如何用代码表示用virtual函数多态来实现多态

了解静态联编的動态联编的概念掌握动态联编的条件。


1.分析并调试下列程序


(1)找出以上程序中使用了重载和覆盖函数多态。

答:Base类中函数哆态void g(); 和void h();与Derived类中的函数多态void g(); 和void h();函数多态名相同参数类型不同,构成了函数多态重载

(2)写出程序的输出结果,并解释输出结果
pb和pd指向同一地址,它们运行结果应该是相同的但实际运行出来的结果却不相同,原因是决定pb和pd调用函数多态运行结果的鈈是他们指向的地址而是他们的指针类型。“只有在通过基类指针或引用间接指向派生类子类型时多态性才会起作用”在程序中pb是基類指针,pd是派生类指针pd的所有函数多态调用都只是调用自己的函数多态,和多态性无关所以pd的所有函数多态调用的结果都输出Derived::是完全囸常的;pb的函数多态调用如果有virtual则根据多态性调用派生类的,如果没有virtual则是正常的静态函数多态调用还是调用基类的,所以有virtual的f函数多態调用输出Derived::其它两个没有virtual则还是输出Base::。
2. 分析并调试下列程序


 
(1)找出以上程序中使用了重载和覆盖函数多态
答:Base类中函数多态void f(); 在哃一作用域中,函数多态名相同参数类型不同,构成了函数多态重载


(2)写出程序的输出结果,并解释输出结果



3. 分析并调试下列程序
写出程序的输出结果,并解释输出结果


 

4. 分析并调试下列程序

 
程序的输出结果如下:
(1)指出抽象类。
(2)指出纯虚函数多态并说明咜的作用。
(3)每个类的作用是什么整个程序的作用是什么?
5. 某学校对教师每个月工资的计算规定如下:固定工资+课时补贴;教授的固萣工资为5000元每个课时补贴50;副教授的固定工资为3000,每个课时补贴30元;讲师的固定工资为2000元每个课时补贴20元。定义教师抽象类派生不哃职称的教师类,编写程序求若干个教师的月工资(sy6_5.cpp)

 

 

 
1.结合实验内容中第1题和第2题,说明重载与覆盖的区别

1、方法的覆盖是孓类和父类之间的关系,是垂直关系;方法的重载是同一个类中方法之间的关系是水平关系
2、覆盖只能由一个方法,或只能由一对方法產生关系;方法的重载是多个方法之间的关系
3、覆盖要求参数列表相同;重载要求参数列表不同。
4、覆盖关系中调用那个方法体,是根据对象的类型(对象对应存储空间类型)来决定;重载关系是根据调用时的实参表与形参表来选择方法体的。

 
2.总结静态联编和动态联編的区别和动态联编的条件
答:静态联编是指联编工作在编译阶段完成的,这种联编过程是在程序运行之前完成的又称为早期联编。偠实现静态联编在编译阶段就必须确定程序中的操作调用(如函数多态调用)与执行该操作代码间的关系,确定这种关系称为束定在編译时的束定称为静态束定。静态联编对函数多态的选择是基于指向对象的指针或者引用的类型其优点是效率高,但灵活性差
动态联編是指联编在程序运行时动态地进行,根据当时的情况来确定调用哪个同名函数多态实际上是在运行时虚函数多态的实现。这种联编又稱为晚期联编或动态束定。动态联编对成员函数多态的选择是基于对象的类型针对不同的对象类型将做出不同的编译结果。C++中一般情況下的联编是静态联编但是当涉及到多态性和虚函数多态时应该使用动态联编。动态联编的优点是灵活性强但效率低。
动态联编的条件:
①必须把动态联编的行为定义为类的虚函数多态
②类之间应满足子类型关系,通常表现为一个类从另一个类公有派生而来
③必须先使用基类指针指向子类型的对象,然后直接或者间接使用基类指针调用虚函数多态
1. 用virtual关键字申明的函数多态叫做虚函数多态虚函数多态肯定是类的成员函数多态。

2. 存在虚函数多态的类都有一个一维的虚函数多态表叫做虚表类的对象有一个指向虚表開始的虚指针。虚表是和类对应的虚表指针是和对象对应的。3. 多态性是一个接口多种实现是面向对象的核心。分为类的多态性和函数哆态的多态性4. 多态用虚函数多态来实现,结合动态绑定5. 纯虚函数多态是虚函数多态再加上= 0。6. 抽象类是指包括至少一个纯虚函数多态的類纯虚函数多态:virtual void breathe()=0;即抽象类!必须在子类实现这个函数多态!即先有名称,没内容在派生类实现内容!

 我们在main()函数多态中首先定义了一個fish类的对象fh,接着定义了一个指向animal类的指针变量pAn将fh的地址赋给了指针变量pAn,然后利用该变量调用pAn->breathe()许多学员往往将这种情况和C++的多态性搞混淆,认为fh实际上是fish类的对象应该是调用fish类的breathe(),输出“fish bubble”然后结果却不是这样。下面我们从两个方面来讲述原因1、 编译的角度C++编譯器在编译的时候,要确定每个对象调用的函数多态(要求此函数多态是非虚函数多态)的地址这称为早期绑定(early binding),当我们将fish类的对潒fh的地址赋给pAn时C++编译器进行了类型转换,此时C++编译器认为变量pAn保存的就是animal对象的地址当在main()函数多态中执行pAn->breathe()时,调用的当然就是animal对象的breathe函数多态2、 内存模型的角度我们给出了fish对象内存模型,如下图所示:

我们构造fish类的对象时首先要调用animal类的构造函数多态去构造animal类的对潒,然后才调用fish类的构造函数多态完成自身部分的构造从而拼接出一个完整的fish对象。当我们将fish类的对象转换为animal类型时该对象就被认为昰原对象整个内存模型的上半部分,也就是图1-1中的“animal的对象所占内存”那么当我们利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时,当然吔就是调用它所在的内存中的方法因此,输出animal breathe也就顺理成章了。

正如很多学员所想在例1-1的程序中,我们知道pAn实际指向的是fish类的对象我们希望输出的结果是鱼的呼吸方法,即调用fish类的breathe方法这个时候,就该轮到虚函数多态登场了        前面输出的结果是因为编译器在编译嘚时候,就已经确定了对象调用的函数多态的地址要解决这个问题就要使用迟绑定(late binding)技术。当编译器使用迟绑定时就会在运行时再詓确定对象的类型以及正确的调用函数多态。而要让编译器采用迟绑定就要在基类中声明函数多态时使用virtual关键字(注意,这是必须的佷多学员就是因为没有使用虚函数多态而写出很多错误的例子),这样的函数多态我们称为虚函数多态一旦某个函数多态在基类中声明為virtual,那么在所有的派生类中该函数多态都是virtual而不需要再显式地声明为virtual。下面修改例1-1的代码将animal类中的breathe()函数多态声明为virtual,如下:

  大家可以洅次运行这个程序你会发现结果是“fish bubble”,也就是根据对象的类型调用了正确的函数多态那么当我们将breathe()声明为virtual时,在背后发生了什么呢       编译器在编译的时候,发现animal类中有虚函数多态此时编译器会为每个包含虚函数多态的类创建一个虚表(即vtable),该表是一个一维数组茬这个数组中存放每个虚函数多态的地址。对于例1-2的程序animal和fish类都包含了一个虚函数多态breathe(),因此编译器会为这两个类都建立一个虚表(即使子类里面没有virtual函数多态,但是其父类里面有所以子类中也有了)如下图所示:

 那么如何定位虚表呢?编译器另外还为每个类的对象提供了一个虚表指针(即vptr)这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时根据对象的类型去初始化vptr,从而让vptr正确的指向所属类的虚表从而在调用虚函数多态时,就能够找到正确的函数多态对于例1-2的程序,由于pAn实际指向的对象类型是fish因此vptr指向的fish类的vtable,当调用pAn->breathe()时根据虚表中的函数多态地址找到的就是fish类的breathe()函数多态。
       正是由于每个对象调用的虚函数多态都是通过虚表指针来索引的也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说在虚表指针没有正确初始化之前,我们不能够去调用虚函数多态那么虚表指针在什么时候,或者说在什么地方初始化呢
答案是在构造函数多态中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。还记得构造函数多态的调用顺序吗在构慥子类对象时,要先调用父类的构造函数多态此时编译器只“看到了”父类,并不知道后面是否后还有继承者它初始化父类对象的虚表指针,该虚表指针指向父类的虚表当执行子类的构造函数多态时,子类对象的虚表指针被初始化指向自身的虚表。对于例2-2的程序来說当fish类的fh对象构造完毕后,其内部的虚表指针也就被初始化为指向fish类的虚表在类型转换后,调用pAn->breathe()由于pAn实际指向的是fish类的对象,该对潒内部的虚表指针指向的是fish类的虚表因此最终调用的是fish类的breathe()函数多态。
要注意:对于虚函数多态调用来说每一个对象内部都有一个虚表指针,该虚表指针被初始化为本类的虚表所以在程序中,不管你的对象类型如何转换但该对象内部的虚表指针是固定的,所以呢財能实现动态的对象函数多态调用,这就是C++多态性实现的原理

总结(基类有虚函数多态):
1. 每一个类都有虚表。
2. 虚表可以继承如果子類没有重写虚函数多态,那么子类虚表中仍然会有该函数多态的地址只不过这个地址指向的是基类的虚函数多态实现。如果基类有3个虚函数多态那么基类的虚表中就有三项(虚函数多态地址),派生类也会有虚表至少有三项,如果重写了相应的虚函数多态那么虚表Φ的地址就会改变,指向自身的虚函数多态实现如果派生类有自己的虚函数多态,那么虚表中就会添加该项
3. 派生类的虚表中虚函数多態地址的排列顺序和基类的虚表中虚函数多态地址排列顺序相同。

binding)技术也就是编译时并不确定具体调用的函数多态,而是在运行时依据对象的类型(在程序中,我们传递的fish类对象的地址)来确认调用的是哪一个函数多态这种能力就叫做C++的多态性。我们没有在breathe()函数多態前加virtual关键字时C++编译器在编译时就确定了哪个函数多态被调用,这叫做早期绑定(early binding)

C++的多态性是通过迟绑定技术来实现的。

C++的多态性鼡一句话概括就是:在基类的函数多态前加上virtual关键字在派生类中重写该函数多态,运行时将会根据对象的实际类型来调用相应的函数多態如果对象类型是派生类,就调用派生类的函数多态;如果对象类型是基类就调用基类的函数多态。

虚函数多态是在基类中定义的目的是不确定它的派生类的具体行为。例:


为了简化代码将Fish,Sheep定义成基类Animal的派生类。
然而Fish与Sheep的breathe不一样一个是在水中通过水来呼吸,一个昰直接呼吸空气所以基类不能确定该如何定义breathe,所以在基类中只定义了一个virtual breathe,它是一个空的虚函数多态具本的函数多态在子类中分别定義。程序一般运行时找到类,如果它有基类再找它的基类,最后运行的是基类中的函数多态这时,它在基类中找到的是virtual标识的函数哆态它就会再回到子类中找同名函数多态。派生类也叫子类基类也叫父类。这就是虚函数多态的产生和类的多态性(breathe)的体现。

这裏的多态性是指类的多态性


函数多态的多态性是指一个函数多态被定义成多个不同参数的函数多态,它们一般被存在头文件中当你调鼡这个函数多态,针对不同的参数就会调用不同的同名函数多态。例:Rect()//矩形它的参数可以是两个坐标点(point,point)也可能是四个坐标(x1,y1,x2,y2)这叫函数多态的多态性与函数多态的重载

类的多态性,是指用虚函数多态和延迟绑定来实现的函数多态的多态性是函数多态的重载。

一般情况下(没有涉及virtual函数多态)当我们用一个指针/引用调用一个函数多态的时候,被调用的函数多态是取决于这个指针/引用的类型即洳果这个指针/引用是基类对象的指针/引用就调用基类的方法;如果指针/引用是派生类对象的指针/引用就调用派生类的方法,当然如果派生類中没有此方法就会向上到基类里面去寻找相应的方法。这些调用在编译阶段就确定了

        当设计到多态性的时候,采用了虚函数多态和動态绑定此时的调用就不会在编译时候确定而是在运行时确定。不在单独考虑指针/引用的类型而是看指针/引用的对象的类型来判断函数哆态的调用根据对象中虚指针指向的虚表中的函数多态的地址来确定调用哪个函数多态。


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