C++多态性之包含多态（一）—学习记录

一、C++的包含多态

        面向对象程序设计的四大特点为抽象、封装、继承和多态，其中，多态性可以提高代码的可拓展性和可维护性。

        多态是指同样的消息被不同类型的对象接收时导致不同的行为。所谓消息是指对类的成员函数的调用，不同的行为是指不同的实现，也就是调用了不同的函数[1]。面向对象的多态性可以分为重载多态、强制多态、包含多态和参数多态四类，其中，包含多态是类族中定义于不同类中的同名成员函数的多态行为，本文将基于包含多态进行展开学习。

包含多态的关键学习内容：

1. 虚函数

（1）虚函数是动态绑定的基础，虚函数必须是非静态的成员函数。虚函数声明只能出现在类定义中的函数原型声明中，而不能在成员函数实现的时候。一般虚函数成员的声明语法为：

virtual 函数返回值类型 函数名(形参表);

（2）运行过程中的多态需要满足3个条件，第一是类之间满足赋值兼容规则，第二是要在基类中声明虚函数，第三是要由成员函数来调用或者是通过指针、引用来访问虚函数。

（3）如果是使用对象名来访问虚函数，则绑定在编译过程中就可以进行（静态绑定），因为对象的类型是确定不变的。

（4）动态绑定只有通过指针或引用调用虚函数时才会发生。即当且仅当对通过指针或引用调用虚函数时，才会在运行时解析该调用，也只有在这种情况下对象的动态类型才有可能与静态类型不同。

（5）（编程规范）在C++11新标准中，使用override关键字来说明派生类中的虚函数可以使得程序员的意图更加清晰的同时让编译器可以发现一些错误。如果使用override标记了某个函数，但该函数并没有覆盖已存在的虚函数，此时编译器将报错[2]。

（6）（编程规范）在C++11新标准中，使用final关键字将函数声明后，任何尝试覆盖该函数的操作都将引发错误[2]。

（7）override和final说明符出现在形参列表（包括任何const或引用修饰符）以及尾置返回类型之后。

2. 类型兼容规则

（1）类型兼容规则是指在需要基类对象的任何地方，都可以使用公有派生类的对象来替代。在替代之后，派生类对象就可以作为基类的对象使用，但只能使用从基类继承的成员。

（2）类型兼容规则中所指的替代包括派生类的对象可以隐含转换为基类对象、派生类的对象可以初始化基类的引用以及派生类的指针可以隐含转换为基类的指针。

补充说明：

1. 派生类覆盖基类的成员函数时，派生类中既可以使用virtual关键字，也可以不显式给出虚函数声明，二者没有差别。若派生类并没有显式给出虚函数声明，这时系统就会遵循以下规则来判断派生类的一个函数成员是否为虚函数，若三个条件同时满足则自动确定为虚函数：

        （1）该函数是否与基类的虚函数有相同的名称；

        （2）该函数是否与基类的虚函数有相同的参数个数及相同的对应参数类型；

        （3）该函数是否与基类的虚函数有相同的返回值或者满足赋值兼容规则的指针、引用型的返回值。

2. 派生类中的虚函数会隐藏基类中同名函数的所有其他重载形式。

3. 在重写继承来的虚函数时，如果函数有默认形参值，不要重新定义不同的值。原因为虚函数是动态绑定的，但默认形参值是静态绑定的。

二、虚析构函数

        在C++中，不能声明虚构造函数，但是可以声明虚析构函数。如果一个类的析构函数是虚函数，那么由它派生而来的所有子类的析构函数也是虚函数。析构函数设置为虚函数之后，在使用指针引用时可以动态绑定，实现运行时的多态，保证使用基类类型的指针就能够调用适当的析构函数针对不同的对象进行清理工作。

虚析构函数的声明语法为：

virtual ~类名();

三、纯虚函数

        纯虚函数是一个在基类中声明的虚函数，它在该基类中没有定义具体的操作内容，要求各派生类根据实际需要给出各自的定义。纯虚函数的声明格式为：

virtual 函数返回值类型 函数名(参数表)=0;

注意事项：

如果将析构函数声明为纯虚函数，必须给出它的实现，因为派生类的析构函数体执行完后需要调用基类的纯虚函数。

四、抽象类

        抽象类是一种特殊的类，它为一个类族提供统一的操作界面。抽象类是为了抽象和设计的目的而建立的。抽象类不能实例化，即不能定义一个抽象类的对象，但是可以定义一个抽象类的指针和引用，通过指针或引用就可以指向并访问派生类的对象，进而访问派生类的成员。

        带有纯虚函数的类是抽象类。抽象类的主要作用是通过它为一个类族建立一个公共的接口，使它们能够更有效地发挥多态特性。抽象类声明了一个类族派生类的公共接口，而接口的完整实现，即纯虚函数的函数体，要由派生类自己定义。

五、代码实验

#include <iostream>
#include <math.h>using namespace std;// 抽象类
class geometry
{public:virtual double Area_cal() = 0;virtual double Peri_cal() = 0;virtual void Area_show() = 0;virtual void Peri_show() = 0;
};// 矩形
class rectangle:public geometry
{public:rectangle(double w, double h) { width = w; height = h; };~rectangle() {};double Area_cal() { return width * height; };double Peri_cal() { return 2 * (width + height); };void Area_show() { cout << "该矩形的面积：" << Area_cal() << "平方米" << endl; };void Peri_show() { cout << "该矩形的周长："<< Peri_cal() <<"米" << endl; };double width;double height;
};// 正方形
class square :public rectangle
{public:square(double w):rectangle(w,w) {};~square() {};double Area_cal() { return pow(width,2); };double Peri_cal() { return 4 * width; };void Area_show() { cout << "该正方形的面积：" << Area_cal() << "平方米" << endl; };void Peri_show() { cout << "该正方形的周长：" << Peri_cal() << "米" << endl; };
};int main()
{square a(2);rectangle b(3, 4);geometry* aa = &a;aa->Area_show();aa->Peri_show();geometry* bb = &b;bb->Area_show();bb->Peri_show();return 0;
};

参考资料：

[1]  C++语言程序设计 / 郑莉，董渊，何江舟编著.—4版.—北京：清华大学出版社，2010.7（清华大学计算机系列教材）

[2] C++ Primer中文版：第5版 /（美）李普曼（Lippman,S.B.），（美）拉乔伊（Lajoie,J.），（美）默（Moo,B.E.）著；王刚，杨巨峰译. —北京：电子工业出版社，2013.9.

[3] https://www.youtube.com/watch?v=ALGQJHIiZ5U（c++侯捷）