第六章 多态性与虚函数
面向对象的封装性、继承性和多态性是OOP的三大基本支柱。本章将集中讨论类与对象的多态性概念、设计方法和技巧，这是软件系统能否控制给定对象完成所要求各种动作的能力问题。
本章目的：
．理解抽象类与多态性
．掌握虚函数概念和用法
．掌握重载概念和用法
．了解系统的编译多态性与运行多态性
多态性（polymorphism）这个词来自希腊语。是指“多形态”的意思。在某些程序设计语言中，多态性指相同的语言结构可以代表不同类型的实体（如同一变量可以匹配各种类型的语法结构）或者对不同类型的实体进行操作（如同一个函数可以对不同结构的表进行操作）。在强类型语言中，多态性表现为重载（overloading）和类属（genericity），又称为参数化多态（parameterized polymorphism）。在面向对象的概念中，多态性则是指不同对象收到相同消息时，根据对象类不同产生不同动作。C++允许程序员发送相同消息到不同的相关对象，而由对象决定如何完成该动作，并且支持软件选择实现决策的时间。其中运行时的多态是面向对象的程序设计语言所独有的，有人认为，只有与动态联编相结合的多态才是真正的面向对象的多态。在此，仍然取多态性的广泛含义，但概念重点放在运行多态上。
多态性提供了把接口与实现分开的另外一个方法。多态性提高了代码的组织性和可读性，更重要的是它使软件的可扩充性有了充分的提高，使得软件可以较容易地增加新的特性和功能。正如在上一章讲的，可以把基类对象和不同的派生类对象在某些时候视为同一类型，再加上动态联编，就使同一个接口可以在不同的情况下有不同的实现，而实现的增多也不会影响到接口的形态。
6．1 重载与程序设计的多态性设计
具体讲，C++支持两种多态性：编译时的多态性和运行时的多态性。编译时的多态主要体现为函数重载以及特殊的函数重载——运算符重载，运行时的多态则由虚函数来完成。在分别讨论这两种多态性之前，首先要进一步搞清重载的概念和用法。
6．1．1 函数重载
（1）为什么要重载函数在自然语言中，除了一词多义之外，即使是同一个动词在不同的情况下，也有细微的判别，如洗衣服和洗车中的“洗”。这在人类语言中基本上不会引起误会。但在计算机语言中，每个名称在计算机内部必须是唯一的标识符。如打印数就必须根据需要打印的数来定义不同的打印函数。这种定义一方面使得程序的可读性变差，使程序员的工作变得复杂，另一方面也没有反映不同的打印函数之间的共同点。
幸运的是，C++提供了函数重载的机制，通过函数的参数数目或类型所建立的附加定义，使同一函数名在计算机内部具有不同的标识符，从而能够表现不同行为。如打印数可以表示为：
void print(int);
void print(float);
void print(char);
函数重载是一种方便的语言机制，它既可以运用于成员函数，也可以运用于一般函数，成尤其是类构造函数，一般都有是重载的。
（2）重载的方法定义函数重载，函数名字相同，但所带的参数的个数或类型不同，编译器能够根据参数来调用不同的同名函数。
如果函数的参数类型完全一致，仅仅是返回类型不同，则编译器认为出错。其原因有二：①当函数的返回值不赋给某一个变量时，系统无法判断应调用哪一个函数；②即使当函数返回值赋给一个变量时，系统也无法判断这一赋值是否进行了类型转换。如
int hello();
float hello();
当在程序中以下面的方式调用时，就会出现二义性问题：
float f;
f=hello();
如果存在着两个完全一致的函数定义，则认为第二个定义覆盖了第一个定义。
（3）重载的注意点函数重载提供了便利，但何时重载函数名收益最大却始终是一个问题。当一组函数执行相似的操作时，要慎重考虑，是否有其他更好的处理方法。程序员在编写程序时不应着眼于语言的特征，而应重点解决实际问题。在使用语言的特性时，应遵循应用程序的逻辑结构，绝不可滥用语言所拥有的特性。
（4）函数重载的例子构造函数的重载，可以使系统的几个不同的对象初始化方式。
类成员函数的重载，使成员变量处理更有效率。
类外的一般函数也允许重载，常常用于一种多态性。如乘法运算。
[例6．1]最大值函数max的重载版本程序EX6_1．CPP。
6．1．2 运算符重载
运算符重载是对系统已有预定义的运算符赋予新的含义，用自然的方式将其发展到特殊应用领域。
重载一个运算符，要求满足两个条件：第一，不能改变运算符的初始意义；第二不能改变运算符的操作的参数数目。运算符重载只是增加了一些与定义它的类相关的附加意义。
表6．1 C++中可能重载的运算符
+
-
*
/
%
^
&
|
~
!
=
<
>
+=
-=
*=
/=
%=
^=
&=
!=
<<
>>
>>=
<<=
= =
!=
<=
>=
&&
||
++
--
[ ]
( )
->
new
delete
注意：（1）．,：# *？：不能重载。
（2）除赋值运算符外，其他运算符函数都可以由派生类继承。并且派生类还可以有选择地重载自己所需要的运算符（包括基类重载的运算符）。
要重载一个运算符，先要创建一个运算符函数（operator function）。一般将运算符函数定义成类的成员函数或友元函数。
定义成员运算符函数的格式如下：
return_type class_name::operator@(arg_list)
{
//operation to per formed
}
其中，class_name是重载运算符的类名，operator是运算符重载的关键字，@是要重载的运算符符号，arg_list是该运算符所需的操作数。Operator@是函数名，函数的返回类型是return_type.
在类说明体内声明运算符函数用如下形式：
[例6．2] 二元运算符重载程序EX6_2．CPP。
6．1．3 各种运算符重载设计的问题讨论下面进一步讨论运算符重载的各类情形，分析它们在使用中应注意的技术内涵和方法上的问题。
6．1．3．1 若重载运算符是向对象加上一个数的情况
[例6．2a] EX6_2a．CPP。
6．1．3．2 关于重载—和=的方法与上述类似与不同处
[例6．2b] EX6_2b．CPP。
6．1．3．3 关系运算符和逻辑运算符重载
重载运算的返回值不是定义该重载运算符的对象，而是一个代表true或false的整数值。
[例6．2c] EX6_2c．CPP。
6．1．3．4 一元运算符的重载重载一元运算符的成员函数没有参数。如++，--。
[例6．2d] EX6_2d．CPP。
6．1．3．5 友元运算符重载可以用友元函数重载运算符，但它与成员运算符函数的主要区别在于：
（1） 参数个数不同。
（2） 成员函数通过this指针传递运算符左边的操作数，而友元函数则没有该指针，必须显示传递所有参数。
注意：不能用友元函数重载赋值运算符，而只能用友元函数。
友元函数重载运算符，能够在运算中用对象激活C++固有数据类型。
[例6．2e] EX6_2e．CPP。
6．1．3．6 存储分配通过对new和delete的重载，能够在其外部定义库函数的通用算法的基础上，提高特定情况下的效率，用户可以定制自己的内存分配方案。一般的格式是：
void *operator new(unsigned int size)
{ //size的值是存放对象所需的字节数
……
return pointer_to_memory;
}//为对象分配空间，会自动调用构造函数
void operator delete(void *p)
{//free memory p
}//释放P指向的空间，对象失效会自动调用析构函数
new和delete重载存在两种方式：全局重载方式和一个类的局部重载方式。但一般都是对一个类重载，也就是把重载运算符函授数说明为类的成员函数。
[例6．2f] new和delete的重载EX6_2f．CPP。
6．1．3．7 对象赋值与特殊按位拷贝运算对于一般情况下的类赋值，使用缺省赋值运算符就可以了。但在如带有指针问题的赋值的情况下，使用普通赋值运算符会出现指针悬挂错误，需要在类中重载赋值运算符，实行严格的按位拷贝，将传递内容和传送地址一起进行。
[例6．2g] 对象赋值与特殊按位拷贝运算EX6_2g．CPP。（？）
6．1．3．8 运算符[ ]和（ ）的重载运算符（）为函数调用算符，运算符[ ]是下标运算符（变址），这两个运算符不能用友元函数重载，只能采用成员函数重载。
定义形式分别为：
type class_name::operator[](int index)
{……}
type class_name::operator()(arg_list)
{……}
[例6．2h] 下标运算符的重载EX6_2h．CPP。
[例6．2i] 下标运算符的重载EX6_2i．CPP。
6．1．3．9 类类型转换函数当要将类类型转换为基本数据类型时，需要采用显式转换机制，定义类类型转换函数。
定义一个类的类型转换函数的语法形式是：
class_name::operator type()
{
……
return type_obj;//返回type 类型对象
}
使用类类型转换函数，是一个函数调用过程。
[例6．2j] 类类型转换函数EX6_2j．CPP。
6．1．4 编译时的多态多态性是OOP的一个重要特征。它一方面提供了丰富的逻辑关系清晰的描述对象方法的手段，另一方面提高了软件功能和版本进化的设计维护能力。
函数重载和运算符重载函数，构成了支持C++编译多态性的表达基础。在讨论两种不同的多态性之前，首先了解一下函数绑定（function call binding）。
将函数调用与函数体连接起来叫绑定。如果绑定在程序运行之前进行（由编译器和连接器执行），则称为预绑定（early binding），也叫静绑定。如C语言就只有预绑定。它意味着绑定基于的信息都是静态的。而面向对象的多态性设计要求能够在运行时，根据对象类型的不同来选择合适的函数调用，这些类型信息在编译时是不可知的。解决这一问题的绑定是后绑定（late binding）。
[例6．3a] 了解预绑定的工作过程EX6_3a．CPP。
预绑定时，编译系统根据指针（或引用）本身的类型，而不是它所指向的对象的类型来进行绑定。
从以上的分析可见，编译时的多态的实现，取决于程序的静态信息是否足够为相同的程序实体（指程序代码中的各种名称和代码段）确定不同的标识符。编译时的多态，表现为以下几方面：
（1）对于在一个类中说明的重载，编译系统根据重载函数的参数个数、类型以及顺序的差别，来分别调用相应的函数。
（2）对于在基类和派生类中的重载函数，即使所带的参数完全相同，由于它们属于不同的类，在编译时可以根据对象名前缀来加以区别；另一种方法是使用“类名：：”前缀，也可以指示编译器分辨出应该调用哪个类的成员函数。
预绑定的实体包括一般函数、重载函数、非虚成员函数和非虚友元函数。调用编译时绑定的函数，优点是高效率（因为代码优化）。缺点是缺少灵活性，不能满足程序的可扩充性要求。
6．1．5 运行时的多态
运行时的多态性是在程序运行时发生的事件，编译器在编译时未确定要调用的函数，必须根据程序运行所产生的信息来通知调用哪一个函数。这称为后绑定（late binding），是动态联编方式。
[例6．3] 建立一个数组，可以处理平面图形（2D_graph） 类的对象或其派生类（polygon、circle、line）的对象。这个数组可以通过如下声明实现：
2D_graph& g[10];
现在的要求是让数组指向的对象在屏幕上显示，即调用成员函数draw()。
如果语言支持的只有预绑定，由需要使用大量的swicth_case语句，并在代码级上进行类型判别。实现相当麻烦。
如果能用一种简单的表达：g[i].draw()，而让系统去操心运行时类型的判别，使用起来就相当方便。要做到这一点，必须有语言机制的支持——虚函数。C++的虚函数是一种后绑定的实体。
后绑定的主要优点是提供了程序的灵活性，主要缺点是速度较慢，效率较低。
面向对象的封装性、继承性和多态性是OOP的三大基本支柱。本章将集中讨论类与对象的多态性概念、设计方法和技巧，这是软件系统能否控制给定对象完成所要求各种动作的能力问题。
本章目的：
．理解抽象类与多态性
．掌握虚函数概念和用法
．掌握重载概念和用法
．了解系统的编译多态性与运行多态性
多态性（polymorphism）这个词来自希腊语。是指“多形态”的意思。在某些程序设计语言中，多态性指相同的语言结构可以代表不同类型的实体（如同一变量可以匹配各种类型的语法结构）或者对不同类型的实体进行操作（如同一个函数可以对不同结构的表进行操作）。在强类型语言中，多态性表现为重载（overloading）和类属（genericity），又称为参数化多态（parameterized polymorphism）。在面向对象的概念中，多态性则是指不同对象收到相同消息时，根据对象类不同产生不同动作。C++允许程序员发送相同消息到不同的相关对象，而由对象决定如何完成该动作，并且支持软件选择实现决策的时间。其中运行时的多态是面向对象的程序设计语言所独有的，有人认为，只有与动态联编相结合的多态才是真正的面向对象的多态。在此，仍然取多态性的广泛含义，但概念重点放在运行多态上。
多态性提供了把接口与实现分开的另外一个方法。多态性提高了代码的组织性和可读性，更重要的是它使软件的可扩充性有了充分的提高，使得软件可以较容易地增加新的特性和功能。正如在上一章讲的，可以把基类对象和不同的派生类对象在某些时候视为同一类型，再加上动态联编，就使同一个接口可以在不同的情况下有不同的实现，而实现的增多也不会影响到接口的形态。
6．1 重载与程序设计的多态性设计
具体讲，C++支持两种多态性：编译时的多态性和运行时的多态性。编译时的多态主要体现为函数重载以及特殊的函数重载——运算符重载，运行时的多态则由虚函数来完成。在分别讨论这两种多态性之前，首先要进一步搞清重载的概念和用法。
6．1．1 函数重载
（1）为什么要重载函数在自然语言中，除了一词多义之外，即使是同一个动词在不同的情况下，也有细微的判别，如洗衣服和洗车中的“洗”。这在人类语言中基本上不会引起误会。但在计算机语言中，每个名称在计算机内部必须是唯一的标识符。如打印数就必须根据需要打印的数来定义不同的打印函数。这种定义一方面使得程序的可读性变差，使程序员的工作变得复杂，另一方面也没有反映不同的打印函数之间的共同点。
幸运的是，C++提供了函数重载的机制，通过函数的参数数目或类型所建立的附加定义，使同一函数名在计算机内部具有不同的标识符，从而能够表现不同行为。如打印数可以表示为：
void print(int);
void print(float);
void print(char);
函数重载是一种方便的语言机制，它既可以运用于成员函数，也可以运用于一般函数，成尤其是类构造函数，一般都有是重载的。
（2）重载的方法定义函数重载，函数名字相同，但所带的参数的个数或类型不同，编译器能够根据参数来调用不同的同名函数。
如果函数的参数类型完全一致，仅仅是返回类型不同，则编译器认为出错。其原因有二：①当函数的返回值不赋给某一个变量时，系统无法判断应调用哪一个函数；②即使当函数返回值赋给一个变量时，系统也无法判断这一赋值是否进行了类型转换。如
int hello();
float hello();
当在程序中以下面的方式调用时，就会出现二义性问题：
float f;
f=hello();
如果存在着两个完全一致的函数定义，则认为第二个定义覆盖了第一个定义。
（3）重载的注意点函数重载提供了便利，但何时重载函数名收益最大却始终是一个问题。当一组函数执行相似的操作时，要慎重考虑，是否有其他更好的处理方法。程序员在编写程序时不应着眼于语言的特征，而应重点解决实际问题。在使用语言的特性时，应遵循应用程序的逻辑结构，绝不可滥用语言所拥有的特性。
（4）函数重载的例子构造函数的重载，可以使系统的几个不同的对象初始化方式。
类成员函数的重载，使成员变量处理更有效率。
类外的一般函数也允许重载，常常用于一种多态性。如乘法运算。
[例6．1]最大值函数max的重载版本程序EX6_1．CPP。
6．1．2 运算符重载
运算符重载是对系统已有预定义的运算符赋予新的含义，用自然的方式将其发展到特殊应用领域。
重载一个运算符，要求满足两个条件：第一，不能改变运算符的初始意义；第二不能改变运算符的操作的参数数目。运算符重载只是增加了一些与定义它的类相关的附加意义。
表6．1 C++中可能重载的运算符
+
-
*
/
%
^
&
|
~
!
=
<
>
+=
-=
*=
/=
%=
^=
&=
!=
<<
>>
>>=
<<=
= =
!=
<=
>=
&&
||
++
--
[ ]
( )
->
new
delete
注意：（1）．,：# *？：不能重载。
（2）除赋值运算符外，其他运算符函数都可以由派生类继承。并且派生类还可以有选择地重载自己所需要的运算符（包括基类重载的运算符）。
要重载一个运算符，先要创建一个运算符函数（operator function）。一般将运算符函数定义成类的成员函数或友元函数。
定义成员运算符函数的格式如下：
return_type class_name::operator@(arg_list)
{
//operation to per formed
}
其中，class_name是重载运算符的类名，operator是运算符重载的关键字，@是要重载的运算符符号，arg_list是该运算符所需的操作数。Operator@是函数名，函数的返回类型是return_type.
在类说明体内声明运算符函数用如下形式：
[例6．2] 二元运算符重载程序EX6_2．CPP。
6．1．3 各种运算符重载设计的问题讨论下面进一步讨论运算符重载的各类情形，分析它们在使用中应注意的技术内涵和方法上的问题。
6．1．3．1 若重载运算符是向对象加上一个数的情况
[例6．2a] EX6_2a．CPP。
6．1．3．2 关于重载—和=的方法与上述类似与不同处
[例6．2b] EX6_2b．CPP。
6．1．3．3 关系运算符和逻辑运算符重载
重载运算的返回值不是定义该重载运算符的对象，而是一个代表true或false的整数值。
[例6．2c] EX6_2c．CPP。
6．1．3．4 一元运算符的重载重载一元运算符的成员函数没有参数。如++，--。
[例6．2d] EX6_2d．CPP。
6．1．3．5 友元运算符重载可以用友元函数重载运算符，但它与成员运算符函数的主要区别在于：
（1） 参数个数不同。
（2） 成员函数通过this指针传递运算符左边的操作数，而友元函数则没有该指针，必须显示传递所有参数。
注意：不能用友元函数重载赋值运算符，而只能用友元函数。
友元函数重载运算符，能够在运算中用对象激活C++固有数据类型。
[例6．2e] EX6_2e．CPP。
6．1．3．6 存储分配通过对new和delete的重载，能够在其外部定义库函数的通用算法的基础上，提高特定情况下的效率，用户可以定制自己的内存分配方案。一般的格式是：
void *operator new(unsigned int size)
{ //size的值是存放对象所需的字节数
……
return pointer_to_memory;
}//为对象分配空间，会自动调用构造函数
void operator delete(void *p)
{//free memory p
}//释放P指向的空间，对象失效会自动调用析构函数
new和delete重载存在两种方式：全局重载方式和一个类的局部重载方式。但一般都是对一个类重载，也就是把重载运算符函授数说明为类的成员函数。
[例6．2f] new和delete的重载EX6_2f．CPP。
6．1．3．7 对象赋值与特殊按位拷贝运算对于一般情况下的类赋值，使用缺省赋值运算符就可以了。但在如带有指针问题的赋值的情况下，使用普通赋值运算符会出现指针悬挂错误，需要在类中重载赋值运算符，实行严格的按位拷贝，将传递内容和传送地址一起进行。
[例6．2g] 对象赋值与特殊按位拷贝运算EX6_2g．CPP。（？）
6．1．3．8 运算符[ ]和（ ）的重载运算符（）为函数调用算符，运算符[ ]是下标运算符（变址），这两个运算符不能用友元函数重载，只能采用成员函数重载。
定义形式分别为：
type class_name::operator[](int index)
{……}
type class_name::operator()(arg_list)
{……}
[例6．2h] 下标运算符的重载EX6_2h．CPP。
[例6．2i] 下标运算符的重载EX6_2i．CPP。
6．1．3．9 类类型转换函数当要将类类型转换为基本数据类型时，需要采用显式转换机制，定义类类型转换函数。
定义一个类的类型转换函数的语法形式是：
class_name::operator type()
{
……
return type_obj;//返回type 类型对象
}
使用类类型转换函数，是一个函数调用过程。
[例6．2j] 类类型转换函数EX6_2j．CPP。
6．1．4 编译时的多态多态性是OOP的一个重要特征。它一方面提供了丰富的逻辑关系清晰的描述对象方法的手段，另一方面提高了软件功能和版本进化的设计维护能力。
函数重载和运算符重载函数，构成了支持C++编译多态性的表达基础。在讨论两种不同的多态性之前，首先了解一下函数绑定（function call binding）。
将函数调用与函数体连接起来叫绑定。如果绑定在程序运行之前进行（由编译器和连接器执行），则称为预绑定（early binding），也叫静绑定。如C语言就只有预绑定。它意味着绑定基于的信息都是静态的。而面向对象的多态性设计要求能够在运行时，根据对象类型的不同来选择合适的函数调用，这些类型信息在编译时是不可知的。解决这一问题的绑定是后绑定（late binding）。
[例6．3a] 了解预绑定的工作过程EX6_3a．CPP。
预绑定时，编译系统根据指针（或引用）本身的类型，而不是它所指向的对象的类型来进行绑定。
从以上的分析可见，编译时的多态的实现，取决于程序的静态信息是否足够为相同的程序实体（指程序代码中的各种名称和代码段）确定不同的标识符。编译时的多态，表现为以下几方面：
（1）对于在一个类中说明的重载，编译系统根据重载函数的参数个数、类型以及顺序的差别，来分别调用相应的函数。
（2）对于在基类和派生类中的重载函数，即使所带的参数完全相同，由于它们属于不同的类，在编译时可以根据对象名前缀来加以区别；另一种方法是使用“类名：：”前缀，也可以指示编译器分辨出应该调用哪个类的成员函数。
预绑定的实体包括一般函数、重载函数、非虚成员函数和非虚友元函数。调用编译时绑定的函数，优点是高效率（因为代码优化）。缺点是缺少灵活性，不能满足程序的可扩充性要求。
6．1．5 运行时的多态
运行时的多态性是在程序运行时发生的事件，编译器在编译时未确定要调用的函数，必须根据程序运行所产生的信息来通知调用哪一个函数。这称为后绑定（late binding），是动态联编方式。
[例6．3] 建立一个数组，可以处理平面图形（2D_graph） 类的对象或其派生类（polygon、circle、line）的对象。这个数组可以通过如下声明实现：
2D_graph& g[10];
现在的要求是让数组指向的对象在屏幕上显示，即调用成员函数draw()。
如果语言支持的只有预绑定，由需要使用大量的swicth_case语句，并在代码级上进行类型判别。实现相当麻烦。
如果能用一种简单的表达：g[i].draw()，而让系统去操心运行时类型的判别，使用起来就相当方便。要做到这一点，必须有语言机制的支持——虚函数。C++的虚函数是一种后绑定的实体。
后绑定的主要优点是提供了程序的灵活性，主要缺点是速度较慢，效率较低。
