学习笔记之多态与虚函数

多态性的概念

多态性（polymorphism）是面向对象程序设计的一个重要特征，利用多态性可以设计和实现一个易于扩展的系统.

在c++程序设计中，多态性是指具有不同功能的函数可以用一个函数名，这样就可以用一个函数名调用不同内容的函数.

在面向对象方法中一般是这样表述多态性的：向不同的对象发送同一个消息，不同的对象在接收时会产生不同的行为（即方法）。也就是说，每个对象可以用自己的方式去响应共同的消息.

从系统实现的角度看，多态性分为两类:静态多态性和动态多态性。

以前学过的函数重载和运算符重载实现的多态性属性静态多态性，在程序编译系统就能决定调用的是哪个函数，因此静态多态性又称为编译时的多态性。静态多态性是通过函数的重载实现的（运算符重载实质上也是函数重载）。

动态多态性是程序运行过程中才动态的确定操作所针对的对象。它又称运行时多态性，动态多态性是通过虚函数(virtual function)实现的。

虚函数

虚汗的作用

在类的继承层次结构中，在不同的层次中可以出现名字相同，参数个数和类型都相同而功能不同的函数。系统根据同名覆盖的原则决定调用的对象。

虚函数的作用是允许在派生类中重新定义域基类同名的函数，并且可以通过基类指针或引用来访问基类和派生类中的同名函数。

虚函数的使用方法

1）在基类用virtual声明成员函数为虚函数。这样就可以在派生类中重新定义此函数，为它赋予新的功能，并能方便的被调用，在类外定义虚函数时，不必再加virtual

2）在派生类中重新定义此函数，要求函数名，函数类型，函数参数个数和类型全部与基类的虚函数相同，并根据派生类的需要重新定义函数体。

C++规定，当一个成员函数被声明为虚函数后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数，因此在派生类重新声明该虚函数时，可以加virtual，也可以不加，但是习惯上一般在每一层声明该函数时都加virtual，使程序更加清晰。

如果在派生类中没有对基类的虚函数重新定义，则派生类简单的继承其直接基类的虚函数。

3）定义一个指向基类对象的指针变量，并使它指向同一类族中需要调用该函数的对象。

4）通过该指针变量调用此虚函数，此时调用的就是指针变量执行的对象的同名函数。

通过虚函数于指向基类对象的指针变量的配合使用，就能方便的调用同一类族中不同类的同名函数，只要先用基类指针指向即可。如果指针不断的指向同一类族中不同类的对象，就能不断的调用这些对象中的同名函数。

需要说明的是；有时在基类定义的非虚函数会在派生类中被重新定义，如果用基类指针调用该成员函数，则系统会调用对象中基类部分的成员函数；如果用派生类指针调用该成员函数，则系统会调用派生类中对象的成员函数，这并不是多态性行为（使用了不同类型的指针），没有用到虚函数的功能。

以前介绍的函数重载是同一层次上同名函数问题，而虚函数处理的是不同派生层次上的同名函数问题，前者是横向重载，后者可以理解为纵向重载，但与重载不同的是：同一类族的虚函数的首部是相同的，而函数重载时函数的首部是不同的（参数个数和类型不同）

在声明情况下应当声明虚函数

使用虚函数时，有两点要注意:

1）只能用virtual声明类的成员函数，使它成为虚函数，而不能将类外的普通函数声明为虚函数，因为虚函数的作用是允许在派生类中对基类的虚函数重新定义，显然，它只能用于类的继承层次结构中。

2）一个成员函数被声明为虚函数后，在同一类族中的类就不用再定义一个非virtual的但与该虚函数具有相同参数（包括个数和类型）和函数返回值类型的同名函数。

需要说明的是:使用虚函数，系统要有一定的空间开销，当一个类带有虚函数时，编译系统就会为该类构造一个虚函数表（virtual function table，简称vtable），它是一个指针数组，存放每个虚函数的入口地址，系统在进行多态关联时的时间开销很少的，因此，多态是高效的。

虚析构函数

析构函数的作用是在对象撤销之前做必要的"清理现场"的工作，当派生类的对象从内存中撤销时一般先调用派生类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。

但是如果用new运算符建立了临时对象，若基类中有析构函数，并且定义了一个指向该基类的指针变量，在程序用带指针参数的delete运算符撤销对象时，会发生一个情况，系统会只执行基类的析构函数，而不会指向派生类的析构函数。

当基类的析构函数为虚函数时，无论指针指向的是同一类族中的哪一个对象，系统会采用动态关联，调用相应的析构函数，对该对象进行清理工作。

如果将基类的析构函数声明为虚函数，由该基类所派生的所有派生类的析构函数也都自动成为虚函数，即使派生类的析构函数与基类析构函数名字不相同。

最好把基类的析构函数声明为虚函数，这样使所有派生类的析构函数都自动成为虚函数，这样，如果程序中显示的用delete运算符准备删除一个对象，而delete运算符操作的对象用了指向派生类对象的基类指针，则系统会调用相应类的析构函数

虚析构函数的概念和用法很简单，但它在面向对象程序设计中却是很重要的技巧。专业人员一般都习惯声明虚析构函数，即使基类并不需要析构函数，也显示声明一个函数体为空的虚析构函数。以保证在撤销动态分配空间时能得到正确的处理

纯虚函数和抽象类

纯虚函数

有时在基类中将某一成员函数声明为虚函数，并不是基类本身的需求，而是考虑到派生类的需要，在基类中预留了一个函数名，具体功能留给派生类根据需要去定义。

纯虚函数是在声明虚函数时被初始化为0的函数，声明纯虚函数的一般形式为

virtual 函数类型 函数名（参数列表） = 0;

注意：1）纯虚函数没有函数体

2）最后的"=0"并不代表函数的返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统这是纯虚函数

3）这是一个声明语句，最后应该有分号

纯虚函数只有函数名而不具备函数的功能，不能被调用，它只是通知编译系统，在这里声明一个虚函数，留待派生类中定义。

在派生类中提供定义后，它才能具备函数的功能，可被调用

纯虚函数的作用是在基类中为派生类保留一个函数的名字，以便派生类根据需要对它进行定义。

如果在基类中没有保留函数名字，则无法实现多态性。

如果在一个类中声明了纯虚函数，而在其派生类中没有对该函数定义，在该虚函数在派生类中仍然为纯虚函数。

抽象类

如果声明了一个类，一般可以用它定义对象，但是在面向对象程序设计中，往往有一些类，他们不用来生成对象，定义这些类的唯一目的是用它作为基类去建立派生类。

这种不用来定义对象而只作为一种基本类型用作继承的类，称为抽象类(abstract class),由于它常用作基类。通常成为抽象基类。

凡是包含纯虚函数的类都是抽象类，因为纯虚函数是不能被调用的，保护纯虚函数的类是无法建立对象的。抽象类的作用是作为一个类族的公共基类，或者说为一个类族提供一个公共接口.

虽然抽象类不能定义对象（或者说抽象类不能实例化），但是可以可以指向抽象类数据的指针变量。

当派生类成为具体类之后，就可以用这种指针指向派生类对象，然后如果该指针调用虚函数，实现多态的操作。

如果在基类声明了虚函数，则在派生类中凡是与该函数有相同的函数名，函数类型，参数个数和类型的函数，均为虚函数（不论在派生类中是否用virtual声明）