C++多态和虚函数快速入门教程

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:
#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。

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