C++多态和虚函数快速入门教程
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2023-03-14
在《
C++将派生类赋值给基类(向上转型)》一节中讲到,基类的
指针也可以指向派生类对象,请看下面的例子:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是个无业游民。
我们直观上认为,如果指针指向了派生类对象,那么就应该使用派生类的成员变量和成员函数,这符合人们的思维习惯。但是本例的运行结果却告诉我们,当基类指针 p 指向派生类 Teacher 的对象时,虽然使用了 Teacher 的成员变量,但是却没有使用它的成员函数,导致输出结果不伦不类(赵宏佳本来是一名老师,输出结果却显示人家是个无业游民),不符合我们的预期。
换句话说,通过基类指针只能访问派生类的成员变量,但是不能访问派生类的成员函数。
为了消除这种尴尬,让基类指针能够访问派生类的成员函数, C++ 增加了 虚函数(Virtual Function)。使用虚函数非常简单,只需要在函数声明前面增加 virtual 关键字。
更改上面的代码,将 display() 声明为虚函数:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是一名教师,每月有8200元的收入。
和前面的例子相比,本例仅仅是在 display() 函数声明前加了一个
有了虚函数,基类指针指向基类对象时就使用基类的成员(包括成员函数和成员变量),指向派生类对象时就使用派生类的成员。换句话说,基类指针可以按照基类的方式来做事,也可以按照派生类的方式来做事,它有多种形态,或者说有多种表现方式,我们将这种现象称为 多态(Polymorphism) 。
上面的代码中,同样是
多态是面向对象编程的主要特征之一,C++中虚函数的唯一用处就是构成多态。
C++提供多态的目的是:可以通过基类指针对所有派生类(包括直接派生和间接派生)的成员变量和成员函数进行“全方位”的访问,尤其是成员函数。如果没有多态,我们只能访问成员变量。
前面我们说过,通过指针调用普通的成员函数时会根据指针的类型(通过哪个类定义的指针)来判断调用哪个类的成员函数,但是通过本节的分析可以发现,这种说法并不适用于虚函数,虚函数是根据指针的指向来调用的,指针指向哪个类的对象就调用哪个类的虚函数。
但是话又说回来,对象的内存模型是非常干净的,没有包含任何成员函数的信息,编译器究竟是根据什么找到了成员函数呢?我们将在《 C++虚函数表精讲教程,直戳多态的实现机制》一节中给出答案。
修改上例中 main() 函数内部的代码,用引用取代指针:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是一名教师,每月有8200元的收入。
由于引用类似于常量,只能在定义的同时初始化,并且以后也要从一而终,不能再引用其他数据,所以本例中必须要定义两个引用变量,一个用来引用基类对象,一个用来引用派生类对象。从运行结果可以看出,当基类的引用指代基类对象时,调用的是基类的成员,而指代派生类对象时,调用的是派生类的成员。
不过引用不像指针灵活,指针可以随时改变指向,而引用只能指代固定的对象,在多态性方面缺乏表现力,所以以后我们再谈及多态时一般是说指针。本例的主要目的是让读者知道,除了指针,引用也可以实现多态。
接下来的例子中,我们假设你正在玩一款军事游戏,敌人突然发动了地面战争,于是你命令陆军、空军及其所有现役装备进入作战状态。具体的代码如下所示:
Strike back!
--Army is fighting!
----99A(Tank) is fighting!
----WZ-10(Helicopter) is fighting!
----CJ-10(Missile) is fighting!
--AirForce is fighting!
----J-20(Fighter Plane) is fighting!
----CH-5(UAV) is fighting!
----H-6K(Bomber) is fighting!
这个例子中的派生类比较多,如果不使用多态,那么就需要定义多个指针变量,很容易造成混乱;而有了多态,只需要一个指针变量 p 就可以调用所有派生类的虚函数。
从这个例子中也可以发现,对于具有复杂继承关系的大中型程序,多态可以增加其灵活性,让代码更具有表现力。
#include <iostream> using namespace std; //基类People class People{ public: People(char *name, int age); void display(); protected: char *m_name; int m_age; }; People::People(char *name, int age): m_name(name), m_age(age){} void People::display(){ cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了,是个无业游民。"<<endl; } //派生类Teacher class Teacher: public People{ public: Teacher(char *name, int age, int salary); void display(); private: int m_salary; }; Teacher::Teacher(char *name, int age, int salary): People(name, age), m_salary(salary){} void Teacher::display(){ cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了,是一名教师,每月有"<<m_salary<<"元的收入。"<<endl; } int main(){ People *p = new People("王志刚", 23); p -> display(); p = new Teacher("赵宏佳", 45, 8200); p -> display(); return 0; }运行结果:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是个无业游民。
我们直观上认为,如果指针指向了派生类对象,那么就应该使用派生类的成员变量和成员函数,这符合人们的思维习惯。但是本例的运行结果却告诉我们,当基类指针 p 指向派生类 Teacher 的对象时,虽然使用了 Teacher 的成员变量,但是却没有使用它的成员函数,导致输出结果不伦不类(赵宏佳本来是一名老师,输出结果却显示人家是个无业游民),不符合我们的预期。
换句话说,通过基类指针只能访问派生类的成员变量,但是不能访问派生类的成员函数。
为了消除这种尴尬,让基类指针能够访问派生类的成员函数, C++ 增加了 虚函数(Virtual Function)。使用虚函数非常简单,只需要在函数声明前面增加 virtual 关键字。
更改上面的代码,将 display() 声明为虚函数:
#include <iostream> using namespace std; //基类People class People{ public: People(char *name, int age); virtual void display(); //声明为虚函数 protected: char *m_name; int m_age; }; People::People(char *name, int age): m_name(name), m_age(age){} void People::display(){ cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了,是个无业游民。"<<endl; } //派生类Teacher class Teacher: public People{ public: Teacher(char *name, int age, int salary); virtual void display(); //声明为虚函数 private: int m_salary; }; Teacher::Teacher(char *name, int age, int salary): People(name, age), m_salary(salary){} void Teacher::display(){ cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了,是一名教师,每月有"<<m_salary<<"元的收入。"<<endl; } int main(){ People *p = new People("王志刚", 23); p -> display(); p = new Teacher("赵宏佳", 45, 8200); p -> display(); return 0; }运行结果:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是一名教师,每月有8200元的收入。
和前面的例子相比,本例仅仅是在 display() 函数声明前加了一个
virtual
关键字,将成员函数声明为了虚函数(Virtual Function),这样就可以通过 p 指针调用 Teacher 类的成员函数了,运行结果也证明了这一点(赵宏佳已经是一名老师了,不再是无业游民了)。
有了虚函数,基类指针指向基类对象时就使用基类的成员(包括成员函数和成员变量),指向派生类对象时就使用派生类的成员。换句话说,基类指针可以按照基类的方式来做事,也可以按照派生类的方式来做事,它有多种形态,或者说有多种表现方式,我们将这种现象称为 多态(Polymorphism) 。
上面的代码中,同样是
p->display();
这条语句,当 p 指向不同的对象时,它执行的操作是不一样的。同一条语句可以执行不同的操作,看起来有不同表现方式,这就是多态。
多态是面向对象编程的主要特征之一,C++中虚函数的唯一用处就是构成多态。
C++提供多态的目的是:可以通过基类指针对所有派生类(包括直接派生和间接派生)的成员变量和成员函数进行“全方位”的访问,尤其是成员函数。如果没有多态,我们只能访问成员变量。
前面我们说过,通过指针调用普通的成员函数时会根据指针的类型(通过哪个类定义的指针)来判断调用哪个类的成员函数,但是通过本节的分析可以发现,这种说法并不适用于虚函数,虚函数是根据指针的指向来调用的,指针指向哪个类的对象就调用哪个类的虚函数。
但是话又说回来,对象的内存模型是非常干净的,没有包含任何成员函数的信息,编译器究竟是根据什么找到了成员函数呢?我们将在《 C++虚函数表精讲教程,直戳多态的实现机制》一节中给出答案。
借助引用也可以实现多态
引用在本质上是通过指针的方式实现的,这一点已在《 C++引用在本质上是什么,它和指针到底有什么区别?》中进行了讲解,既然借助指针可以实现多态,那么我们就有理由推断:借助引用也可以实现多态。修改上例中 main() 函数内部的代码,用引用取代指针:
int main(){ People p("王志刚", 23); Teacher t("赵宏佳", 45, 8200); People &rp = p; People &rt = t; rp.display(); rt.display(); return 0; }运行结果:
王志刚今年23岁了,是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了,是一名教师,每月有8200元的收入。
由于引用类似于常量,只能在定义的同时初始化,并且以后也要从一而终,不能再引用其他数据,所以本例中必须要定义两个引用变量,一个用来引用基类对象,一个用来引用派生类对象。从运行结果可以看出,当基类的引用指代基类对象时,调用的是基类的成员,而指代派生类对象时,调用的是派生类的成员。
不过引用不像指针灵活,指针可以随时改变指向,而引用只能指代固定的对象,在多态性方面缺乏表现力,所以以后我们再谈及多态时一般是说指针。本例的主要目的是让读者知道,除了指针,引用也可以实现多态。
多态的用途
通过上面的例子读者可能还未发现多态的用途,不过确实也是,多态在小项目中鲜有有用武之地。接下来的例子中,我们假设你正在玩一款军事游戏,敌人突然发动了地面战争,于是你命令陆军、空军及其所有现役装备进入作战状态。具体的代码如下所示:
#include <iostream> using namespace std; //军队 class Troops{ public: virtual void fight(){ cout<<"Strike back!"<<endl; } }; //陆军 class Army: public Troops{ public: void fight(){ cout<<"--Army is fighting!"<<endl; } }; //99A主战坦克 class _99A: public Army{ public: void fight(){ cout<<"----99A(Tank) is fighting!"<<endl; } }; //武直10武装直升机 class WZ_10: public Army{ public: void fight(){ cout<<"----WZ-10(Helicopter) is fighting!"<<endl; } }; //长剑10巡航导弹 class CJ_10: public Army{ public: void fight(){ cout<<"----CJ-10(Missile) is fighting!"<<endl; } }; //空军 class AirForce: public Troops{ public: void fight(){ cout<<"--AirForce is fighting!"<<endl; } }; //J-20隐形歼击机 class J_20: public AirForce{ public: void fight(){ cout<<"----J-20(Fighter Plane) is fighting!"<<endl; } }; //CH5无人机 class CH_5: public AirForce{ public: void fight(){ cout<<"----CH-5(UAV) is fighting!"<<endl; } }; //轰6K轰炸机 class H_6K: public AirForce{ public: void fight(){ cout<<"----H-6K(Bomber) is fighting!"<<endl; } }; int main(){ Troops *p = new Troops; p ->fight(); //陆军 p = new Army; p ->fight(); p = new _99A; p -> fight(); p = new WZ_10; p -> fight(); p = new CJ_10; p -> fight(); //空军 p = new AirForce; p -> fight(); p = new J_20; p -> fight(); p = new CH_5; p -> fight(); p = new H_6K; p -> fight(); return 0; }运行结果:
Strike back!
--Army is fighting!
----99A(Tank) is fighting!
----WZ-10(Helicopter) is fighting!
----CJ-10(Missile) is fighting!
--AirForce is fighting!
----J-20(Fighter Plane) is fighting!
----CH-5(UAV) is fighting!
----H-6K(Bomber) is fighting!
这个例子中的派生类比较多,如果不使用多态,那么就需要定义多个指针变量,很容易造成混乱;而有了多态,只需要一个指针变量 p 就可以调用所有派生类的虚函数。
从这个例子中也可以发现,对于具有复杂继承关系的大中型程序,多态可以增加其灵活性,让代码更具有表现力。