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詳解C++編程的多態(tài)性概念

2020-05-23 14:14:22
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來源:轉載
供稿:網(wǎng)友

這篇文章主要介紹了C++編程的多態(tài)性概念,是C++入門學習中的基礎知識,需要的朋友可以參考下

多態(tài)性(polymorphism)是面向對象程序設計的一個重要特征。如果一種語言只支持類而不支持多態(tài),是不能被稱為面向對象語言的,只能說是基于對象的,如Ada、VB就屬此類。C++支持多態(tài)性,在C++程序設計中能夠實現(xiàn)多態(tài)性。利用多態(tài)性可以設計和實現(xiàn)一個易于擴展的系統(tǒng)。

顧名思義,多態(tài)的意思是一個事物有多種形態(tài)。多態(tài)性的英文單詞polymorphism來源于希臘詞根poly(意為“很多”)和morph(意為“形態(tài)”)。在C ++程序設計中,多態(tài)性是指具有不同功能的函數(shù)可以用同一個函數(shù)名,這樣就可以用一個函數(shù)名調用不同內容的函數(shù)。在面向對象方法中一般是這樣表述多態(tài)性的:向不同的對象發(fā)送同一個消息, 不同的對象在接收時會產(chǎn)生不同的行為(即方法)。也就是說,每個對象可以用自己的方式去響應共同的消息。所謂消息,就是調用函數(shù),不同的行為就是指不同的實現(xiàn),即執(zhí)行不同的函數(shù)。

其實,我們已經(jīng)多次接觸過多態(tài)性的現(xiàn)象,例如函數(shù)的重載、運算符重載都是多態(tài)現(xiàn)象。只是那時沒有用到多態(tài)性這一專門術語而已。例如,使用運算符“+”使兩個數(shù)值相加,就是發(fā)送一個消息,它要調用operator +函數(shù)。實際上,整型、單精度型、雙精度型的加法操作過程是互不相同的,是由不同內容的函數(shù)實現(xiàn)的。顯然,它們以不同的行為或方法來響應同一消息。

在現(xiàn)實生活中可以看到許多多態(tài)性的例子。如學校校長向社會發(fā)布一個消息:9月1日新學年開學。不同的對象會作出不同的響應:學生要準備好課本準時到校上課;家長要籌集學費;教師要備好課;后勤部門要準備好教室、宿舍和食堂……由于事先對各種人的任務已作了規(guī)定,因此,在得到同一個消息時,各種人都知道自己應當怎么做,這就是 多態(tài)性。可以設想,如果不利用多態(tài)性,那么校長就要分別給學生、家長、教師、后勤部門等許多不同的對象分別發(fā)通知,分別具體規(guī)定每一種人接到通知后應該怎么做。顯然這是一件十分復雜而細致的工作。一人包攬一切,吃力還不討好。現(xiàn)在,利用了多態(tài)性機制,校長在發(fā)布消息時,不必一一具體考慮不同類型人員是怎樣執(zhí)行的。至于各類人員在接到消息后應氣做什么,并不是臨時決定的,而是學校的工作機制事先安排決定好的。校長只需不斷發(fā)布各種消息,各種人員就會按預定方案有條不紊地工作。

同樣,在C++程序設計中,在不同的類中定義了其響應消息的方法,那么使用這些類 時,不必考慮它們是什么類型,只要發(fā)布消息即可。正如在使用運算符“ ”時不必考慮相加的數(shù)值是整型、單精度型還是雙精度型,直接使用“+”,不論哪類數(shù)值都能實現(xiàn)相加。可以說這是以不變應萬變的方法,不論對象千變萬化,用戶都是用同一形式的信息去調用它們,使它們根據(jù)事先的安排作出反應。

從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度看,多態(tài)性分為兩類:靜態(tài)多態(tài)性和動態(tài)多態(tài)性。以前學過的函數(shù)重載和運算符重載實現(xiàn)的多態(tài)性屬于靜態(tài)多態(tài)性,在程序編譯時系統(tǒng)就能決定調用的是哪個函數(shù),因此靜態(tài)多態(tài)性又稱編譯時的多態(tài)性。靜態(tài)多態(tài)性是通過函數(shù)的重載實現(xiàn)的(運算符重載實質上也是函數(shù)重載)。動態(tài)多態(tài)性是在程序運行過程中才動態(tài)地確定操作所針對的對象。它又稱運行時的多態(tài)性。動態(tài)多態(tài)性是通過虛函數(shù)(Virtual fiinction)實現(xiàn)的。

下面是一個承上啟下的例子。一方面它是有關繼承和運算符重載內容的綜合應用的例子,通過這個例子可以進一步融會貫通前面所學的內容,另一方面又是作為討論多態(tài)性的一個基礎用例。

希望大家耐心、深入地閱讀和消化這個程序,弄清其中的每一個細節(jié)。

[例] 先建立一個Point(點)類,包含數(shù)據(jù)成員x,y(坐標點)。以它為基類,派生出一個Circle(圓)類,增加數(shù)據(jù)成員r(半徑),再以Circle類為直接基類,派生出一個Cylinder(圓柱體)類,再增加數(shù)據(jù)成員h(高)。要求編寫程序,重載運算符“<<”和“>>”,使之能用于輸出以上類對象。

這個例題難度不大,但程序很長。對于一個比較大的程序,應當分成若干步驟進行。先聲明基類,再聲明派生類,逐級進行,分步調試。

1) 聲明基類Point

類可寫出聲明基類Point的部分如下:

 

  1. #include <iostream> 
  2. //聲明類Point 
  3. class Point 
  4. public
  5. Point(float x=0,float y=0); //有默認參數(shù)的構造函數(shù) 
  6. void setPoint(float ,float); //設置坐標值 
  7. float getX( )const {return x;} //讀x坐標 
  8. float getY( )const {return y;} //讀y坐標 
  9. friend ostream & operator <<(ostream &,const Point &); //重載運算符“<<” 
  10. protected//受保護成員 
  11. float x, y; 
  12. }; 
  13. //下面定義Point類的成員函數(shù) 
  14. Point::Point(float a,float b) //Point的構造函數(shù) 
  15. //對x,y初始化 
  16. x=a; 
  17. y=b; 
  18. void Point::setPoint(float a,float b) //設置x和y的坐標值 
  19. //為x,y賦新值 
  20. x=a; 
  21. y=b; 
  22. //重載運算符“<<”,使之能輸出點的坐標 
  23. ostream & operator <<(ostream &output, const Point &p) 
  24. output<<"["<<p.x<<","<<p.y<<"]"<<endl; 
  25. return output; 

以上完成了基類Point類的聲明。

為了提高程序調試的效率,提倡對程序分步調試,不要將一個長的程序都寫完以后才統(tǒng)一調試,那樣在編譯時可能會同時出現(xiàn)大量的編譯錯誤,面對一個長的程序,程序人員往往難以迅速準確地找到出錯位置。要善于將一個大的程序分解為若干個文件,分別編譯,或者分步調試,先通過最基本的部分,再逐步擴充。

現(xiàn)在要對上面寫的基類聲明進行調試,檢查它是否有錯,為此要寫出main函數(shù)。實際上它是一個測試程序。

 

  1. int main( ) 
  2. Point p(3.5,6.4); //建立Point類對象p 
  3. cout<<"x="<<p.getX( )<<",y="<<p.getY( )<<endl; //輸出p的坐標值 
  4. p.setPoint(8.5,6.8); //重新設置p的坐標值 
  5. cout<<"p(new):"<<p<<endl; //用重載運算符“<<”輸出p點坐標 
  6. return 0; 

getX和getY函數(shù)聲明為常成員函數(shù),作用是只允許函數(shù)引用類中的數(shù)據(jù),而不允許修改它們,以保證類中數(shù)據(jù)的安全。數(shù)據(jù)成員x和y聲明為protected,這樣可以被派生類訪問(如果聲明為private,派生類是不能訪問的)。

程序編譯通過,運行結果為:

 

 
  1. x=3.5,y=6.4 
  2. p(new):[8.5,6.8] 

測試程序檢查了基類中各函數(shù)的功能,以及運算符重載的作用,證明程序是正確的。

2)聲明派生類Circle

在上面的基礎上,再寫出聲明派生類Circle的部分:

 

 
  1. class Circle:public Point //circle是Point類的公用派生類 
  2. public
  3. Circle(float x=0,float y=0,float r=0); //構造函數(shù) 
  4. void setRadius(float ); //設置半徑值 
  5. float getRadius( )const//讀取半徑值 
  6. float area ( )const//計算圓面積 
  7. friend ostream &operator <<(ostream &,const Circle &); //重載運算符“<<” 
  8. private
  9. float radius; 
  10. }; 
  11. //定義構造函數(shù),對圓心坐標和半徑初始化 
  12. Circle::Circle(float a,float b,float r):Point(a,b),radius(r){} 
  13. //設置半徑值 
  14. void Circle::setRadius(float r){radius=r;} 
  15. //讀取半徑值 
  16. float Circle::getRadius( )const {return radius;} 
  17. //計算圓面積 
  18. float Circle::area( )const 
  19. return 3.14159*radius*radius; 
  20. //重載運算符“<<”,使之按規(guī)定的形式輸出圓的信息 
  21. ostream &operator <<(ostream &output,const Circle &c) 
  22. output<<"Center=["<<c.x<<","<<c.y<<"],r="<<c.radius<<",area="<<c.area( )<<endl; 
  23. return output; 

為了測試以上Circle類的定義,可以寫出下面的主函數(shù):

 

 
  1. int main( ) 
  2. Circle c(3.5,6.4,5.2); //建立Circle類對象c,并給定圓心坐標和半徑 
  3. cout<<"original circle://nx="<<c.getX()<<", y="<<c.getY()<<", r="<<c.getRadius( )<<", area="<<c.area( )<<endl; //輸出圓心坐標、半徑和面積 
  4. c.setRadius(7.5); //設置半徑值 
  5. c.setPoint(5,5); //設置圓心坐標值x,y 
  6. cout<<"new circle://n"<<c; //用重載運算符“<<”輸出圓對象的信息 
  7. Point &pRef=c; //pRef是Point類的引用變量,被c初始化 
  8. cout<<"pRef:"<<pRef; //輸出pRef的信息 
  9. return 0; 

程序編譯通過,運行結果為:

 

 
  1. original circle:(輸出原來的圓的數(shù)據(jù)) 
  2. x=3.5, y=6.4, r=5.2, area=84.9486 
  3. new circle:(輸出修改后的圓的數(shù)據(jù)) 
  4. Center=[5,5], r=7.5, area=176.714 
  5. pRef:[5,5] (輸出圓的圓心“點”的數(shù)據(jù)) 

可以看到,在Point類中聲明了一次運算符“ <<”重載函數(shù),在Circle類中又聲明了一次運算符“ <<”,兩次重載的運算符“<<”內容是不同的,在編譯時編譯系統(tǒng)會根據(jù)輸出項的類型確定調用哪一個運算符重載函數(shù)。main函數(shù)第7行用“cout<< ”輸出c,調用的是在Circle類中聲明的運算符重載函數(shù)。

請注意main函數(shù)第8行:

 

 
  1. Point & pRef = c; 

定義了 Point類的引用變量pRef,并用派生類Circle對象c對其初始化。前面我們已經(jīng)講過,派生類對象可以替代基類對象為基類對象的引用初始化或賦值(詳情請查看:C++基類與派生類的轉換)。現(xiàn)在 Circle是Point的公用派生類,因此,pRef不能認為是c的別名,它得到了c的起始地址, 它只是c中基類部分的別名,與c中基類部分共享同一段存儲單元。所以用“cout<

3) 聲明Circle的派生類Cylinder

前面已從基類Point派生出Circle類,現(xiàn)在再從Circle派生出Cylinder類。

 

 
  1. class Cylinder:public Circle// Cylinder是Circle的公用派生類 
  2. public
  3. Cylinder (float x=0,float y=0,float r=0,float h=0); //構造函數(shù) 
  4. void setHeight(float ); //設置圓柱高 
  5. float getHeight( )const//讀取圓柱高 
  6. loat area( )const//計算圓表面積 
  7. float volume( )const//計算圓柱體積 
  8. friend ostream& operator <<(ostream&,const Cylinder&); //重載運算符<< 
  9. protected
  10. float height;//圓柱高 
  11. }; 
  12. //定義構造函數(shù) 
  13. Cylinder::Cylinder(float a,float b,float r,float h):Circle(a,b,r),height(h){} 
  14. //設置圓柱高 
  15. void Cylinder::setHeight(float h){height=h;} 
  16. //讀取圓柱高 
  17. float Cylinder::getHeight( )const {return height;} 
  18. //計算圓表面積 
  19. float Cylinder::area( )const { return 2*Circle::area( )+2*3.14159*radius*height;} 
  20. //計算圓柱體積 
  21. float Cylinder::volume()const {return Circle::area()*height;} 
  22. ostream &operator <<(ostream &output,const Cylinder& cy) 
  23. output<<"Center=["<<cy.x<<","<<cy.y<<"],r="<<cy.radius<<",h="<<cy.height <<"//narea="<<cy.area( )<<", volume="<<cy.volume( )<<endl; 
  24. return output; 
  25. //重載運算符“<<” 

可以寫出下面的主函數(shù):

 

 
  1. int main( ) 
  2. Cylinder cy1(3.5,6.4,5.2,10);//定義Cylinder類對象cy1 
  3. cout<<"//noriginal cylinder://nx="<<cy1.getX( )<<", y="<<cy1.getY( )<<", r=" 
  4. <<cy1.getRadius( )<<", h="<<cy1.getHeight( )<<"//narea="<<cy1.area() 
  5. <<",volume="<<cy1.volume()<<endl;//用系統(tǒng)定義的運算符“<<”輸出cy1的數(shù)據(jù) 
  6. cy1.setHeight(15);//設置圓柱高 
  7. cy1.setRadius(7.5);//設置圓半徑 
  8. cy1.setPoint(5,5);//設置圓心坐標值x,y 
  9. cout<<"//nnew cylinder://n"<<cy1;//用重載運算符“<<”輸出cy1的數(shù)據(jù) 
  10. Point &pRef=cy1;//pRef是Point類對象的引用變量 
  11. cout<<"//npRef as a Point:"<<pRef;//pRef作為一個“點”輸出 
  12. Circle &cRef=cy1;//cRef是Circle類對象的引用變量 
  13. cout<<"//ncRef as a Circle:"<<cRef;//cRef作為一個“圓”輸出 
  14. return 0; 

運行結果如下:

 

 
  1. original cylinder:(輸出cy1的初始值) 
  2. x=3.5, y=6.4, r=5.2, h=10 (圓心坐標x,y。半徑r,高h) 
  3. area=496.623, volume=849.486 (圓柱表面積area和體積volume) 
  4. new cylinder: (輸出cy1的新值) 
  5. Center=[5,5], r=7.5, h=15 (以[5,5]形式輸出圓心坐標) 
  6. area=1060.29, volume=2650.72(圓柱表面積area和體積volume) 
  7. pRef as a Point:[5,5] (pRef作為一個“點”輸出) 
  8. cRef as a Circle:Center=[5,5], r=7.5, area=176.714(cRef作為一個“圓”輸出) 

說明:在Cylinder類中定義了 area函數(shù),它與Circle類中的area函數(shù)同名,根據(jù)前面我們講解的同名覆蓋的原則(詳情請查看:C++多重繼承的二義性問題),cy1.area( ) 調用的是Cylinder類的area函數(shù)(求圓柱表面積),而不是Circle類的area函數(shù)(圓面積)。請注意,這兩個area函數(shù)不是重載函數(shù),它們不僅函數(shù)名相同,而且函數(shù)類型和參數(shù)個數(shù)都相同,兩個同名函數(shù)不在同 —個類中,而是分別在基類和派生類中,屬于同名覆蓋。重載函數(shù)的參數(shù)個數(shù)和參數(shù)類型必須至少有一者不同,否則系統(tǒng)無法確定調用哪一個函數(shù)。

main函數(shù)第9行用“cout<

main函數(shù)中最后4行的含義與在定義Circle類時的情況類似。pRef是Point類的引用變量,用cy1對其初始化,但它不是cy1的別名,只是cy1中基類Point部分的別名,在輸出pRef時是作為一個Point類對象輸出的,也就是說,它是一個“點”。同樣,cRef是Circle類的引用變量,用cy1對其初始化,但它只是cy1中的直接基類Circle部分的別名, 在輸出 cRef 時是作為Circle類對象輸出的,它是一個"圓”,而不是一個“圓柱體”。從輸 出的結果可以看出調用的是哪個運算符函數(shù)。

在本例中存在靜態(tài)多態(tài)性,這是運算符重載引起的(注意3個運算符函數(shù)是重載而不是同名覆蓋,因為有一個形參類型不同)。可以看到,在編譯時編譯系統(tǒng)即可以判定應調用哪個重載運算符函數(shù)。

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