定將要調(diào)用的函數(shù)。,例,例,#includeclass Point{ public:Point

26、(double i, double j) {x=i; y=j;}double Area（ ） const{ return 0.0;} private:double x, y;};class Rectangle:public Point{ public:Rectangle(double i, double j, double k, double l);double Area（ ） const {retur

27、n w*h;} private:double w,h;};,靜態(tài)聯(lián)編例,Rectangle::Rectangle(double i, double j, double k, double l) :Point(i,j){w=k; h=l; }void fun(Point &s){cout<<"Area="<<s.Area（ ）<<endl; }vo

28、id main（ ）{Rectangle rec(3.0, 5.2, 15.0, 25.0);fun(rec);}運(yùn)行結(jié)果：Area=0,,#includeclass Point{ public: Point(double i, double j) {x=i; y=j;} virtual double Area（ ） const{ return 0.0;} private:double x, y;

29、}；class Rectangle:public Point{ public: Rectangle(double i, double j, double k, double l); virtual double Area（ ） const {return w*h;} //在派生類對(duì)基類中說(shuō)明的虛函數(shù)進(jìn)行重定義,它不繼承基類中的虛函數(shù)private:double w,h;};//其它函數(shù)同例 8.8,動(dòng)態(tài)聯(lián)編例,

30、void fun(Point &s){cout<<"Area="<<s.Area（ ）<<endl; }void main（ ）{Rectangle rec(3.0, 5.2, 15.0, 25.0);fun(rec);}運(yùn)行結(jié)果:Area=375,,36,虛函數(shù),虛函數(shù)是動(dòng)態(tài)聯(lián)編的基礎(chǔ)。它是非靜態(tài)的成員函數(shù)。靜態(tài)成員函數(shù)和友元函數(shù)都不能說(shuō)明為

31、虛函數(shù)。在類的聲明中，在函數(shù)原型之前寫(xiě)virtual。virtual 只用來(lái)說(shuō)明類聲明中的函數(shù)原型，不能用在函數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)。具有繼承性，基類中聲明了虛函數(shù)，派生類中無(wú)論是否說(shuō)明，同原型函數(shù)都自動(dòng)為虛函數(shù)。本質(zhì)：不是重載聲明而是覆蓋。調(diào)用方式：通過(guò)基類指針或引用，執(zhí)行時(shí)會(huì)根據(jù)指針指向的對(duì)象的類，決定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)。,37,例 8.4,#include class B0//基類B0聲明{public://外部接口virt

32、ual void display（ ） {cout<<"B0::display（ ）"<<endl;} //虛成員函數(shù)};,class B1: public B0//公有派生{ public: void display（ ） { cout<<"B1::dis

33、play（ ）"<<endl; }};class D1: public B1//公有派生{ public: void display（ ） { cout<<"D1::display（ ）"<<endl; }};,void fun(B0 *ptr)//普通函數(shù){ ptr->display（ ）; }void main（

34、 ）//主函數(shù){B0 b0, *p;//聲明基類對(duì)象和指針B1 b1;//聲明派生類對(duì)象D1 d1;//聲明派生類對(duì)象p=&b0;fun(p);//調(diào)用基類B0成員函數(shù)p=&b1;fun(p);//調(diào)用派生類B1成員函數(shù)p=&d1;fun(p);//調(diào)用派生類D1成員函數(shù)},,,B0,B1,,D1,程序的運(yùn)行結(jié)果為：B0::display（ ）B1::d

35、isplay（ ）D1::display（ ）,41,虛函數(shù)的限制,一個(gè)虛函數(shù)是屬于它所在的類層次結(jié)構(gòu)的，而不是只屬于某一個(gè)類，只不過(guò)它在該類層次結(jié)構(gòu)中的不同類中具有不同的形態(tài)。一旦一個(gè)函數(shù)被聲明為虛函數(shù)，不管經(jīng)歷多少次派生，仍將保持其虛特性。即一個(gè)接口，多個(gè)形態(tài)。若派生類中沒(méi)有對(duì)基類中說(shuō)明的虛函數(shù)進(jìn)行重新定義，則它繼承基類中的虛函數(shù)。構(gòu)造函數(shù)不能是虛函數(shù)，因?yàn)闃?gòu)造時(shí)，對(duì)象還是一片未定型的空間。只有在構(gòu)造完成后,對(duì)象才能成為一個(gè)類

36、的名副其實(shí)的實(shí)例。,42,虛析構(gòu)函數(shù),不能聲明虛構(gòu)造函數(shù)，但可聲明虛析構(gòu)函數(shù)。虛析構(gòu)函數(shù)的聲明語(yǔ)法：virtual ~類名（）；若一個(gè)類的析構(gòu)函數(shù)是虛函數(shù)，則由它派生的所有子類的析構(gòu)函數(shù)也是虛函數(shù)。析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)之后，在使用指針引用時(shí)可以動(dòng)態(tài)聯(lián)編，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的多態(tài)。例：當(dāng)基類對(duì)象和子類對(duì)象以不同方式申請(qǐng)了堆空間后void fun(Base *p){ delete p;} 其中p是傳遞過(guò)來(lái)的一個(gè)對(duì)象指針，它或者指向基類對(duì)

37、象或者指向子類對(duì)象。在執(zhí)行delete p時(shí)，要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，但執(zhí)行基類的析構(gòu)函數(shù)？還是執(zhí)行子類的析構(gòu)函數(shù)？將析構(gòu)函數(shù)聲明為虛的，即可。,43,虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)——虛表,C++的多態(tài)性就是要通過(guò)動(dòng)態(tài)聯(lián)編的方法正確調(diào)用繼承家族中那些同名的虛函數(shù)。C++使用了一個(gè)類似函數(shù)指針表的動(dòng)態(tài)聯(lián)編表(稱為虛表)，用vtable表示若一個(gè)類含有虛函數(shù)，則編譯器在編譯時(shí)將為它產(chǎn)生一個(gè)虛表。若基類中含有虛函數(shù)，則它以及它的每個(gè)派生類都將含有自己的虛表。虛表

38、中存放了它所在類的所有虛函數(shù)的指針，包括它從基類繼承來(lái)的虛函數(shù)。每個(gè)含有虛函數(shù)的類對(duì)象都在其數(shù)據(jù)成員中增加一個(gè)指針成員vptr，指向該類的虛表(vtable)。,44,class A{public: int a; virtual void funA(); virtual void show();};class C:public A{int c; public: void funC(); vo

39、id show();}; void main(){ C ca; A *pa=&ca; pa->show();},通過(guò)基類指針對(duì)虛函數(shù)的調(diào)用將由編譯器轉(zhuǎn)換成一個(gè)間接調(diào)用。pa->show()將變成 (*(pa->vptr[1]))()由于pa->vptr[1]==C::show，所以盡管指針pa為A類指針，它所指向的對(duì)象卻是C類對(duì)象，通過(guò)它產(chǎn)生的show()調(diào)用仍然是C:

40、:show()，而非A::show(),45,抽象類的一般形式,帶有純虛函數(shù)的類稱為抽象類:class 類名 { virtual 類型 函數(shù)名(參數(shù)表)=0; //純虛函數(shù) ...}；純虛函數(shù)是一種特殊的虛函數(shù)，它沒(méi)有具體實(shí)現(xiàn)。其純虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)由其派生類給出。,純虛函數(shù)與抽象類,46,作用,抽象類為抽象和設(shè)計(jì)的目的而建立，將有關(guān)的數(shù)

41、據(jù)和行為組織在一個(gè)繼承層次結(jié)構(gòu)中，保證派生類具有要求的行為。對(duì)于暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，可以聲明為純虛函數(shù)，留給派生類去實(shí)現(xiàn)。例：由形狀類派生出矩形類和圓形類，每個(gè)類中都有求面積的函數(shù)area，在基類中該函數(shù)就定義為純虛函數(shù),純虛函數(shù)與抽象類,47,注意,抽象類一般作為基類來(lái)使用，其純虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)由其派生類給出。不能聲明抽象類的對(duì)象。但可聲明抽象類的指針或引用。構(gòu)造函數(shù)不能是虛函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)可以是虛函數(shù)。,純虛函數(shù)與抽象類,48,例

42、 8.5,#include class B0 //抽象基類B0聲明{public: //外部接口virtual void display( )=0; //純虛函數(shù)成員};,純虛函數(shù)與抽象類,class B1: public B0//公有派生{public:void display（ ）{cout<<"

43、B1::display（ ）"<<endl;} //虛成員函數(shù)};class D1: public B1//公有派生{public:void display（ ）{cout<<"D1::display（ ）"<<endl;}

44、 //虛成員函數(shù)};,void fun(B0 *ptr)//普通函數(shù){ptr->display（ ）; }void main（ ）//主函數(shù){B0 *p;//聲明抽象基類指針，不能聲明基類對(duì)象B1 b1;//聲明派生類對(duì)象D1 d1;//聲明派生類對(duì)象p=&b1;

45、fun(p);//調(diào)用派生類B1函數(shù)成員p=&d1;fun(p);//調(diào)用派生類D1函數(shù)成員},程序的運(yùn)行結(jié)果為：B1::display（ ）D1::display（ ）,見(jiàn)顯示器類.cpp和形狀類.cpp,52,本章小結(jié),多態(tài)：同樣的消息被不同類型的對(duì)象接收時(shí)導(dǎo)致完全不同的行為，是對(duì)類的特定成員函數(shù)的再抽象。運(yùn)算符重載對(duì)已有的運(yùn)算符賦予多重含義，使用已有運(yùn)算符對(duì)用戶自定義類型(比如類)進(jìn)行運(yùn)算操作。,

46、53,本章小結(jié),聯(lián)編程序自身彼此關(guān)聯(lián)的過(guò)程稱為聯(lián)編，聯(lián)編確定程序中的操作調(diào)用與執(zhí)行該操作的代碼間的關(guān)系。靜態(tài)聯(lián)編工作出現(xiàn)在編譯階段。動(dòng)態(tài)聯(lián)編工作在程序運(yùn)行時(shí)執(zhí)行。虛函數(shù)是動(dòng)態(tài)聯(lián)編的基礎(chǔ)。,54,本章小結(jié),純虛函數(shù)在基類中說(shuō)明的虛函數(shù)，它在該基類中可以不給出函數(shù)體，要求各派生類根據(jù)實(shí)際需要編寫(xiě)自己的函數(shù)體。抽象類帶有純虛函數(shù)的類是抽象類。抽象類的主要作用是通過(guò)它為一個(gè)類族建立一個(gè)公共的接口，使它們能夠更有效地發(fā)揮多態(tài)特性。