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C++多型性和物件替換

2022-07-26 08:20:10 後端開發

??派生類繼承了基類除建構式和解構式外的所有資料成員和函式成員,派生類和基類存在一種特殊關系:派生類是一種基類,具有基類的所有功能,面向物件的程式設計利用派生類和基類之間的特殊關系,常常將派生類物件當作基類物件使用,或者用基類來代表派生類,其目的是提高代碼可重用性,由于C++對資料型別一致性要求比較嚴格,一般不能呼叫處理A類物件的函式afun(A x)來處理B類物件資料,

一、認識物件的替換和多型

通過一個例子更直觀的理解物件的替換和多型:

class A
{
    public:
        void fun1() //普通函式成員fun1
        { cout<< "A::fun1 called\n"; }
        virtual void fun2() //虛函式成員fun2
        { cout<< "Virtual A::fun2 called\n"; }
};
class B:public A //定義派生類B,公有繼承A
{
     public: 
        void fun1() //新增基類同名函式成員fun1
        { cout<< "B::fun1 called\n"; }
        virtual void fun2() //新增基類同名虛函式成員fun2
        { cout<< "Virtual B::fun2 called\n"; }
};
void exfun(A &x) //類外函式處理類物件
{
    cout<<"exfun call class A\n";
    x.fun1();
}
void exfun1(A &x) //類外函式呼叫類虛函式,實作物件多型性
{
    cout<<"exfun call class A\n";
    x.fun2();
}

??下面通過兩個類分別定義物件和參考來觀察它們所呼叫的函式是那些?

A aobj;B bobj; //分別定義兩個類的物件
A &ra1=aobj;
A &ra2=bobj; //通過基類物件參考兩個物件
ra1.fun1(); //顯示 A::fun1 called
ra2.fun1(); //顯示 A::fun1 called
ra1.fun2(); //顯示 Virtual A::fun2 called
ra2.fun2(); //顯示 Virtual B::fun2 called

??得到以下結論:

????1)通過基類ra2來參考派生類物件bobj,相當于將派生類物件當作基類物件來使用,這被稱作物件替換

????2)通過基類參考呼叫虛函式成員fun2,基類物件aobj和派生類物件bobj會顯示不同資訊,換言之,接收相同指令fun2,基類物件和派生類物件表現出不同行為,呈現多樣化形態,這就是物件的多型性

 二、型別兼容語法規則(物件替換)

??為了讓派生類物件可以與基類物件一起共用演算法代碼,C++語言專門指定了如下的型別兼容語法規則

????1)派生類的物件可以賦值給基類物件,

????2)派生類的物件可以初始化基類參考,或者說基類參考可以參考派生類物件,

????3)派生類物件的地址可以賦值給基類指標,或者說基類的物件指標可指向派生類物件,

??應用型別兼容語法規則有一個前提條件和一個使用限制,

??前提條件:派生類必須共有繼承基類,因為公有繼承下,派生類擁有基類的全部功能,派生類物件可以當作基類物件使用,

??使用限制:通過基類的物件、參考或物件指標訪問派生類物件時,只能訪問到基類成員,賦值和訪問時只能接識訓類成員,

?示例:

A x1;B x2; A &x3 = x1; //定義類A,類B物件和類A的參考并初始化為類x1
x1 = x2; //派生類物件給基類物件賦值
x3 = x2; //基類參考可以參考派生類物件
A *p; p = &x2; //基類物件指標指向派生類物件
exfun(x2); //輸出exfun call class A[換行] A::fun1 called
//此時通過類A的外部處理函式處理派生類B物件,完成代碼重用

三、物件的多型性

??通過上面示例思考,如何通過基類參考或指標訪問派生類中與基類中同名的函式?我們將呼叫物件的某個函式成員稱為向物件發送一條訊息,將執行函式成員完成某種程式功能稱為物件回應該訊息,不同物件接收相同訊息,但會表現除不同的行為,這就是物件的多型性,物件多型性就是:呼叫不同物件的同名函式成員,所執行的函式不同,完成的程式功能也不同,導致物件多型性的同名函式有以下三種不同形式:

????1) 不同類之間的同名函式,類成員有作用域,不同類之間的函式成員可以同名互不干擾,

????2)類中的多載函式,通過一類中的函式成員可以重名,只要他們的形參個數不同或型別不同,多載函式成員導致的多型本質上屬于多載函式多型,

????3)派生類中的同名覆寫,派生類中新增的函式成員可以與從基類繼承來函式成員同名,但他們不是多載函式,

??引入物件多型性的目的是為了讓另外一些處理基類的代碼也能夠被派生類物件重用,“另外一些”代碼的作用也就是通過基類參考或物件指標訪問派生類代碼時可以根據實際參考或指向的物件型別,自動呼叫該類同名函式中新增成員,這是需要將這些同名函式宣告成虛函式,C++語言以虛函式的語法形式來實作物件多型性,例如示例中的exfun1(A &x)函式,

 四、虛函式

  應用虛函式實作物件多型性的程序分為兩步:先宣告虛函式,在呼叫虛函式

1、宣告虛函式

  在定義基類時使用關鍵字virtual將函式宣告成虛函式,然后通過公有繼承定義派生類,并重寫虛函式成員,也就是新增一個與虛函式同名的函式成員,此后使用基類或派生類定義物件,其函式成員中只有虛函式成員才會在呼叫時呈現出多型性,

??為了更好的說明虛函式的宣告和使用,我們撰寫一個簡單示例代碼如下:

class A //類宣告
{
    public:
        virtual void fun1(); //宣告虛函式成員fun1
        void fun2(); //宣告非虛函式成員fun2
};
//類實作
void A::fun1() { cout<<"Base class A:virtual fun1() called"<<endl; }
void A::fun2() { cout<<"Base class A:non-virtual fun2() called"<<endl; }
class B:public A //定義派生類B,公有繼承A
{
     public: 
       virtual void fun1(); //重寫虛函式成員fun1
       void fun2(); //重寫非虛函式成員fun2
};
void B::fun1() { cout<<"Derived class B:virtual fun1() called"<<endl; }
void B::fun2() { cout<<"Derived class B:non-virtual fun2() called"<<endl; }

??宣告虛函式的語法細則:

????1)只能在類宣告部分宣告虛函式,在類實作部分定義函式成員時不能在使用關鍵字virtual

????2)基類中宣告虛函式成員被繼承到派生類后,自動成為派生類的虛函式成員,

????3)派生類可以重寫虛函式成員,如果重寫后的函式原型與基類虛函式成員完全一致,則該函式自動成為派生類的虛函式成員,無論宣告時加不加virtual

????4)類函式成員中的靜態函式、建構式不能是虛函式,解構式可以是虛函式,

2、呼叫虛函式

??下面我們通過派生類物件、基類參考和基類物件指標分別呼叫派生類虛函式和非虛函式,得到的結果如下:

//通過物件名呼叫函式成員
A aObj; B bObj;
bObj.fun1(); //呼叫結果:呼叫派生類bObj的新增虛函式成員fun1
bObj.fun2(); //呼叫結果:呼叫派生類bObj的新增非虛函式成員fun2(同名覆寫)
//通過基類參考呼叫函式成員
A &raObj = aObj; //定義基類參考,參考基類物件
raObj.fun1(); //呼叫結果:呼叫基類物件aObj的虛函式成員fun1
raObj.fun2(); //呼叫結果:呼叫基類物件aObj的非虛函式成員fun2
A &rbObj = bObj; //定義基類參考,參考基類物件
rbObj.fun1(); //呼叫結果:呼叫派生類物件bObj的新增虛函式成員fun1
rbObj.fun2(); //呼叫結果:呼叫派生類物件bObj的基類非虛函式成員fun2(型別兼容規則)
//通過基類物件指標呼叫函式成員
A *paObj = &aObj;//定義基類物件指標paObj,指向基類物件aObj
paObj->fun1(); //呼叫結果:呼叫基類物件aObj的虛函式成員fun1
paObj->fun2(); //呼叫結果:呼叫基類物件aObj的非虛函式成員fun2
A *pbObj = &bObj;//定義基類物件指標paObj,指向基類物件aObj
pbObj->fun1(); //呼叫結果:呼叫派生類物件bObj的新增虛函式成員fun1
pbObj->fun2(); //呼叫結果:呼叫派生類物件bObj的基類非虛函式成員fun2(型別兼容規則)

總結:通過基類的參考或物件指標訪問類族中物件的虛函式成員(例如:fun1),基類物件和派生類物件將分別呼叫各自的虛函式成員,呈現出多型性,如果訪問的是非虛函式成員(例如:fun2),則訪問的都是基類成員,不會呈現多型性,

??實作基類物件與派生類物件之間的多型性要滿足以下三個條件:

????1)在基類中宣告虛函式成員,

????2)派生類需公有繼承基類,并重寫虛函式成員(屬于新增成員),

????3)通過基類的參考或物件指標呼叫虛函式成員,

??只有滿足這三個條件,基類物件和派生類物件才會分別呼叫各自的虛函式,呈現出多型性,

??將源程式中具有多型性的虛函式名轉換成某個具體的函式存盤地址,這種函式名到存盤地址的轉換被稱為是對函式的系結,通過基類的參考或物件指標呼叫虛函式成員,到底是呼叫基類成員還是新增成員,這在編譯時還不能確定,其系結程序需要在程式執行時才能完成,物件多型是一種執行時多型

??總結以下通過物件的多型性讓類族共用演算法代碼需按以下步驟進行編程:

??1)宣告虛函式,定義基類時需要確定將那些函式成員宣告成虛函式,一般將可能被派生類修改或擴充的函式成員宣告成虛函式,

??2)重寫虛函式,定義派生類時公用繼承基類,并重寫那些從基類繼承來的虛函式成員,主要是為了修改和擴充基類功能,

??3)通過基類參考和物件指標訪問物件,訪問派生類物件,呼叫其中的虛函式成員將自動呼叫重寫的虛函式,否則自動呼叫從基類繼承來的函式成員(即型別兼容語法規則),

3、虛解構式

??建構式不能宣告成虛函式,解構式可以宣告成虛函式,解構式無形參,無函式型別,其宣告語法形式如:virtual ~類名();

??示例:

A *p1 = new A; //動態分配一個基類物件
A *p2 = new B; //動態分配一個派生類物件,使用基類的物件指標保存其地址
//使用物件略
delete p1;  //自動呼叫基類解構式
delete p2;  //自動呼叫派生類解構式

??可以注意到,p1 和p2都是基類的物件指標,使用delete運算子洗掉物件時,將根據所指向物件的型別自動呼叫不同的解構式,呈現出多型性,洗掉派生類物件時,先執行派生類解構式來析構新增成員,再執行基類解構式來析構基類成員,如果不采用虛解構式,那么洗掉派生類物件時將只會呼叫基類解構式,

五、抽象類和純虛函式

1、純虛函式

??類定義中,“只宣告,未定義”的函式成員被稱為純虛函式,純虛函式的宣告語法形式為: virtual 函式型別 函式名(形參串列)=0;純虛函式是一種虛函式,具有虛函式額特性,其中最重要的一條就是虛函式成員再呼叫時具有多型性,函式有純虛函式的類就是抽象類

??抽象類具有如下特性:

??1)抽象類不能實體化

????不能使用抽象類定義物件(即不能實體化),因為抽象類中含有未定義的純虛函式,其型別定義不完整,但可以定義抽象類的參考或物件指標,所定義參考、物件指標可以參考其派生類的實體化物件,

??2)抽象類可以作為基類定義派生類

????抽象類可以作為基類定義派生類,此時的派生類也會繼承抽象類的純虛函式,由于抽象類只是宣告了純虛函式的函式原型,沒有定義函式體代碼,因此其派生類只是繼承了其函式原型,派生類需要為純虛函式成員撰寫函式體代碼,這稱為實作純虛函式成員,派生類如果實作了所有的純虛函式成員,那么它就變成了一個普通的類,可以實體化,只要派生類還有一個為實作的純虛函式,那么它就還是一個抽象類,不能實體化,這是它還是只能作為基類繼續往下派生,直到實作所有純虛函式成員后才能實作化,

2、抽象類的應用

??1)統一類族介面

????派生類繼承基類是為了重用基類的代碼,如果基類時抽象類,純虛函式成員只宣告函式原型,這樣類族中的所有派生類都具有相同的對外介面,統一介面可以方便類族的使用,

??2)類族共用演算法代碼

????抽象類中定義的純虛函式具有虛函式特性,不同派生類中的虛函式實作和作用功能不同,呼叫時呈現多型性,類外函式可以通過抽象類(基類)參考和物件指標呼叫呼叫不同派生類物件,使得不同派生類物件公用該類外函式(演算法),

六、多繼承、重復繼承、虛基類(挖坑)

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